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《中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)》 2017年
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~(40)Ca~+-~(27)Al~+离子对的协同边带冷却实验研究

商俊娟  
【摘要】:随着协同冷却、边带冷却和量子逻辑谱等技术的不断发展,光频标的候选离子种类更加广泛,如115In+和27Al+。铝离子光频标的品质因子Q = 2×1017,无电四极频移,—阶和二阶Zeeman频移分别在10 kHz/mT和10 H2/mT2量级,并且目前在光频标的候选离子中,铝离子对黑体辐射最不敏感。但由于目前激光技术的限制,铝离子多普勒冷却的激光167 nm很难实现,需要采用协同冷却的方法实现离子的冷却。美国国家标准局NIST在2010年实现了两台铝离子光钟的比对,采用的辅助离子分别为9Be+和25Mg+,相对频率不确定度为8.6×10-18,这是光频标首次进入10-18量级。由于40Ca+离子的能级简单并且所有涉及的激光都可以由半导体激光器直接输出,因此我们选择40Ca+作为协同冷却的辅助离子。本人在研究生阶段搭建了铝离子光钟系统,实现了钙铝离子对的囚禁和协同冷却,并在此基础上利用边带冷却的方法将钙铝离子对冷却到了振动基态。本文对所做的工作进行总结,主要分为以下几个部分:1.搭建了铝离子光钟系统,主要包括线性离子阱、真空系统、射频囚禁场和激光器系统。2.基于有限元模拟的方法对FP腔的振动和热膨胀特性进行了深入分析,设计了一套具有低振动敏感度和温度拐点补偿的超稳腔。搭建了729 nm窄线宽激光器系统,拍频测量激光线宽达到1 Hz水平。3.在真空环境中利用线性Paul阱实现了单个钙离子的囚禁和了Doppler冷却,在无冷却激光条件下离子可以被囚禁5天以上。4.实现了暗离子的囚禁和协同冷却,根据离子间距确定了暗离子的数目,并通过宏运动边带谱的精确测量确认了暗离子为铝离子。5.利用边带冷却的方法将单个钙离子的轴向宏运动冷却到了振动基态,平均振动量子数为0.05,基态占有率为95.2%。6.实现了钙铝离子对轴向宏运动质心模和呼吸模的边带冷却,平均振动量子数分别为0.12和 0.04。
【关键词】:离子囚禁 协同冷却 边带冷却 窄线宽激光器
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN24;O562
【目录】:
  • 致谢4-6
  • 摘要6-7
  • Abstract7-17
  • 第一章 绪论17-27
  • 1.1 时间频率标准的发展17-18
  • 1.2 光频标的原理和关键技术18-21
  • 1.2.1 光频标的原理18-19
  • 1.2.2 离子光频标的关键技术19-21
  • 1.3 频标的国内外现状21-22
  • 1.4 铝离子量子逻辑光钟22-25
  • 1.5 论文结构25-27
  • 第二章 离子囚禁与激光冷却的基本原理27-45
  • 2.1 线性离子阱27-28
  • 2.2 离子在线性阱中的运动28-33
  • 2.2.1 单个离子28-30
  • 2.2.2 多离子晶体30-33
  • 2.3 原子与激光的相互作用33-36
  • 2.3.1 离子的振动态33-34
  • 2.3.2 原子的跃迁几率34-35
  • 2.3.3 Lamb-Dick极限35-36
  • 2.4 激光冷却36-39
  • 2.4.1 Doppler冷却36-37
  • 2.4.2 边带冷却37-39
  • 2.4.3 温度评估39
  • 2.5 协同冷却39-45
  • 第三章 实验装置45-65
  • 3.1 囚禁离子及探测装置45-54
  • 3.1.1 离子阱45-48
  • 3.1.2 射频电场和直流电源48-51
  • 3.1.3 真空系统和磁场线圈51-53
  • 3.1.4 荧光成像系统53-54
  • 3.2 激光器系统54-65
  • 3.2.1 钙离子能级54-56
  • 3.2.2 激光冷却的激光器系统56-61
  • 3.2.3 激光频率的长期漂移控制61-65
  • 第四章 窄线宽激光器65-85
  • 4.1 FP腔的设计65-70
  • 4.1.1 热噪声极限65-66
  • 4.1.2 振动的模拟分析66-67
  • 4.1.3 FP腔温度拐点补偿67-70
  • 4.2 PDH稳频原理70-73
  • 4.3 729nm窄线宽激光器73-82
  • 4.3.1 实验装置73-78
  • 4.3.2 噪声分析78-81
  • 4.3.3 激光线宽及稳定度的评估81-82
  • 4.4 267nm窄线宽激光器82-85
  • 第五章 钙铝离子对的协同边带冷却85-117
  • 5.1 钙离子的Doppler冷却85-94
  • 5.1.1 钙离子的囚禁和Doppler冷却85-87
  • 5.1.2 微运动补偿87-91
  • 5.1.3 离子阱参数测量91-93
  • 5.1.4 谱线探测93-94
  • 5.2 单个钙离子的边带冷却94-102
  • 5.2.1 磁场的控制94-97
  • 5.2.2 态制备97
  • 5.2.3 单个钙离子的边带冷却97-101
  • 5.2.4 加热率的测量101-102
  • 5.3 铝离子的囚禁和协同冷却102-111
  • 5.3.1 铝离子的囚禁和冷却103-106
  • 5.3.2 铝离子数目测量106-107
  • 5.3.3 暗离子质量确定107-111
  • 5.4 协同边带冷却的实验研究111-117
  • 5.4.1 两个钙离子的边带冷却111-114
  • 5.4.2 钙铝离子对的边带冷却114-115
  • 5.4.3 两离子加热率的测量115-117
  • 第六章 总结与展望117-119
  • 参考文献119-129
  • 作者简介129

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