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铯原子喷泉钟NTSC-01光学系统的研制

张辉  
【摘要】:Cs原子喷泉钟是目前复现“秒”定义时间频率基准装置,具有最高的准确度,作为基准钟标校其他原子钟,是一个国家时间频率系统的基础。Cs原子喷泉钟由光学系统,物理系统,电路系统与控制系统组成,以脉冲的方式工作。Cs原子喷泉钟光学系统提供铯原子操控与跃迁几率探测用的所有激光,是实现Cs冷原子样品,形成原子喷泉以及双能级探测的关键,其性能高低直接影响Cs原子喷泉钟整机运行及其性能指标,所以研制符合Cs原子喷泉钟整机运行要求的光学系统对于Cs原子喷泉钟而言是基础与关键。 本文正是以NTSC-01型Cs原子喷泉钟光学系统研制为主要内容,其具体包括两个方面: 1, NTSC-01喷泉钟光学系统的研制。NTSC-01喷泉钟光学系统提供Cs原子操控和跃迁几率探测用的所有激光。研制内容主要包括: (1)激光频率控制:包括激光光源频率稳定和AOM对光频率控制。采用饱和吸收光谱稳频,频率稳定度达到3×10-12/s。采用AOM对二维磁光阱预冷却光与三维磁光阱俘获光进行相应的频率失谐与快速移频,从而俘获与快速的操控原子按照控制系统时序进行上抛与探测。 (2)激光功率放大与控制:包括冷却光与俘获光的放大和AOM对俘获光光功率的控制。采用注入行波放大器放大产生二维磁光阱的冷却光功率,注入锁定两台高功率从激光器产生三维磁光阱六束俘获光功率。AOM使六束俘获光功率在Cs原子上抛同时,在时序控制下按照指数规律衰减,使Cs原子按照偏振冷却机制进一步冷却。 (3)激光传输:包括激光功率与偏振方向和保偏光纤的耦合。采用望远镜系统对功率进行耦合,通过消光比极值法与四分之一波片结合对激光偏振态与保偏光纤进行耦合。 (4)激光束参量的调节。二维磁光阱冷却光与三维磁光阱俘获光通过一体化准直镜筒对其光斑质量特性进行调节,使其满足冷却与俘获Cs原子的光斑在准直性、方向性、功率、偏振态方面的要求。 通过测量俘获Cs原子数目为2×109,并且Cs原子上抛81cm时下落信号的信噪比,符合NTSC-01喷泉钟后续实验的要求,说明光学系统满足了NTSC-01铯原子喷泉钟正常运行的要求。 2,液晶频率调谐外腔半导体激光器的研究。 基于液晶调谐电压低,回程误差小,无机械运动等特点,研制了一台基于LCVR频率调谐外腔半导体激光器。液晶电压改变1.6V,激光频率变化7GHz,覆盖了Cs原子D2线的全部饱和吸收谱线。采用“猫眼”式外腔结构使激光器具有一定的抗震性能,为替代传统冷却Cs原子激光光源提供了较好的选择。


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