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科学与光电技术学院, 北京 100000
喷泉钟量子化轴磁场的空间均匀性和时间稳定性是制约原子钟输出频率稳定度和不确定度的重要因素。从外磁场屏蔽、磁场线圈设计、线圈电流源稳定性等方面考虑,构建并优化设计了一套可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场系统。为了消除环境磁场对量子化轴磁场的影响,使用5层坡莫合金磁屏蔽进行外磁场的屏蔽;利用4组对称的补偿线圈,通过计算给予合适的电流,获得喷泉钟内部30 cm原子自由飞行尺度内磁场波动小于1 nT;通过改善C场供电电流方式,从而优化量子化轴磁场的时间稳定性,磁场随时间的波动小于0.1 nT。优化后喷泉钟长期频率稳定度达2.9×10 -16,磁场空间分布不均匀性带来的二阶塞曼频移不确定度为3.4×10 -19,由磁场随时间波动带来的二阶塞曼频移的不确定度为5.1×10 -17。
原子与分子物理学 塞曼效应 超精细结构 原子钟 磁敏跃迁法 光学学报
2021, 41(19): 1902001
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Quantum Optics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
In this article, taking advantage of the special magnetic shieldings and the optimal coil design of a transportable Rb atomic fountain clock, the intensity distribution in space and the fluctuations with time of the quantization magnetic field in the Ramsey region were measured using the atomic magneton-sensitive transition method. In an approximately 310 mm long Ramsey region, a peak-to-peak magnetic field intensity of a 0.74 nT deviation in space and a 0.06 nT fluctuation with time were obtained. These results correspond to a second-order Zeeman frequency shift of approximately . This is an essential step in advancing the total frequency uncertainty of the fountain clock to the order of .
Zeeman effect hyperfine structure atomic clock magnetic-sensitive method Chinese Optics Letters
2021, 19(12): 120201
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
能够长期自主运行的稳频激光器是喷泉原子钟连续工作的基础。基于铷原子喷泉钟中的780 nm商用半导体激光器,利用嵌入式系统设计了一个长期全自动稳频系统。该系统具有自动识别铷饱和吸收谱线的目标峰、长期锁定频率与意外失锁后的快速重锁的功能。提出了一种动态调整工作点的方法。在激光器长期运行过程中,受温度、湿度和器件老化等因素的影响,目标工作点会随时间发生变化,所提方法可解决该问题。利用该方法,激光器的稳频系统不易失锁,即使失锁也可以快速重新锁回。将所提稳频系统成功应用于可搬运铷喷泉原子钟中,铷喷泉原子钟在搬运后能够快速投入工作,激光频率的长期锁定时间可达一个月以上。激光频率相对于铷饱和参考谱线的频率长期稳定度约为2.3×10 -13,可搬运铷喷泉原子钟的长期稳定度在搬运前后均达到了10 -16量级。
激光器 激光冷却 喷泉原子钟 自动稳频 稳定度 光学学报
2020, 40(22): 2214002
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科学与光电技术学院, 北京 100049
3 电子科技大学电子科学与工程学院, 四川 成都 611731
高精度空间冷原子钟在基础物理研究、导航定位系统,以及深空探测领域均有重要应用。为此,设计了一种结合激光冷却与原子原位探测方案的新型微波腔,在该微波腔中心可以俘获与冷却铷原子,然后在微重力环境下对冷原子样品开展原子钟操作。该方案相对于已有的空间冷原子钟方案,在减少冷原子损耗、死时间占比和分布腔相移上具有较大的优势。分析了微波腔的详细结构与光学设计,确定了微波腔需要的基本参数,并对微波腔内部的微波磁场进行了仿真分析。在已完成研制的微波腔内开展特性测试,测试与仿真结果说明,所设计微波腔的性能可以满足不确定度优于1×10 -16的高精度空间冷原子钟的要求。
测量 冷原子钟 激光冷却 微波腔 微重力 原位探测
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科学与光电技术学院, 北京 100049
用于激光冷却与原子布居数探测的激光光源是冷原子钟的重要组成部分,选用工业技术成熟的1560 nm光纤激光器和光纤放大器分别作为种子源和光放大器,经非线性倍频晶体对放大后的激光进行倍频,得到较大功率的780 nm的激光,通过饱和吸收稳频得到冷却激光,一部分冷却激光利用电光调制器和声光调制器移频6.8 GHz得到重泵浦激光,对上述激光进行适当的功率分配后提供给冷原子钟。对该套激光装置关键器件进行了特性测试,将稳频后的倍频激光与锁定在超稳激光上的光学频率梳进行拍频,得到的激光的线宽在74 kHz左右,其短期稳定度比外腔半导体激光器提高半个多数量级。将这样的激光光源应用于冷原子钟,可以减小探测激光频率噪声对喷泉钟稳定度的限制。
激光器 冷原子钟 光纤激光器 激光倍频 频率稳定度
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中国科学院冷原子物理中心, 上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
在空间微重力环境下,应用激光冷却技术的空间冷原子钟有望获得更高精度的时间频率基准。提出了一种基于原位探测的新型空间冷原子钟方案,在开展冷原子俘获、冷却、选态、两次微波探寻与量子态探测等过程中,冷原子都保持在微波腔中,这种设计可以使单个原子钟的周期更短,微波探寻过程有更大的时间占空比,也能使原子钟的整体结构更加紧凑。在使用Boitier a Vieillissement Ameliore (BVA)晶振作为本振的条件下,从Dick效应与量子投影噪声两方面对原子钟的稳定度进行分析预估,然后分析了影响冷原子钟不确定的来源与估值,结果表明:基于原位探测的空间冷原子钟有望达到5.9×10
-14τ-1/2的稳定度以及1×10
-16的不确定度,该结果优于当前使用BVA晶振作为本振的其他冷原子微波钟的性能。
原子与分子物理学 冷原子钟 原位探测 稳定度 不确定度
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Quantum Optics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
A high-performance transportable fountain clock is attractive for use in laboratories with high-precision time-frequency measurement requirements. This Letter reports the improvement of the stability of a transportable rubidium-87 fountain clock because of an optimization of temperature characteristics. This clock integrates its physical packaging, optical benches, microwave frequency synthesizers, and electronic controls onto an easily movable wheeled plate. Two optical benches with a high-vibration resistance are realized in this work. No additional adjustment is required after moving them several times. The Allan deviation of the fountain clock frequency was measured by comparing it with that of the hydrogen maser. The fountain clock got a short-term stability of at 1 s and long-term stability on the order of 10 16 at 100,000 s.
020.3320 Laser cooling 120.3940 Metrology 270.2500 Fluctuations, relaxations, and noise 270.5570 Quantum detectors Chinese Optics Letters
2019, 17(8): 080201
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780 nm声光调制器(AOM)的温度响应进行了详细的理论计算,发现AOM衍射光偏振角的温度响应系数远大于衍射效率和衍射角的温度响应系数。针对AOM衍射光偏振角的温度响应,在地面实验室环境下对其进行了实验验证。在空间微重力环境下,AOM的温度响应可能会成为制约空间项目光学平台工作温度范围和性能指标提高的主要因素之一。基于AOM在实际空间应用中的脉冲工作模式,通过仿真建模给出了AOM声光晶体温度随环境温度的变化曲线,并给出了优化措施。
测量 声光调制器 温度响应 空间应用 激光冷却
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
实现了一种基于数字信号处理(DSP)技术的外腔半导体激光器的自动稳频装置。该自动稳频装置以铷原子的饱和吸收谱线作为频率参考,采用调制解调技术得到稳频所需的鉴频信号。激光自动稳频装置通过模数转换器以固定的速率不间断地采集饱和吸收信号和鉴频信号,由DSP芯片对采集到的数字信号进行处理和分析。DSP 芯片利用通用输入输出端口控制调制信号的开关状态,通过数模转换器控制激光频率扫描以及输出数字反馈。利用所述的激光稳频技术不仅实现了外腔半导体激光器自动稳频,而且能够实时评估激光器的锁定情况,在激光器失锁后及时重新锁定,提高了激光器的长期运行能力。最后,将使用自动稳频技术的激光器应用于空间冷原子钟原理样机地面实验中,该稳频激光可以满足相关科学实验的需求。
激光器 激光稳频 自动控制 外腔半导体激光器 饱和吸收光谱
