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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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镱原子光钟晶格激光频率稳定系统的实验研究

张曦  
【摘要】:基于中性镱原子的光晶格钟在千秒的平均时间内不稳定度已经可以进入小系数E-18的量级,并且已经被确定为成为SI二级秒定义的候选原子光钟体系。光晶格场的提出,对于基于中性原子的光钟是一个里程碑性质的贡献,它可以有效地提高原子光钟的信噪比同时抑制原子间的相互作用。由于光晶格原子钟的光晶格场存在一个魔数波长,使得钟跃迁上下能级在光晶格场中发生相同大小的移动,这个对光晶格钟获得更高的稳定度和精确度至关重要,所以对光晶格场的线宽和频率稳定性的控制就成为一项重要的关键技术。围绕这一关键技术,我在研究生期间,设计并实现了一整套基于光学传输腔的稳频系统,实现了对759nm光晶格场的线宽和长期频率漂移的控制,本文总结我的主要研究工作内容如下:1)搭建了基于85Rb D2跃迁的调制转移谱(MTS)锁频系统,得到一个波长为780nm稳定的频率参考源。通过两套完全独立的锁定系统进行拍频,实验结果显示,此锁定系统在1s平均时间下具有小于1kHz的Allan标准差;2)制作了基于殷钢合金的光学传输腔,并通过Pound-Drever-Hall方法(PDH)将误差信号反馈到此参考腔PZT上,实现了参考腔对780nm的频率参考源的锁定;实验结果显示,此传输腔的自由光谱区是375MHz,分别对应于780nm和759nm激光的精细度为236和341;3)设计制作了多套抑制剩余幅度调制(RAM)的反馈系统。通过对电光调制器的温度反馈控制,使得RAM产生的频率起伏受到压窄。实验结果显示,在759nm PDH环路中的RAM噪声最差不超过2.3kHz;在0.1Hz以下,开环信号中的RAM贡献在传输腔锁定后可以得到有效的抑制;而在0.1Hz以上,传输腔锁定与否对于RAM的影响不大;4)通过已锁定的传输腔,实现了 759nm光晶格场的线宽压窄和长期频率漂移控制。可以实现至少连续10个小时的无跳模锁定。与光梳拍频的结果显示,稳频后晶格激光在1s的平均时间下具有6kHz的Allan标准差;长期漂移所产生的Allan标准差最大为261kHz(200s平均时间下)。在研究生期间,我设计实现的传输腔稳频系统可以保证晶格光能以600kHz的步长进行频率扫描,为后续的魔数波长确定和锁定打下基础,锁定后的频率漂移特性可以确保镱原子光晶格钟的不稳定度小于10-17的量级。
【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】:O562.3

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