收藏本站
《中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

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。
【关键词】:镱原子光晶格钟 调制转移谱 传输腔 光晶格激光
【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
【目录】:
  • 致谢4-6
  • 摘要6-8
  • abstract8-13
  • 1 引言与光钟理论基础13-41
  • 1.1 原子频标背景介绍13-14
  • 1.2 以Yb原子为基础的光钟系统14-15
  • 1.3 Yb原子光钟的理论模型15-18
  • 1.3.1 可用于原子冷却的跃迁16-17
  • 1.3.2 Yb光钟钟跃迁的选定17-18
  • 1.4 无多普勒无反冲光谱18-30
  • 1.4.1 原子的激光冷却与囚禁18-19
  • 1.4.2 原子的囚禁态能量和Lamb-Dicke体系19-23
  • 1.4.3 一维光晶格23-25
  • 1.4.4 魔数波长下的光晶格25-30
  • 1.5 核自旋对光钟的影响30-35
  • 1.5.1 核自旋引起的态杂化31-32
  • 1.5.2 核自旋引起的磁场敏感性32-34
  • 1.5.3 核自旋引起的矢量频移和张量频移34-35
  • 1.6 光晶格中的冷原子碰撞35-39
  • 1.6.1 碰撞频移的理论分析36-38
  • 1.6.2 碰撞频移的抑制38-39
  • 1.7 精密光钟的用途39
  • 1.8 本论文的结构39-41
  • 2 激光器稳频的方法与分析41-58
  • 2.1 饱和吸收谱锁定43-44
  • 2.2 用调制的方法改进饱和吸收谱44-45
  • 2.3 相位调制谱和调制转移谱45-50
  • 2.4 Fabry-Perot腔及Pound-Drever-Hall稳频技术50-55
  • 2.5 光梳55-58
  • 3 光晶格激光稳频的系统设计58-93
  • 3.1 激光系统稳定性衡量标准与评估方法58-64
  • 3.1.1 激光系统的常见噪声类型58-61
  • 3.1.2 一般性的理论分析61-64
  • 3.2 光晶格激光稳频系统的光学设计64-66
  • 3.3 光晶格激光稳频系统的电子设计66-93
  • 3.3.1 探测手段——光电二极管探测器67-76
  • 3.3.2 频率发生器及移相器76-80
  • 3.3.3 信号处理及伺服控制器80-93
  • 4 光晶格激光稳频系统的制作和评估93-135
  • 4.1 设计目的93
  • 4.2 系统构建及评估93-134
  • 4.2.1 780nm MTS锁定93-116
  • 4.2.2 传输腔的搭建、锁定与759nm激光器的锁定116-133
  • 4.2.3 长漂来源的分析133-134
  • 4.3 未来的工作改进134-135
  • 参考文献135-153
  • 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果153-154

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 宋一中,李尊营,朱瑞富;Al原子特征辐射量子解释[J];激光与红外;2001年01期
2 谢国锋,王德武,应纯同;电子束激发原子对金属蒸发的影响[J];物理学报;2002年10期
3 梅虎,周鹏,覃仁辉,周原,梁桂兆,曾晖,田菲菲,李志良;原子电性作用矢量用于氨基酸化学位移计算[J];波谱学杂志;2005年02期
4 贾佑华;高勇;;原子分束器及其应用[J];上海第二工业大学学报;2011年03期
5 李飞;高永毅;吴伶锡;荣识广;许英;;非线性作用随空间变化的玻色-爱因斯坦凝聚原子的规则与混沌分布[J];原子与分子物理学报;2013年04期
6 衣学喜;有限数目捕获原子的玻色-爱因斯坦凝聚[J];物理学报;1999年06期
7 午言;;原子[J];科学大众;1956年03期
8 向近敏,林雨霖,周峰,向连滨,康白;论原子生态学学科的建立和发展[J];中国微生态学杂志;2001年01期
9 周明,黄春佳;原子间相互作用对原子激光压缩性质的影响[J];物理学报;2004年01期
10 朱常兴;冯焱颖;叶雄英;周兆英;周永佳;薛洪波;;利用原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量[J];物理学报;2008年02期
中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 杨以纲;;原子注入细胞损伤机理研究[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展(上册)[C];2001年
2 王强;王少凯;林百科;王民明;赵阳;李烨;曹建平;臧二军;方占军;;锶原子光钟二级冷却的前期实验[A];2009全国时间频率学术会议论文集[C];2009年
3 文瑞娟;杜金锦;李文芳;李刚;张天才;;内腔多原子直接俘获的强耦合腔QED系统的构建[A];第十六届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2014年
4 徐信业;王文丽;蒋海灵;李国辉;周庆红;陈林芳;叶捷;周志红;蔡寅;唐海瑶;周敏;;镱原子的激光多级冷却[A];2009全国时间频率学术会议论文集[C];2009年
5 龙开明;刘雪梅;杨天丽;汤磊;刘钊;付中华;迮仁德;;钚材料生产时间测定技术研究[A];首届核化学与放射化学青年学术交流会论文摘要集[C];2006年
6 张量;李义民;汤俊雄;;主动式原子滤光器的泵浦过程研究[A];第八届全国量子光学学术报告会论文摘要选[C];1998年
中国重要报纸全文数据库 前2条
1 本报记者;书本上的概念错了怎么办?[N];科技日报;2011年
2 本版编辑毛黎 何屹 陈超 张浩 顾钢 杜华斌 毛文波 郑晓春;2007年世界科技发展回顾(三)[N];科技日报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李凯;光在原子介质中的传播和存储及多边带冷却对囚禁原子的影响[D];中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所);2015年
2 张曦;镱原子光钟晶格激光频率稳定系统的实验研究[D];中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所);2017年
3 杨海峰;钡原子强外场效应光谱研究[D];中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所);2012年
4 戴益民;原子平衡电负性在分子设计与分子模拟中的应用研究[D];中南大学;2012年
5 鲁耿彪;一类混沌系统中原子隧穿的相干操控[D];湖南师范大学;2011年
6 赵益清;超冷等离子体中原子过程的理论研究[D];清华大学;2010年
7 衣学喜;特殊条件下光与原子相互作用的理论研究[D];吉林大学;1999年
8 马万云;用于超微量和微区分析的SIRI-TOFMS装置的研制[D];清华大学;1987年
9 宋薇;镍团簇的结构及性质的理论研究[D];吉林大学;2011年
10 程存峰;激光冷却原子阱方法检测痕量稀有气体同位素[D];中国科学技术大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 谢玉林;锶光钟的二级冷却原子样品参数测量及其小型化研究[D];中国科学院研究生院(国家授时中心);2015年
2 王勇;超冷里德堡原子在外场作用下的态混合[D];山西大学;2015年
3 陈杰;nS铯里德堡原子的态转移及相干效应的研究[D];山西大学;2014年
4 段凤霞;高介电常数氧化物微观结构与电学性质的第一性原理研究[D];河北科技大学;2015年
5 刘鑫;中等尺寸锗团簇Ge_n(n=35,40,45,50,55和60)的紧束缚势计算研究[D];江西师范大学;2015年
6 陈雪蓉;三能级原子—驻波腔耦合系统下腔透射谱的实验研究[D];山西大学;2016年
7 曹书凯;铷原子高分辩频梳光谱的研究[D];山西大学;2016年
8 龚成;相位控制的运动原子亚半波长局域化研究[D];华中师范大学;2009年
9 吴建春;有效二维原子局域的理论研究[D];南昌大学;2013年
10 车俊岭;超冷nS铯里德堡原子的长程相互作用[D];山西大学;2012年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026