冷镱原子精密光谱的研究进展（一）
1 引言
20 世纪末，科学家们利用激光实现了原子的冷却和囚禁，并因此荣获1997 年诺贝尔物理学奖。将冷原子应用于光谱测量可极大提高光谱的精度和分辨率，非常适合用来精确研究原子的内部结构和物理性质，检验基础物理规律和探索新的物理。一方面，原子经过激光冷却后运动速度减小，可冷却至μK、nK甚至pK的温度，原子外态运动对光谱的影响大为减弱，有效地抑制了原子能级的频移与展宽。另一方面，将冷原子囚禁于势阱中，使得原子运动与外界环境隔离而局域化，原子内态的制备具有灵活的可操控性。目前，冷原子精密光谱学已广泛应用于物质波干涉、量子信息存储、原子钟等研究领域，俨然成为现代物理学发展的基础和前沿。期间出现了许多令人瞩目的研究成果，突出表现为12 年内有3 次诺贝尔物理学奖研究工作与冷原子物理有关， 分别是2001 年的“ 玻色— 爱因斯坦凝聚”，2005 年的“光学频率梳”和2012 年的“单离子囚禁”。
对冷原子精密光谱学的研究加快了原子钟的发展，开辟了基于冷原子的频标体系。从磁选态到光抽运选态再到冷原子的喷泉，人们得以建立基准铯原子频标， 并由此定义了国际单位制“秒”，使频率和时间成为测量最为精确的物理量。近年来，原子钟的研究又有了新的思路——利用中性原子或离子内禀高Q值的光频跃迁研制光学原子钟，以获得前所未有的频率准确度和稳定度。发展至今，最好的光学原子钟其频率稳定性已经超越了微波原子钟，系统不确定度在10-18量级。除了有望成为下一代时间频率标准外，光学原子钟也可被用来研究基础物理中如精细结构常数是否变化、引力红移等问题。
实现光学原子钟的方案主要有两种：一种是离子光钟，采用电磁阱囚禁单个离子的光谱；另一种是中性冷原子光钟，采用光晶格囚禁大量中性原子的光谱。由于囚禁在阱中的单离子几乎不受外界环境影响，离子光钟可获得极高的频率不确定度，如美国国家标准技术研究所(NIST)的27Al+离子光钟频率不确定度为8.6×10-18，德国联邦技术物理研究所(PTB)的171Yb+离子光钟频率不确定度达到3.2×10-18，中国科学院武汉物理与数学研究所研制的40Ca+离子光钟频率不确定度在10-17水平。不过，单个离子产生的光谱信噪比相比大量原子的要差，因而在频率稳定性方面，一般认为中性原子光钟要优于单离子光钟。碱土金属Sr、Ca、Mg和类碱土金属Yb、Hg都具有超窄线宽的1S0－3P0钟跃迁，是中性原子光钟的理想候选元素。然而，要获得这些原子的高Q值钟跃迁谱线并不十分简单。原子经过激光冷却后温度降为几十μK至几μK，虽然多普勒效应大为减小，但若是直接在自由空间进行探测，仍然无法发挥钟跃迁谱线高Q值的优点。原因主要有两点：一是原子的可探询时间受重力的影响变得很短，二是原子钟跃迁的激发存在严重的多普勒展宽，比如对于10 μK温度的原子，一阶多普勒展宽就有几十kHz。当魔术波长的光晶格被提出用来囚禁冷原子后，中性原子光钟的研制迎来了新的曙光，近十多年来得到了飞速的发展。
在世界范围内，实验研究最广泛的是一维光晶格的87Sr 原子光钟，研究单位包括美国的实验天体物理联合研究所(JILA)、日本的理化研究所(RIKEN)、法国的巴黎天文台(LNE-SYRTE)、德国的PTB、日本的国家信息与通信技术研究所(NICT)、日本的国家计量院(NMIJ)和中国计量院等。另外，也有众多单位在研制171Yb、88Sr 和199Hg 等原子光钟，国内主要有华东师范大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、中国科学院国家授时中心、中国科学院上海光学精密机械研究所等。目前，世界上至少有九家单位在研制171Yb光钟，其中美国的NIST、日本的RIKEN、日本的NMIJ和韩国标准科学研究院(KRISS)都已获得冷171Yb原子的钟跃迁谱线，并完成了光钟的评估工作。
自2008 年成功获得冷镱原子以来，沿着研制冷原子光钟这一方向，我们在镱原子的激光冷却与囚禁、光晶格中冷镱原子的量子操控、冷镱原子钟跃迁谱的精密测量、冷镱原子光钟的闭环锁定和频率稳定性测量等方面取得了新的进展，下面将分别进行具体介绍。
2 镱原子的激光冷却与囚禁
2.1 镱原子的一级冷却
镱原子的能级结构如图1 所示，其中399 nm的1S0－1P1跃迁属于近似封闭的循环跃迁，它的自然线宽为29 MHz，多普勒极限温度仅为690 μK，非常适合用于热镱原子的预冷却。为此，我们开展了399 nm 激光系统研制工作，它由798 nm 基频光和含LiB3O5倍频晶体的环形腔组成。通过分析双轴晶体中倍频功率与基频光光束聚焦、走离和相位匹配等效应的关系，研究了如何使用二次谐波技术高效倍频的问题，然后应用于LiB3O5晶体倍频产生399 nm激光的实验设计中，期望能获得37%的转化效率。
图1 171Yb原子相关的能级图
在激光冷却镱原子实验中，我们使用了商用399 nm 激光器，它的输出功率为120 mW。为了使一级冷却俘获的原子数足够稳定，采用调制转移光谱技术对激光器进行频率稳定。调制转移光谱技术起源于饱和光谱技术，它结合了高频频率调制、频率调制边带和四波混频技术，是一种无多普勒背景的高灵敏光谱技术。另外，使用镱原子空心阴极灯(HCL)代替传统的蒸汽池，以提供稳定可靠的原子绝对频率参考。通过系统研究HCL中镱原子的调制转移光谱，寻找到最佳的激光光功率和HCL电流。我们发现，当增加HCL的电流时，调制转移谱线的线宽会逐渐变窄，由此证实了缓冲气体与镱原子之间的碰撞会引起谱线Dicke 窄化效应。将无多普勒光谱技术与调制转移光谱技术进行结合，提出了一种用于测量镱原子399 nm跃迁的同位素位移和超精细相互作用常数的新颖方法，实验结果表明，该方法能提供准确和完整的数据参考。最后，利用调制转移光谱技术将399 nm激光器频率锁定后，激光线宽约为1 MHz。
在室温下，镱原子的饱和蒸汽压很低。因此，镱原子样品通常需要在高温炉中被加热至500℃，此时镱原子将以热原子束的形式从炉嘴喷出。首先，利用二维光黏胶对热镱原子束先进行横向准直。然后，在原子行进过程中再利用塞曼减速器不断进行纵向减速。最后到达主腔附近时，原子的速度降至15 m/s 左右，已在399 nm磁光阱(MOT)的捕获速度范围内。MOT由三对互相正交的激光束和一对反亥姆霍兹线圈组成，在反亥姆霍兹线圈产生的非均匀磁场条件下，原子受到的散射力随位置变化，始终指向中心，因此，原子在被冷却的同时也被囚禁。
经过一级冷却后，获得的冷镱原子数目估计为107，原子温度约为1 mK。一级冷却后的镱原子温度仍然很高，为了使原子有效地装载进光晶格中，需要进一步冷却，即进行镱原子的二级冷却。
2.2 镱原子的二级冷却
根据经典的多普勒冷却理论，原子的多普勒极限温度与跃迁线宽成正比，而封闭的556 nm1S0－3P1跃迁(图1)的自然线宽为182 kHz，多普勒极限温度仅为4 μK，可用于镱原子的进一步冷却。我们研制的556 nm激光器由基频光源和倍频器组成，其中基频光源选用1111.6 nm连续单模掺镱光纤激光器，然后通过周期性极化的MgO:LiNbO3波导进行倍频，得到556 nm激光，倍频效率高达52.5%。在优化倍频输出的过程中，发现了两个现象：一是激光倍频功率的温度调节曲线呈波纹状；二是当入射基频光功率较高时倍频效率出现下降，通过模拟计算分别给出了相应的解释。
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