激光稳频是影响原子喷泉系统性能的关键技术。提出了一种应用于原子喷泉系统的激光稳频优化方案。该方案将激光冷却过程中采用的移频方法应用到稳频系统中，通过光纤电光调制的方法产生边带，并将频率锁定在边带的饱和吸收峰上。同时应用大光斑饱和吸收模块，改善饱和吸收信号和误差信号的信噪比。利用85Rb原子喷泉系统主光路的探测光，通过1.035 GHz的移频，实现从85Rb饱和吸收峰到87Rb饱和吸收峰的转移锁定，并在85Rb喷泉系统中观测到冷原子云信号。锁定后的信号可实现较长时间的稳定工作。该方案通过控制电光调制频率，还有望实现激光冷却实验范围内的任意频率锁定，具有重要的应用价值。

原子喷泉钟是具有重要应用价值的冷原子装置,紧凑型光学系统设计是研制可搬运冷原子喷泉钟的关键技术之一。介绍了一种以通用铝型材搭建的网格化光学平台,并基于此平台实现了 85Rb喷泉钟紧凑型光路。通过仿真,证明了该型材网格平台在二维方向均具有较好的力学性能。在该平台上,设计并搭建了四倍频移、注入锁定放大、冷却光路、再泵浦光路和探测光路等单元模块,满足了喷泉钟的所有要求。该网格平台面积为50 cm×50 cm,高度为2.5~3 cm。该光路实现了8个月以上的持续运行,功率的起伏小于5%。基于该紧凑型光学系统,完成了后续的 85Rb喷泉钟的物理实验和微波实验。

采用低相位噪声频率合成和锁相技术,为世界首台 85Rb喷泉钟研制了低相位噪声微波频率综合器,实现了低相位噪声的钟频信号输出。当该微波频率综合器的频率分辨率为0.7 μHz,输出频率为3.036 GHz时,在傅里叶频率1 Hz,100 Hz和10 kHz处的单边带相位噪声谱密度分别为-97 dBc·Hz -1,-127 dBc·Hz -1和-130 dBc·Hz -1,剩余相位噪声比本机振荡器绝对噪声低20 dB以上。研究了量子散弹噪声和Dick效应,发现在微波链路噪声为主要噪声的情况下, 85Rb喷泉钟的稳定度与目前 87Rb和 133Cs喷泉钟相当。微波系统对 85Rb喷泉钟稳定度的贡献为2.9×10 -13τ-1/2,其中频率综合器的剩余相位噪声贡献为1.2×10 -14τ-1/2(τ为积分时间)。利用该微波综合器,可以实现 85Rb喷泉钟的高稳定运行,并为其性能的提升打下基础。

A simple improved structure is designed to trap and launch two cold atomic balls vertically at the same time, which works like "two fountains", but is more compact since most components of the "two fountains" are shared. It is expected to improve the stability of the fountain markedly.

An experiment on measuring the magnetic field in Ramsey interaction region of the atomic fountain clock by detecting the Zeeman frequency shift of ⁸⁷Rb hyperfine transition is presented. By mu-metal shielding and coils compensating, the magnetic fluctuations resulting from asymmetry and instability are less than 10 and 0.025 nT, respectively. The relative frequency uncertainty of atomic fountain clock caused by the magnetic field is less than 5.4×10^-16.

应用激光冷却与囚禁的铯原子喷泉是新一代的频率基准。报告了冷原子云上抛信号的序列测量,发表了飞行时间(TOF)信号的基本估算公式(估算原子云温度和TOF峰值信号强度),讨论了理论计算和实验测量的比较。

介绍了实现铯原子喷泉的过程及条件, 并详细讨论了光路中各种光学元件对铯原子喷泉光学系统性能的影响。 在对各种光学元件性能综合考虑的基础上, 设计并建立了一套用于进行激光冷却和上抛的铯原子喷泉的光学系统, 使光强控制、 失谐调整、 光束开关、 光束质量等多种参量的控制达到了技术要求。 在此基础上, 实现了铯原子磁光阱, 为实现铯原子喷泉奠定了基础。

研究了激光冷却铯原子喷泉频标的黑体辐射频移(包括黑体辐射塞曼频移和黑体辐射斯塔克频移), 推导了频移的计算公式, 估算了室温下频移及其不确定度的大小, 分析了黑体辐射频移对频标准确度的影响。结果表明: 1) 室温下黑体辐射塞曼频移可达10-15量级, 在评定铯原子喷泉频标准确度时, 需要对此项频移加以修正; 2) 在利用直流斯塔克效应估算黑体辐射斯塔克频移时, 由直流极化率常数κ的测量误差导致的黑体辐射斯塔克频移的修正误差约为4×10-16, 是黑体辐射斯塔克频移的主要误差来源。此项频移误差是决定铯原子喷泉频标准确度总体水平的主要因素之一。最后还提出建议, 通过设计更精密的测量铯原子超精细跃迁直流斯塔克频移的实验以提高直流极化率常数κ的测量准确度, 从而可以减小黑体辐射斯塔克频移误差。

研究了铯原子喷泉频标中存在的各种辐射频移，包括微波频谱边带频移、Bloch-Siegert效应、相邻π跃迁引起的频移、斯塔克效应、黑体辐射频移和Majorana效应等，分析了产生各种频移的物理原因，推导了各种频移的计算公式，估算了各种频移及其不确定度的大小，分析了它们对频标准确度的影响，提出了减小各种频移或误差以提高频标准确度的方法。研究所得结果对于正确评定铯原子喷泉频标的准确度和探索提高其准确度的途径具有重要意义，对于铯原子喷泉频标的设计也具有现实的指导意义。