應用慢速原子束制備冷原子粘團的研究

陳江，張輝，阮軍，王心亮，劉丹丹，張首剛

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應用慢速原子束制備冷原子粘團的研究

陳江1,2，張輝1,3，阮軍1,4，王心亮1,4，劉丹丹1,4，張首剛1.4

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院研究生院，北京 100039； 3. 西北大學 光子學與光子技術研究所，西安 710069； 4. 中國科學院時間頻率基準重點實驗室，西安 710600）

冷原子粘團的制備是噴泉鐘研制的關鍵步驟之一。通過慢速原子束加載獲得冷原子粘團，應用熒光收集法測量了冷原子粘團的原子數目，采用飛行時間法測量了冷原子粘團溫度。冷原子粘團中原子數目在加載時間200ms的情況下為（8.14±0.2）×107，溫度為（10.72±0.69）μK。

冷原子粘團；慢速原子束；冷原子數目；冷原子溫度

0 引言

Cs原子噴泉鐘是目前世界上精度最高的基準型原子鐘，其準確度和日穩定度均已進入10-16量級[1]。提高噴泉鐘頻率穩定度性能的措施之一是縮短其循環周期[2]。冷原子粘團加載時間在噴泉鐘循環周期中占有較大比重。一般獲得冷原子粘團的方法是通過磁光阱直接從原子蒸汽中收集和冷卻原子得到原子粘團[3]。這種方法加載時間長，且只能捕獲速度較低的原子，原子的利用率小于十萬分之一。在探測區彌散的原子氣體與激光作用后發出雜散背景熒光，增加了冷原子躍遷幾率探測噪聲，降低了噴泉鐘的穩定性。同時，由于磁光阱中原子密度大，原子碰撞頻移大，又影響了噴泉鐘的不確定度。利用慢速原子束和光學阱制備原子粘團，可以在較短時間內獲得原子數量大、密度低的冷原子粘團。

本文介紹了利用慢速原子束制備冷原子粘團的實驗，研究了冷卻光特質對制備冷原子粘團的影響，給出了冷原子粘團原子數目及溫度測量結果。

1 冷原子粘團的制備

實驗原理如圖1所示，4束對射準直的圓偏振激光束與梯度磁場共同作用形成二維磁光阱（2 dimensionmagneto optical trap，2D MOT），實現對從銫爐中擴散出的133Cs原子二維冷卻，形成慢速原子束。在推射激光的作用下慢速原子束進入三維冷原子粘團區（3 dimensionoptical molasses，3D OM）。在3D OM的6束冷卻光的交匯處，慢速原子束受到三維阻尼力的作用，從而在，，這3個方向都得到減速，使其速度降低，形成冷原子粘團。

圖1 2D MOT裝載冷原子粘團實驗原理

本實驗裝置的3D OM由一整塊合金鋁加工而成。3D OM體上6個定位角度面相互垂直，與豎直軸成54°44′23"，機械誤差小于1′。3D OM共有14個窗口，其中6個窗口為冷卻光窗口；5個觀察窗口；1個窗口與2D MOT冷原子束通道相連；上下各一個窗口分別連接噴泉鐘物理系統的選態區和探測區。3D OM玻璃窗用銦絲封裝，構成了3D OM的真空腔體。真空由一臺美國Gamma公司產的離子泵（40 L/s）保持，真空度優于3×10-7Pa。

激光冷卻系統包括1臺主激光器及2臺從激光器。主激光器為自主研制的抗振外腔半導體激光器[4]，利用飽和吸收譜技術將頻率鎖定在銫原子D2的躍遷譜線F＝4→F′＝5上。2臺從激光器采用JDSU公司生產的5400系列激光二極管。激光冷卻系統為冷原子粘團的制備提供冷卻和拋射光。主激光器產生的出射光注入鎖定從激光器，從激光器輸出光分別饋入2個一分三保偏光纖分束器，產生上下各3束功率相等且偏振正交的6束冷卻光。6束冷卻光通過準直鏡擴束形成光斑直徑為20 mm、功率為6.2 mW的冷卻光，導入3D OM區冷卻原子。

1.1 冷卻光注入系統的調校

圖2 準直鏡結構示意圖

1.1.1 出射功率的利用率和穩定性

當保偏光纖的偏振方向與偏振分光棱鏡1（PBS1）透射光偏振方向一致時，光纖受應力及溫度變化而引起出射光功率的波動影響最小，此時PBS1后的光功率也最大。旋轉光纖適配器調整光纖偏振方向與PBS1的偏振方向間夾角，并通過光功率計觀測使得出射光功率最大。同時人為擾動光纖，觀測其出射光最大和最小功率，保證光功率穩定性能優于96%。調校6個鏡筒出射功率，其結果如表1所示。

表1 調整后準直鏡擴束光斑功率

1.1.2 光斑的均勻性

圖3 出射光功率在2個正交軸上的分布

1.1.3 光束的垂直性

當光纖輸出點光源軸向與透鏡軸向不重合時，經透鏡準直后光束波矢將與鏡筒機械軸向產生一定的夾角，使得出射光產生上拋原子的合作用力偏離豎直方向。在參考面上設置一0°全反平面鏡，并在準直鏡出光處安裝一小孔光闌。調節光纖適配器使得從小孔光闌出射的激光束經0°全反鏡反射返回小孔光闌。經調校后準直鏡出射光的波矢與鏡筒機械軸偏差＜0.3′。

1.1.4 光束的準直性

光束準直性的好壞直接影響冷卻光駐波的質量。通過改變光纖適配器與準直鏡內復合透鏡之間的距離來調節輸出光束的準直性，并通過剪切干涉儀來測量光斑的準直性。若被檢光束完全準直，則干涉條紋平行于剪切方向；若光束發散或匯聚，則條紋將發生旋轉。準直鏡調整后準直性滿足要求，其結果如圖4所示，由圖計算得光束發散角小于0.1×10-3rad。

圖4 準直鏡準直性調校結果

2 原子數目的測量

通過所述實驗，實現了冷原子粘團的制備。觀察到的冷原子團的原子云圖像如圖5所示。冷原子粘團形成在3D OM的中心部位，直徑約為6 mm。

圖5 通過CCD觀察到的冷原子粘團

應用熒光收集法[6-7]計算獲得的冷原子粘團中的原子數。由光電探測器接收的冷原子粘團熒光功率為

對于冷原子粘團中的冷原子，單個原子輻射熒光的幾率與激光的光強、失諧量有關，關系為[8]

利用式（1）冷原子粘團中原子數目可以表示為

圖6 冷原子粘團原子加載過程

為進一步優化實驗參數，研究了不同參數對冷原子粘團中原子數的影響。圖7（a）所示為熒光信號隨冷卻光失諧量的變化，從圖7（a）可知，原子數先隨冷卻光失諧量的增大而增多；當冷卻光失諧量在-14.3 MHz的時候，冷原子粘團中原子數達到最大；繼續增大冷卻光的失諧量，冷原子粘團中的原子數反而降低。在失諧量為-14.3 MHz的條件下，測量了熒光信號隨冷卻光功率的變化如圖7（b）所示，從圖7（b）可知冷原子粘團中原子數隨冷卻光光功率的增大而變大，當冷卻光功率達到8 mW時原子數趨近飽和。最佳的實驗參數為冷卻光失諧-14.3 MHz，光功率8 mW。

圖7 熒光信號隨不同參數的變化

3 溫度測量

冷原子粘團由初始位置膨脹并自由下落到達探測區時，得到的探測光對冷原子的熒光信號表達式為[11]

實驗中，通過對減速光、俘獲光進行同步開關時序控制，冷原子粘團得到相應的俘獲和釋放，圖8是在＝17cm處測量得到的冷原子粘團的飛行時間信號，經擬合得到其溫度＝（10.72±0.69）μK。進一步的工作是對冷原子樣品實驗參數進行優化，并通過后冷卻進一步降低冷原子樣品溫度，獲得溫度更低的冷原子樣品。

圖8 飛行時間法測定的133CS銫原子飛行信號

4 結語

本文介紹了通過慢速銫原子束制備冷原子粘團，并通過熒光收集法及飛行時間法測量了冷原子粘團中銫原子數為（8.14±0.2）×107，溫度為（10.72±0.69）μK，得到的實驗結果達到了預期要求；同時還測量了熒光信號強度隨冷卻光失諧量及冷卻光功率的變化關系。本文工作為進一步對各參數進行優化以便得到原子數更多，溫度更低的冷原子粘團的工作提供了研究基礎，同時也為下一步對冷原子粘團進行后冷卻、上拋、實現Ramsey躍遷等工作奠定了技術基礎。

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Optical molasses loaded from a slow atomic beam

CHEN Jiang1,2, ZHANG Hui1,3, RUAN Jun1,4, WANG Xin-liang1,4, LIU Dan-dan1,4, ZHANG Shou-gang1,4

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Institute of Photonics & Photon technology, Northwest University, Xi′an 710069, China;4. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standard, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

Preparation of the optical molasses is one of the key steps for developing a fountain clock. The optical molasses is loaded from a slow atomic beam, and the fluorescence collection method is applied to determine the number of atoms in the optical molasses, meanwhile the time-of-flight(TOF) method is used to measure the temperature of the optical molasses. The number of cold atoms in the optical molasses for loading time of 200 ms is determined to be (8.14±0.2)×107, and the temperature of cold atoms is determined to be (10.72±0.69) μK.

optical molasses; slow atomic beam; number of cold atoms; temperature of cold atoms

TM935.11

A

1674-0637(2012)04-0193-08

2012-04-20

中國科學院重大科技基礎設施開放研究資助項目（29Y005DK0001）；國家杰出青年科學基金資助項目（1025023）

陳江，男，碩士研究生，主要從事銫原子噴泉鐘方面的研究。