分析测试百科网 > 行业资讯 > 技术原理

冷镱原子精密光谱的研究进展（四）

2020.10.26

　　为了获得傅里叶极限线宽的钟跃迁谱线，我们分别对谱线的功率展宽和塞曼磁子能级分裂进行了研究。随着钟探询的光功率减小，谱线的线宽不断变窄，同时超精细结构磁子能级间的4 个跃迁开始出现，两π跃迁的间隔与两σ跃迁的间隔之比约为1：5。利用主腔附近的三维线圈对剩余磁场进行补偿，使π和σ跃迁发生重合，最后获得傅里叶极限线宽的单峰谱线。当探询时长为150 ms时，谱线线宽约为6 Hz，如图6所示。

【深度】冷镱原子精密光谱的研究进展

　　图6 傅里叶极限线宽的钟跃迁谱线。钟探询时长150 ms，对应谱线线宽为6 Hz

　　5 冷镱原子光钟的闭环锁定和频率稳定性测量

　　5.1 闭环锁定的基本过程

　　578 nm 钟激光的频率预先锁定于超稳的FP腔上，以便进行冷镱原子的钟跃迁探询，若将其进一步锁定在冷镱原子的钟跃迁线上，则实现了冷镱原子光钟的闭环锁定。自旋极化充分地利用已有的原子数以改善谱线的信噪比，对提高闭环锁定的稳固性非常有利。原子被交替极化至1S0的mF=+1/2 和mF=－1/2 态上，当外加的偏置磁场与钟探询光的偏振平行时，可分别诱导发生两个π跃迁，对应的跃迁频率为f+1/2和f-1/2，如图4 所示。由于π跃迁的一阶塞曼频移与磁场大小和磁量子数mF都成正比，因此f+1/2和f-1/2谱线将对称分布于钟跃迁中心频率f0两侧。通过对f+1/2和f-1/2平均即可消除一阶塞曼频移，得到真正的钟跃迁频率值f0。所以，在原子自旋极化的基础上可实现一阶塞曼频移的抑制。

　　图7(a)所示的是冷171Yb 原子光钟闭环锁定的原理图，钟探询光和原子钟跃迁之间的频差由声光调制器(AOM)给出，其中AOM1 用于伺服反馈，AOM2 用于频率跳变。闭环锁定时，以4 个周期为一单位对钟激光频率进行一次反馈纠偏，如图7(b)所示。其中，每一个周期时长约1.3 s，包含了冷原子制备、装载、自旋极化、钟探询和归一化探测等过程，如图7(c)所示。首先，为了确定AOM2 的初始状态，可先在未自旋极化的状态下扫描出两个π跃迁谱线。然后，将AOM2 的初始步长设定为谱线线宽，依次在两个π跃迁谱线的半高处跳变。在tn和tn+1周期，原子被自旋极化至1S0(mF=+1/2)，依次扫描f+1/2的左右两侧半高处，由激发率之差计算出原始的误差频率δfn。类似地，在tn+2(tn+3)周期扫描f-1/2的左(右)侧半高处，得到原始的误差频率δf'n。最后，δfn和δf'n分别经过数字式自适应的比例—积分—微分(PID)器进行再处理。如图7(a)所示，一路送至AOM2，对缓变磁场引起的两π跃迁分裂间距变化进行补偿，另一路送至AOM1，完成钟激光频率的纠偏。为了减小钟激光漂移引起的锁定误差，实时监测频率纠偏量，并且将其前馈至AOM1。由此，钟激光始终保持与冷171Yb原子的钟跃迁谱线中心对齐，完成闭环锁定。

【深度】冷镱原子精密光谱的研究进展