冷镱原子精密光谱的研究进展（三）
晶格纵向上的原子运动是局域化的，因而原子具有分立的振动能级结构。如果原子温度足够低，自旋极化的原子将全部布居在振动基态，并且高阶的分波散射将消失。但是，经过两级冷却后的镱原子温度仍然较高，比较接近p 波离心势垒大小(约30 μK)，导致镱原子占据晶格势阱的多个振动能级，有可能发生p 波散射。即使钟探询光的光强均匀并与晶格光的波矢完全共线，钟跃迁激发的拉比频率仍会出现不均匀性，而这样的拉比振荡失相意味着原子可分辨，将产生碰撞频移。对于原子温度引起的拉比振荡失相问题，可使用诸如拉曼边带冷却的深度冷却方法解决。同自旋极化一样，拉曼边带冷却也是利用激光场对原子进行定向的量子操控。为了将镱原子冷却至晶格势的基态振动能级，可采用578 nm钟跃迁进行拉曼边带冷却，但这种方法需要额外的抽运光。经过理论分析，我们提出了一种不同的实验方案，即利用经过特殊设计的光晶格产生受激拉曼跃迁进行边带冷却。
4 冷镱原子钟跃迁谱的精密测量
4.1 钟跃迁谱的初探
依次经过一级冷却、二级冷却和光晶格装载后，处于1S0基态的冷171Yb 原子具有足够的可探询时长，并且其运动满足Lamb—Dicke 条件，可被激发至3P0态发生无一阶多普勒频移和光子反冲频移的578 nm钟跃迁。我们用一束与晶格光共线的578 nm 激光探询冷171Yb 原子的1S0－3P0 跃迁，再利用一束399 nm 激光诱导1S0－1P1跃迁产生共振荧光。当发生钟跃迁时，原子被激发至3P0态，处于基态1S0的原子数将减少，那么，399 nm共振荧光的减弱即对应钟跃迁激发。由此，获得了线宽约为1.7 kHz的钟跃迁谱线。
4.2 可分辨的载波—边带谱
如前所述，囚禁于一维光晶格中的冷镱原子除了拥有电子能级外，还存在振动能级。沿晶格纵向进行钟跃迁探询，可获得载波—边带结构的钟跃迁谱线，载波对应纯电子态激发，而边带谱对应电子和振动态混合激发。如果晶格势阱的纵向能级间隔比功率展宽后的载波线宽要大得多，意味着钟探询可以分辨纯电子跃迁和混合跃迁，即钟跃迁谱线满足可分辨的载波—边带条件。
为了消除原子数目起伏带来的影响，改用归一化探测法获得高信噪比的171Yb 钟跃迁谱线。一维光晶格中，典型的钟跃迁载波—边带谱如图5 所示。图中载波和边带结构清晰可辨，其中载波跃迁对应振动量子数Δn=0 的跃迁，而左右边带称为红蓝边带，分别对应Δn=－1，+1 的跃迁。对载波—边带谱进行分析，可以得到晶格势阱和原子的一些相关参数。从红蓝边带陡峭边沿直接读出振动能级间隔，求得光晶格纵向的势阱深度，根据红蓝边带面积比可以求解出晶格纵向的原子温度。由于一维光晶格横向和纵向自由度发生耦合，红蓝边带各自都不对称，面朝载波的下降平缓谱线包含了晶格横向的原子温度信息。
图5 一维光晶格中的171Yb钟跃迁载波—边带谱
钟跃迁的载波—边带谱证实了光晶格中的原子具有分离的振动能态。当载波—边带谱满足可分辨条件，且光晶格处于魔术波长处时，载波跃迁就是冷原子光钟所参考的钟跃迁。同时注意到，可分辨的载波—边带谱也是进行拉曼边带冷却的先决条件。
4.3 傅里叶极限线宽的钟跃迁谱线
在获得钟跃迁的载波—边带谱时，为了使边带激发明显，钟探询通常是过饱和的。因此，钟跃迁谱有明显的功率展宽。另外，在存在杂散磁场的情况下，171Yb原子钟态1S0(F=1/2)和3P0(F=1/2)各自磁子能级间的简并得到解除(图1)，因而谱线还存在塞曼增宽。
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