1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室，上海 201800
3 中国科学院大学，北京 100049
铷87的双光子光谱具有高信噪比、无多普勒展宽、窄线宽等特点。构建了基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考，分析测试了影响其短期稳定度的因素。利用778 nm外腔半导体激光器激发双光子跃迁产生420 nm荧光信号，通过荧光信号锁定激光器频率。探讨了谱线线宽、信噪比、功率、温度相关的谱线展宽、光频移、系统结构稳定性和调制宽度等对频移和稳定度的影响。采用螺栓锁紧结构固定光学元件，大幅改善了光学对准引起的稳频误差，通过直接调制激光器电流实现了秒级稳定度为1.5×10-12、500 s稳定度为2.88×10-13的光学频率参考。与其他基于饱和吸收的光学频率参考相比，构建的基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考的稳定度提高了10~100倍。光学对准对于提高荧光探测信噪比和优化长期稳定度具有重要意义。验证了内调制实现双光子光学频率参考的可行性，并提出了进一步优化短期稳定度和长期稳定度可采用的技术方案。
激光器 双光子跃迁 激光稳频 光学对准 频率稳定度 中国激光
2023, 50(23): 2301013
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 国防科技创新研究院前沿交叉技术研究中心, 北京 100010
研制了一种用于冷原子重力仪的集成化、低相噪、多通道微波频率综合器。利用锁相环技术,将100 MHz晶振锁定到10 MHz晶振上,改善了100 MHz晶振近端的相位噪声,使输出至后级倍频链路的100 MHz信号的相位噪声同时具备10 MHz及100 MHz晶振的优点。通过搭建超低相噪倍频链路,得到 87Rb原子基态跃迁所需的6.834 GHz微波信号。通过互相关法测量得到在频偏为1 Hz和10 kHz处的相位噪声分别为-60 dBc/Hz和-120 dBc/Hz,其频率分辨率为1.42×10 -6 Hz,并评估了其相位噪声对冷原子重力仪测量分辨率的影响。该微波频综方案具有普适性,可广泛应用于原子钟和干涉仪等量子精密测量领域。
测量与计量 精密测量 微波频综 低相噪 锁相环 冷原子重力仪 中国激光
2021, 48(23): 2311001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心,北京 100049
研究了一种基于模糊控制的嵌入式激光功率稳定系统,用声光调制器作为功率稳定的外部环路反馈器件,采用模数转换器和数模转换器以及数字信号处理芯片组成数控功率稳定电路。用模糊控制方案解决了传统比例-积分-微分(PID)的超调问题,反馈环路的稳定时间为1.8ms。有效抑制了激光功率在低频部分的相对强度噪声,在1Hz处从-88dBc/Hz改善至-110dBc/Hz。激光功率的相对起伏由0.29%降低至0.035%。相比于传统PID,模糊PID可以根据系统所处状态实时调整参数,从而达到自适应的效果。
激光器 功率稳定 模糊控制 自适应
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料和光电研究中心, 北京 100049
介绍了一种基于步进电机的光开关,主要用于间歇型原子钟。采用直径为6 mm的两相步进电机,结合不同形状的挡光叶片,实现了对光的开启与关断。采用步进电机驱动芯片TMC260和微控制器STC12C5A60S2结合的方式控制步进电机的转动。该控制系统整体结构紧凑,且一个微控制器可以控制多个步进电机。实验结果表明,利用该光开关可实现高于100 dB的消光比,并且可长时间稳定运行。
光开关 步进电机 消光比 原子钟
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Quantum Optics, The Center of Cold Atom Physics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
We present the long-term stability of the integrating sphere cold atom clock (ISCAC) and analyze its systematic limitations. The relative frequency instability of 2.6×10 15 is reached for an averaging time of 2×105 s. The second-order Zeeman effect and the cavity pulling effect in ISCAC, which would induce the frequency drift from the clock transition, are analyzed. The analytical and experimental results indicate that the cavity pulling effect is the main contribution to the long-term frequency instability of the ISCAC. Further technical improvements to the microwave cavity are also discussed.
020.1335 Atom optics 020.3320 Laser cooling 020.7490 Zeeman effect Chinese Optics Letters
2018, 16(7): 070201
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
提出了一种积分球冷原子钟冷原子数稳定的新方法。该方法通过周期性地监测冷原子的吸收信号,利用反馈控制冷却激光内声光调制器的衍射效率并改变冷却光功率,实现冷原子数的稳定。推导了冷原子数稳定系统的环路方程,分析了稳定环路对冷原子数涨落的抑制作用。稳定后冷原子数的归一化涨落为1±0.001(3 h),其功率谱密度在0.001~0.2 Hz频率范围内的最大抑制量约为30 dB。该涨落被抑制的原因主要是稳定环路除了直接补偿冷却光激光器输出的光功率变化外,还纠正了外界环境引起的冷原子数漂移。冷原子数稳定之后,由冷原子数涨落引起的原子钟频率稳定度可降低至7×10
-14τ-1/2
(
τ
为积分时间)。
原子与分子物理学 激光冷却 积分球 冷原子数稳定 冷原子钟
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
对积分球冷原子钟(ISCAC)探测光的频率和强度噪声进行了理论分析和实验研究。通过功率稳定和杂散光去除, 探测光相对强度噪声的功率谱密度在高频区域(0.1～10 kHz)最大被压缩了15 dB, 同时探测光频率噪声对ISCAC频率稳定度的影响被降低至9τ－1/2×10－15, 其中τ为积分时间。理论分析结果表明, 目前探测光频率噪声对ISCAC频率稳定度的影响为2.5τ－1/2×10－13。提出了一种减小探测光频率噪声影响的实验方案, 即在钟周期一定时适当增大探测时间。采用这种方法, 可以将探测光频率噪声对ISCAC频率稳定度的影响减小至9.4τ－1/2×10－14。
激光光学 冷原子钟 频率稳定度 探测光噪声
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室， 上海 201800
2 中国科学院大学， 北京 100049
在进行Ramsey作用时，以±π/2的相位差来调制同一频率点处两个周期微波脉冲，可以获得中心频率幅值为零的Ramsey条纹。这种方法可以直接通过中心频率处原子对探测光的吸收值变化来产生反馈本地振荡器的误差信号。理论上，相比于同相位Ramsey条纹，这种方法可以使得条纹信号幅值增加一倍。实验上，在积分球冷原子钟系统上，获得的相位调制Ramsey线型与理论计算相同，而且Ramsey条纹振荡幅值达到同相位下的1.6倍。
原子与分子物理学 激光冷却 积分球 原子钟 冷原子 相位调制 中国激光
2016, 43(11): 1112001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 电子科技大学电子工程学院, 四川 成都 611731
观测到了使用镀银微波腔产生漫反射光场冷却原子的信号，完成了微波腔与积分球一体化的最后一步。这种冷却方式结构更加简单，且没有涂料，不会对微波场场型造成影响，有利于钟信号的信噪比及对比度提高。同时测试了微波腔冷却在不同冷却光注入方案、漫反射系数及腔表面开孔尺寸下的冷却性能。结果表明端面注入冷却光是目前获得更多冷原子数目的方法，提高腔表面的漫反射系数，可以显著提高冷原子数目。为了充分利用积分球内的冷原子，采用了10 mm的通光孔径，测试了不同通光孔径对冷原子信号的影响，证实了目前较大的通光孔径不会影响到冷原子数。
原子与分子物理学 激光冷却 一体化 积分球 微波腔
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 电子科技大学电子工程学院, 四川 成都 611731
首先对一体化的积分球微波腔进行了论证，然后进行了设计、仿真和加工实测。采用单端环耦合的方式进行微波激励，分别对从圆柱腔的端面及侧面耦合的方式进行了仿真，结果发现在圆柱腔侧面耦合能得到较好的场型分布。实现了通过微调耦合环的方式进行模式选择的新方法，这种方法简便易行，且能有效减小微波腔的体积。测试结果表明设计的微波腔体积小、结构稳定，能同时满足积分球冷却和微波腔的功能要求即实现了积分球与微波腔一体化的要求，更重要的是一体化结构不需要使用漫反射涂料，不会影响腔的模式及场型分布，有利于提高钟信号的信噪比和对比度。
原子与分子物理学 激光冷却 一体化 积分球 微波腔
