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《中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)》 2017年
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10~(-17)量级钙离子光频标的实验研究

边武  
【摘要】:原子频标作为一种精密的计时仪器在导航、授时和网络同步等方面都有重要应用。光频标是目前精度最高的原子频标,其跃迁频率极高,具有更好的稳定度及准确度,有希望成为下一代授时基准。40ca+离子3 D5/2态的寿命约为1 s,对应的4 S1/2-3D5/2电四极跃迁的自然线宽约为0.16Hz,谱线Q值高达1015,非常适合作为单离子光频标的参考跃迁。以离子阱为基础的40Ca+离子光频标,具有结构简单,成本较低的优势,其不确定度已超过目前精度最高的铯喷泉钟。我们基于原有平台开展了两台光频标的比对实验,主要内容包括以下几个方面:1.利用Pound-Drever-Hall方法,将729 nm钛宝石激光器锁定到一个10 cm长的超稳腔。经过对振动稳定性,温度稳定性及电路经过一系列的优化,通过与另外一台独立的窄线宽半导体激光器拍频,获得1 Hz的激光线宽,1-100 s频率稳定度优于2× 10-15,用此超稳激光探测40Ca+离子4 S1/2至3 D5/2钟跃迁谱线,获得了 6 Hz的谱线线宽。2.改进了第二套离子阱系统所用的射频囚禁场,将其频率置于24.7 MHz并在此基础上优化了离子的微运动,实现了 Trap2中单离子的稳定囚禁。在此囚禁频率下由微运动导致的标量Stark频移和二阶Doppler频移大小相等且符号相反,很大程度上减小了离子微运动导致的频移及其不确定度。3.基于已有的两套囚禁离子物理系统开展了两台光频标的比对实验,对黑体辐射频移,微运动及宏运动导致的频移等各项频移进行了仔细评估。结果显示两台光频标的相对频率差为3.2×10-17,不确定度为5.5×10-17,其中包括统计不确定度(1.9×10-17)和系统不确定度(5.1×10-17)。4.改进了钙离子光频标所用冷却光及回泵光的稳频,采用PDH方法将397 nm激光和866 nm激光线宽压窄到小于1 MHz并且实现超过一周的稳定锁定,为下一步光频标进入10-18量级打下基础。
【关键词】:离子阱 光频标 激光稳频 频率比对
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN24;O562
【目录】:
  • 致谢6-8
  • 摘要8-9
  • Abstract9-11
  • 第一章 绪论11-21
  • 1.1 原子频标简介11-13
  • 1.2 原子频标分类13-15
  • 1.2.1 按跃迁频率分类13-14
  • 1.2.2 按伺服原理分类14-15
  • 1.3 原子频标的性能表征15-16
  • 1.4 光学频率标准16-19
  • 1.5 论文结构19-21
  • 第二章 钙离子光频标的物理基础21-43
  • 2.1 粒子囚禁基本原理21-29
  • 2.1.1 离子囚禁21-28
  • 2.1.2 对中性原子的囚禁28-29
  • 2.2 ~(40)Ca~+离子的能级结构及跃迁谱线29-33
  • 2.2.1 钙原子的物理特性及能级结构29-30
  • 2.2.2 钙离子的能级结构及跃迁谱线30-33
  • 2.3 ~(40)Ca~+离子的激光冷却及光频标的锁定33-39
  • 2.3.1 钙离子的激光冷却33-35
  • 2.3.2 钙离子光频标单条谱线的锁定35-39
  • 2.4 飞秒光梳及钟跃迁绝对频率的测量39-43
  • 第三章 实验装置43-83
  • 3.1 环帽型离子阱43-45
  • 3.2 射频源及直流补偿电极45-50
  • 3.2.1 自激振荡型射频源45-46
  • 3.2.2 螺旋谐振器型射频源46-49
  • 3.2.3 直流补偿电极及附属低通滤波电路49-50
  • 3.3 离子微弱荧光探测系统50-51
  • 3.4 冷却光系统51-59
  • 3.4.1 397nm冷却光及866 nm回泵光51-53
  • 3.4.2 Fabry-Perot腔基本原理53-55
  • 3.4.3 传输腔稳频55-59
  • 3.5 729nm钟跃迁探测光系统59-83
  • 3.5.1 lock-in amplifier锁频技术60-62
  • 3.5.2 Pound-Drever-Hall锁频技术62-68
  • 3.5.3 钛宝石激光器68-70
  • 3.5.4 10 cm长ULE超稳腔系统70-74
  • 3.5.5 光纤相位噪声消除系统74-75
  • 3.5.6 稳频后钛宝石激光器的性能评估75-83
  • 第四章 10~(-17)量级的钙离子光频标83-105
  • 4.1 单离子的获取及微运动的优化83-87
  • 4.2 磁场的控制及单离子4 S_(1/2)-3 D_(5/2)钟跃迁Zeeman谱的获得87-93
  • 4.2.1 高精度脉冲时序系统87-89
  • 4.2.2 磁场的精密控制及离子钟跃迁Zeeman谱的获得89-93
  • 4.3 两台光频标的比对实验93-97
  • 4.4 比对实验的各项系统误差评估97-105
  • 4.4.1 电四极频移97
  • 4.4.2 磁场导致的一阶及二阶Zeeman频移97-98
  • 4.4.3 离子微运动导致的频移98-99
  • 4.4.4 离子宏运动导致的频移99-100
  • 4.4.5 离子所处位置由黑体辐射导致的频移100-101
  • 4.4.6 AC Stark导致的频移101
  • 4.4.7 Servo导致的频移101-102
  • 4.4.8 引力时间膨胀导致的频移102
  • 4.4.9 其它物理效应导致的频移102-103
  • 4.4.10 两钟频率比对的总频移差及不确定度103-105
  • 第五章 总结和展望105-106
  • 参考文献106-119
  • 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果119-120
  • 作者简历119
  • 攻读学位期间发表的论文与研究成果119-120

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