陳江，張輝，阮軍，王心亮，劉丹丹，張首剛

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應(yīng)用慢速原子束制備冷原子粘團(tuán)的研究

陳江1,2，張輝1,3，阮軍1,4，王心亮1,4，劉丹丹1,4，張首剛1.4

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039； 3. 西北大學(xué) 光子學(xué)與光子技術(shù)研究所，西安 710069； 4. 中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

冷原子粘團(tuán)的制備是噴泉鐘研制的關(guān)鍵步驟之一。通過(guò)慢速原子束加載獲得冷原子粘團(tuán)，應(yīng)用熒光收集法測(cè)量了冷原子粘團(tuán)的原子數(shù)目，采用飛行時(shí)間法測(cè)量了冷原子粘團(tuán)溫度。冷原子粘團(tuán)中原子數(shù)目在加載時(shí)間200ms的情況下為（8.14±0.2）×107，溫度為（10.72±0.69）μK。

冷原子粘團(tuán)；慢速原子束；冷原子數(shù)目；冷原子溫度

0 引言

Cs原子噴泉鐘是目前世界上精度最高的基準(zhǔn)型原子鐘，其準(zhǔn)確度和日穩(wěn)定度均已進(jìn)入10-16量級(jí)[1]。提高噴泉鐘頻率穩(wěn)定度性能的措施之一是縮短其循環(huán)周期[2]。冷原子粘團(tuán)加載時(shí)間在噴泉鐘循環(huán)周期中占有較大比重。一般獲得冷原子粘團(tuán)的方法是通過(guò)磁光阱直接從原子蒸汽中收集和冷卻原子得到原子粘團(tuán)[3]。這種方法加載時(shí)間長(zhǎng)，且只能捕獲速度較低的原子，原子的利用率小于十萬(wàn)分之一。在探測(cè)區(qū)彌散的原子氣體與激光作用后發(fā)出雜散背景熒光，增加了冷原子躍遷幾率探測(cè)噪聲，降低了噴泉鐘的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于磁光阱中原子密度大，原子碰撞頻移大，又影響了噴泉鐘的不確定度。利用慢速原子束和光學(xué)阱制備原子粘團(tuán)，可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得原子數(shù)量大、密度低的冷原子粘團(tuán)。

本文介紹了利用慢速原子束制備冷原子粘團(tuán)的實(shí)驗(yàn)，研究了冷卻光特質(zhì)對(duì)制備冷原子粘團(tuán)的影響，給出了冷原子粘團(tuán)原子數(shù)目及溫度測(cè)量結(jié)果。

1 冷原子粘團(tuán)的制備

實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，4束對(duì)射準(zhǔn)直的圓偏振激光束與梯度磁場(chǎng)共同作用形成二維磁光阱（2 dimensionmagneto optical trap，2D MOT），實(shí)現(xiàn)對(duì)從銫爐中擴(kuò)散出的133Cs原子二維冷卻，形成慢速原子束。在推射激光的作用下慢速原子束進(jìn)入三維冷原子粘團(tuán)區(qū)（3 dimensionoptical molasses，3D OM）。在3D OM的6束冷卻光的交匯處，慢速原子束受到三維阻尼力的作用，從而在，，這3個(gè)方向都得到減速，使其速度降低，形成冷原子粘團(tuán)。

圖1 2D MOT裝載冷原子粘團(tuán)實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)裝置的3D OM由一整塊合金鋁加工而成。3D OM體上6個(gè)定位角度面相互垂直，與豎直軸成54°44′23"，機(jī)械誤差小于1′。3D OM共有14個(gè)窗口，其中6個(gè)窗口為冷卻光窗口；5個(gè)觀察窗口；1個(gè)窗口與2D MOT冷原子束通道相連；上下各一個(gè)窗口分別連接噴泉鐘物理系統(tǒng)的選態(tài)區(qū)和探測(cè)區(qū)。3D OM玻璃窗用銦絲封裝，構(gòu)成了3D OM的真空腔體。真空由一臺(tái)美國(guó)Gamma公司產(chǎn)的離子泵（40 L/s）保持，真空度優(yōu)于3×10-7Pa。

激光冷卻系統(tǒng)包括1臺(tái)主激光器及2臺(tái)從激光器。主激光器為自主研制的抗振外腔半導(dǎo)體激光器[4]，利用飽和吸收譜技術(shù)將頻率鎖定在銫原子D2的躍遷譜線F＝4→F′＝5上。2臺(tái)從激光器采用JDSU公司生產(chǎn)的5400系列激光二極管。激光冷卻系統(tǒng)為冷原子粘團(tuán)的制備提供冷卻和拋射光。主激光器產(chǎn)生的出射光注入鎖定從激光器，從激光器輸出光分別饋入2個(gè)一分三保偏光纖分束器，產(chǎn)生上下各3束功率相等且偏振正交的6束冷卻光。6束冷卻光通過(guò)準(zhǔn)直鏡擴(kuò)束形成光斑直徑為20 mm、功率為6.2 mW的冷卻光，導(dǎo)入3D OM區(qū)冷卻原子。

1.1 冷卻光注入系統(tǒng)的調(diào)校

圖2 準(zhǔn)直鏡結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 出射功率的利用率和穩(wěn)定性

當(dāng)保偏光纖的偏振方向與偏振分光棱鏡1（PBS1）透射光偏振方向一致時(shí)，光纖受應(yīng)力及溫度變化而引起出射光功率的波動(dòng)影響最小，此時(shí)PBS1后的光功率也最大。旋轉(zhuǎn)光纖適配器調(diào)整光纖偏振方向與PBS1的偏振方向間夾角，并通過(guò)光功率計(jì)觀測(cè)使得出射光功率最大。同時(shí)人為擾動(dòng)光纖，觀測(cè)其出射光最大和最小功率，保證光功率穩(wěn)定性能優(yōu)于96%。調(diào)校6個(gè)鏡筒出射功率，其結(jié)果如表1所示。

表1 調(diào)整后準(zhǔn)直鏡擴(kuò)束光斑功率

1.1.2 光斑的均勻性

圖3 出射光功率在2個(gè)正交軸上的分布

1.1.3 光束的垂直性

當(dāng)光纖輸出點(diǎn)光源軸向與透鏡軸向不重合時(shí)，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后光束波矢將與鏡筒機(jī)械軸向產(chǎn)生一定的夾角，使得出射光產(chǎn)生上拋原子的合作用力偏離豎直方向。在參考面上設(shè)置一0°全反平面鏡，并在準(zhǔn)直鏡出光處安裝一小孔光闌。調(diào)節(jié)光纖適配器使得從小孔光闌出射的激光束經(jīng)0°全反鏡反射返回小孔光闌。經(jīng)調(diào)校后準(zhǔn)直鏡出射光的波矢與鏡筒機(jī)械軸偏差＜0.3′。

1.1.4 光束的準(zhǔn)直性

光束準(zhǔn)直性的好壞直接影響冷卻光駐波的質(zhì)量。通過(guò)改變光纖適配器與準(zhǔn)直鏡內(nèi)復(fù)合透鏡之間的距離來(lái)調(diào)節(jié)輸出光束的準(zhǔn)直性，并通過(guò)剪切干涉儀來(lái)測(cè)量光斑的準(zhǔn)直性。若被檢光束完全準(zhǔn)直，則干涉條紋平行于剪切方向；若光束發(fā)散或匯聚，則條紋將發(fā)生旋轉(zhuǎn)。準(zhǔn)直鏡調(diào)整后準(zhǔn)直性滿足要求，其結(jié)果如圖4所示，由圖計(jì)算得光束發(fā)散角小于0.1×10-3rad。

圖4 準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直性調(diào)校結(jié)果

2 原子數(shù)目的測(cè)量

通過(guò)所述實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了冷原子粘團(tuán)的制備。觀察到的冷原子團(tuán)的原子云圖像如圖5所示。冷原子粘團(tuán)形成在3D OM的中心部位，直徑約為6 mm。

圖5 通過(guò)CCD觀察到的冷原子粘團(tuán)

應(yīng)用熒光收集法[6-7]計(jì)算獲得的冷原子粘團(tuán)中的原子數(shù)。由光電探測(cè)器接收的冷原子粘團(tuán)熒光功率為

對(duì)于冷原子粘團(tuán)中的冷原子，單個(gè)原子輻射熒光的幾率與激光的光強(qiáng)、失諧量有關(guān)，關(guān)系為[8]

利用式（1）冷原子粘團(tuán)中原子數(shù)目可以表示為

圖6 冷原子粘團(tuán)原子加載過(guò)程

為進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，研究了不同參數(shù)對(duì)冷原子粘團(tuán)中原子數(shù)的影響。圖7（a）所示為熒光信號(hào)隨冷卻光失諧量的變化，從圖7（a）可知，原子數(shù)先隨冷卻光失諧量的增大而增多；當(dāng)冷卻光失諧量在-14.3 MHz的時(shí)候，冷原子粘團(tuán)中原子數(shù)達(dá)到最大；繼續(xù)增大冷卻光的失諧量，冷原子粘團(tuán)中的原子數(shù)反而降低。在失諧量為-14.3 MHz的條件下，測(cè)量了熒光信號(hào)隨冷卻光功率的變化如圖7（b）所示，從圖7（b）可知冷原子粘團(tuán)中原子數(shù)隨冷卻光光功率的增大而變大，當(dāng)冷卻光功率達(dá)到8 mW時(shí)原子數(shù)趨近飽和。最佳的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為冷卻光失諧-14.3 MHz，光功率8 mW。

圖7 熒光信號(hào)隨不同參數(shù)的變化

3 溫度測(cè)量

冷原子粘團(tuán)由初始位置膨脹并自由下落到達(dá)探測(cè)區(qū)時(shí)，得到的探測(cè)光對(duì)冷原子的熒光信號(hào)表達(dá)式為[11]

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)減速光、俘獲光進(jìn)行同步開(kāi)關(guān)時(shí)序控制，冷原子粘團(tuán)得到相應(yīng)的俘獲和釋放，圖8是在＝17cm處測(cè)量得到的冷原子粘團(tuán)的飛行時(shí)間信號(hào)，經(jīng)擬合得到其溫度＝（10.72±0.69）μK。進(jìn)一步的工作是對(duì)冷原子樣品實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)后冷卻進(jìn)一步降低冷原子樣品溫度，獲得溫度更低的冷原子樣品。

圖8 飛行時(shí)間法測(cè)定的133CS銫原子飛行信號(hào)

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了通過(guò)慢速銫原子束制備冷原子粘團(tuán)，并通過(guò)熒光收集法及飛行時(shí)間法測(cè)量了冷原子粘團(tuán)中銫原子數(shù)為（8.14±0.2）×107，溫度為（10.72±0.69）μK，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期要求；同時(shí)還測(cè)量了熒光信號(hào)強(qiáng)度隨冷卻光失諧量及冷卻光功率的變化關(guān)系。本文工作為進(jìn)一步對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以便得到原子數(shù)更多，溫度更低的冷原子粘團(tuán)的工作提供了研究基礎(chǔ)，同時(shí)也為下一步對(duì)冷原子粘團(tuán)進(jìn)行后冷卻、上拋、實(shí)現(xiàn)Ramsey躍遷等工作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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Optical molasses loaded from a slow atomic beam

CHEN Jiang1,2, ZHANG Hui1,3, RUAN Jun1,4, WANG Xin-liang1,4, LIU Dan-dan1,4, ZHANG Shou-gang1,4

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Institute of Photonics & Photon technology, Northwest University, Xi′an 710069, China;4. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standard, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

Preparation of the optical molasses is one of the key steps for developing a fountain clock. The optical molasses is loaded from a slow atomic beam, and the fluorescence collection method is applied to determine the number of atoms in the optical molasses, meanwhile the time-of-flight(TOF) method is used to measure the temperature of the optical molasses. The number of cold atoms in the optical molasses for loading time of 200 ms is determined to be (8.14±0.2)×107, and the temperature of cold atoms is determined to be (10.72±0.69) μK.

optical molasses; slow atomic beam; number of cold atoms; temperature of cold atoms

TM935.11

A

1674-0637(2012)04-0193-08

2012-04-20

中國(guó)科學(xué)院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)放研究資助項(xiàng)目（29Y005DK0001）；國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（1025023）

陳江，男，碩士研究生，主要從事銫原子噴泉鐘方面的研究。