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锶原子光钟钟跃迁谱线探测中的程序控制（二）

2020.10.06

3.2 磁场的时序控制

磁场的控制涉及梯度磁场与诱导磁场的产生与控制两个方面。

磁场与光场的时序控制有所区别，主要体现在磁场梯度的控制。在二级宽带冷却中，为了压缩冷原子团的大小，要将磁场梯度线性增大，需用相同形状的时序信号来进行触发和控制；但磁场在关断时会产生一个较大的自感电流，为了消耗该电流以保护磁场线圈，需要在很短的时间内将磁场进行完全关断，故磁场控制信号的延迟精度应更高。将MOT亥姆赫兹线圈驱动电源连接到专门设计的磁光阱控制电路，该电路主要是将恒定的电源电压转化成为可以随任意波形时序信号改变的电流信号，变化的电流输入到磁场线圈从而产生变化的梯度磁场。将电源连接到控制电路的两个输入端口，线圈接到控制电路的两个输出端口。电路的设计原理如图 7所示。在迅速关断电流时，反接的两个二极管用以保护线圈，并保证线圈电流的迅速关断。通过改变时序信号，由OP27驱动IGBT(1MBI400N-120)将输出的电流进行变换。

图 7 磁光阱控制电路Fig.7 Control circuit of MOT

这里的时序信号不同于常规的TTL电平信号，它是梯度变换的，时序信号如图 8所示。其中U表示实际的输出电压值，t表示这一电压值的输出时间。

图 8 磁场时序控制信号Fig.8 Sequence control signals of magnetic field

模拟输出卡可以实现这样的时序信号。程序将完整的信号队列分为几个部分，并根据前面板输入的电压值、电压持续时间可连续输出这个时间段内的电压。

诱导磁场的产生是将MOT线圈中的一路电流反转的过程。在磁光阱控制电路和MOT下方磁场线圈之间串联一个继电器，通过时序信号的高低电平改变继电器开关的方向，从而达到电流的反转。将线圈的接线端正接到继电器则产生与上线圈方向相反的电流，从而产生梯度磁场，用以进行冷原子的俘获；反接则产生相同方向的电流，产生诱导磁场，使得³P₁与³P₀态有一定程度的混合^[20]，从而有一定的跃迁几率，用以探测钟跃迁。

3.3 时序控制系统的软件设计

该时序控制程序设计的关键在于任意波形的产生以及每个通道输出信号的同步。重点在于模拟通道时序信号的输出。这里将LabVIEW程序面板测量I/O中数据采集定时VI(DAQmx timing)设置为“使用波形(Use Waveform)”格式，需要将输出的信号设计成为可以触发主函数中采样时钟的波形格式，再通过计数器产生的内部触发来触发信号的循环输出。具体可参见LabVIEW函数库中基本函数发生器(Basic Function Generator. VI)的编程方法，这里其实就是通过编程设置自己所需要的函数产生VI。在主函数中调用数据采集任务属性节点(Task Node)中“通道数(NumChans)”作为For循环的循环次数。对于PCI6713，For循环次数为8(PCI6723则为32)，从0~7每一个循环中调用一种需要的子函数，这也对应着实际信号输出所对应的物理通道序号，将产生的总波形用作时钟的参考并输出。

图 9为整个程序的设计流程图。计数器通道的信号精度要高于模拟通道，利用PCI6713的一条计数器通道Ctr0作为整个时序的内部触发源，来触发其它所有通道的信号输出。Ctr0的输出任务也作为程序的主控任务，其它所有通道均为被控输出任务。需要在任务的循环输出之前设置任务输出的先后顺序，将所有的被控任务都同时并提前于主控任务开始，这是为了让受控端口事先进行等待，这样主控设备启动的同时，所有受控端口都将同步进行输出。

图 9 时序控制软件整体流程图Fig.9 Flow chart of sequence control software

在使用软件时，对于计数器通道，输入高低电平以及初始延迟时间即可；对于模拟通道，则需输入电平大小(5为高电平，0为低电平)以及持续时间。软件前界面还显示了模拟通道输出信号的波形图，以便观测与记录实验结果。每个通道输出信号的时间长度必须一致，这是由于信号的输出是由设置好的波形触发的，每个数组的长度需一致。

4 钟跃迁谱线扫描系统

原子在经过一级冷却、二级冷却、光晶格装载的过程后，得到了适用于钟跃迁探测的冷原子样品。

在进行钟跃迁谱线复合测量^[21]时，首先利用698 nm激光脉冲将基态原子泵浦到³P₀态，此时有部分原子发生了跃迁。用一束461 nm激光进行探测，由于¹S₀~¹P₁跃迁的自发辐射速率很强(2×10⁸/s)，可激发较强的荧光信号，同时产生较大的辐射压力，将基态原子推出光晶格，用PMT可观测到一个荧光信号A；再用重泵浦激光将之前³P₀态上的原子泵浦回¹S₀基态，用461 nm探测光再次探测，可观测到另一个荧光信号B，这一过程的时序可参见图 3。在每一个周期内，改变一次698 nm激光的频率，系统在信号源所设置的正确扫描频率范围运行之后，可以得到完整的钟跃迁谱线信号。数据采集卡连续采集此过程，利用每一个周期内两个荧光信号的峰值进行归一化的跃迁几率B/(A+B)计算，并给出相应的数据和波形图。通过软件同步实现对信号源的远程频率控制，实验中可随时更改信号扫描的相关参数，并在扫描结束时自动停止荧光信号的采集。

钟跃迁谱线扫描需要的核心硬件包括数据采集卡NI USB6341、GPIB控制器、PMT、电流前置放大器(Newport公司的70710QE，将PMT采集到的电流信号转换为电压信号并加以放大输入到数据采集卡)，以及安捷伦E8663D型信号发生器，通过AOM对698 nm激光器进行步进扫描。

图 10为谱线扫描软件的流程图。该软件还可以直接采集荧光信号，这里使用归一化采集模式。数据采集与仪器的远程控制在程序得到触发信号后同时开始。

图 10 谱线扫描软件的流程图Fig.10 Flow chart of spectral scanning software

4.1 数据采集

数据采集前要配置采样参数，整个锶光钟的运行周期为1.5 s，461 nm激光两次探测的时间间隔为11 ms，两次探测时间均为4 ms；需要在同一周期内采集到两个荧光信号A，B，故将PMT的探测时间设为20 ms；这里将数据采集卡每周期的采集时间设置为30 ms，对信号进行完整的采集，保证了采集信号的分辨率和信号的完整性，程序运行需要时序信号进行触发。这些参数都可以在前面板进行设置，并根据实际情况进行相应的更改。

软件搜索采集荧光信号的最大值，该最大值正比于跃迁的原子数目。在每个采集周期中会搜索两个最大值，即上文提到的A和B，采集到完成后即进行相应的归一化计算。

由于锶光钟整个系统较为庞大，所以噪声来自诸多方面，采集结果自然也存在误差。这里影响较大的是晶格光813 nm激光杂散光带来的信号本底波动，主要表现在采集到的信号上下浮动较大，而钟跃迁信号本身又较为微弱，如果使用直接采集到的信号则无法观测到理想信号，所以需要利用程序消除采集到的波动。这里将采集信号中的10个点进行平均，用直接采集到的信号将该平均值减去，观测原子的跃迁几率。前面板显示的采样信号图形的横坐标即为点数，输入10个波动值所对应的点数即可，程序将自动算出平均值并进行相减。

运行程序后可以在前面板观察直接采集的信号、处理后的峰值信号(即钟跃迁信号)以及处理前的峰值信号，然后根据处理前后峰值的对比观察系统的波动状态。

4.2 仪器远程控制

在钟跃迁谱线扫描的过程中，需要利用信号源对698 nm激光器进行频率扫描。软件对信号源进行了远程操控，可以直接在电脑上对其进行操作，并实时显示当前的频率与幅度值。在前面板输入起始频率、结束频率、扫描步长和信号幅度，点击运行即可。程序运行过程中前面板显示当前信号源频率与幅度值，并在信号源扫描结束后直接停止整个程序。

对仪器的控制要参照仪器本身的编程手册^[22, 23]，并需要在软件编程中设置仪器的GPIB地址、超时和相应的指令语句。

4.3 实验结果

图 11为采集到的完整的归一化跃迁几率图。698 nm激光的扫描频率为239.53~239.21 MHz，扫描步长为1 kHz，激光功率为6 mW，光斑直径为0.2 mm，得到的钟跃迁谱线中心载波的半高全宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)约为2.7 kHz。如果将激光功率降低至1 mW，磁场强度降至0.05 mT，可以得到载波线宽为180 Hz的锶原子钟跃迁谱线(如图 11中插图所示)。

图 11 锶原子钟跃迁谱线Fig.11 Clock transition spectral line of strontium

5 结论

本文设计了锶原子光钟的自动控制系统，包括时序控制系统和信号采集处理系统。完成了锶原子的两级冷却和光晶格囚禁，并成功获得了锶原子光钟的钟跃迁谱线。谱线所展现的高信噪比和窄线宽特点表明，整个锶光钟系统的运行较为稳健，也说明本文所设计的自动控制系统符合锶原子光钟的要求。数据采集卡模拟输出通道输出的时序信号，TTL上升沿时间为1 μs，计数器通道输出的TTL上升沿时间在百ns级别，每路信号之间的延迟小于5 μs，满足锶原子光钟实验的控制精度要求。

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