線形離子阱囚禁199Hg+實驗的光學系統設計

何躍宏，佘 磊，陳義和，李交美

(1.中國科學院 武漢物理與數學研究所，湖北 武漢 430071；2.中國科學院研究生院，北京 100049)

引言

原子頻標自誕生以來，其廣泛應用于導航定位、航空航天、電子通信和天文觀測等領域[1-2]，在國防和經濟建設中發揮了巨大的作用。線形199Hg+微波頻標是一種高性能的微波頻標[3-4]，其具有高頻率穩定度、低漂移率和低環境敏感度等優點。線形199Hg+微波頻標的頻率穩定度是由原子躍遷譜線的線寬和信噪比決定的，而這和光學系統有很重要的關系，尤其是對信噪比有至關重要的影響。

本文利用自制的202Hg無極譜燈取代了體積龐大、技術復雜、費用昂貴的深紫外激光系統，為線形離子阱囚禁199Hg+實驗設計了一套結構簡單緊湊、經濟高效和便于安裝調試的光學系統。光學激發系統將202Hg無極譜燈發出的光整形成狹長的矩形光去激發199Hg+能級躍遷，從而使其輻射出熒光，然后再利用熒光收集系統去收集該熒光。熒光收集系統具有很高的熒光收集效率，提高了系統的信噪比。

1 系統概況

整體的光學系統如圖1所示。線形離子阱是由4根直徑為4 mm，長為100 mm的金屬桿均勻分布在半徑為10 mm的圓周上，然后在兩端加上2個端帽電極組成。

圖1 線形離子阱的光學系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical system of linear ion trap

整個線形離子阱安裝在超高真空腔中，真空度可達2×10-8Pa。線形離子阱可以囚禁約2×107個汞離子[5]。這些汞離子在線形離子阱中心排列成長為75 mm的圓柱體。由于囚禁離子的熱運動，只需要將激發光源整形為23 mm×4 mm的矩形光就可以激發所有的離子能級躍遷了。……