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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。
【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

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