2000年NIM铯冷原子喷泉时间频率基准装置研究的进展

　　0　引言

　　自1967年第十三届国际计量大会(CGPM)将秒定义从天文秒改为基于铯(133Cs)基态两个超精细结构跃迁频率的原子秒[1]以来,复现原子秒的基准装置经历了磁选态、光抽运的两种铯热原子束基准发展到铯冷原子喷泉。1991年法国计量局时间频率基准实验室(LPTF/BNM)的Clairon小组报导了“激光冷却-铯原子喷泉”的方案[2],并在1995年率先按新方案实现了新一代的频率基准装置[3]。在激光冷却-铯原子喷泉中,铯原子以“冷”原子“喷泉”形式与微波作用,避免或减小了铯束基准的几项重要误差。法国LPTF和美国NIST已将复现原子秒的不确定度提高到(1~3)×10-15的新水平[3,4],而且有不确定度达到10-16的潜力。

　　中国计量科学研究院(NIM)按照“铯冷原子喷泉”方案正在研制新一代的中国时间频率基准装置,并已进行了装置的设计和磁光阱(MOT)原子云的实验[5]。在前一阶段工作的基础上,我们在2000年实现了从磁光阱(MOT)过渡到光学黏胶(OM)装载、冷却和后冷却铯原子的实验,并利用飞行时间法(TOF)记录和测量了冷原子信号和温度。同时,也用OM从铯蒸气直接获得了冷原子云。

　　1　实验装置

　　1·1　磁光阱系统

　　前文已报导了真空系统,铯源和磁光阱(MOT)的组成与布局[5]。三维圆偏振光场和反亥姆霍兹梯度磁场在真空室中组成磁光阱(MOT)。MOT对与光场谐振的原子形成一个深势阱:原子不仅受到Doppler阻尼力,同时还受到指向MOT中心的恢复力的作用。在此基础上,为了实现磁光阱-光学黏胶(MOT-OM)过渡,围绕MOT设置了X-Y-Z三组补偿磁场线圈,用以抵消地磁场和外部杂散磁场,使关闭MOT磁场后阱的中心区域磁场接近于零。

　　利用物镜对准MOT下方9·5cm的探测区,将探测区中心成象到一个Φ2mm的PIN光电探测器,将光信号转换成电信号,经电流放大(增益可达108~109)、A/D变换、采入计算机组成探测系统。原子云从MOT-OM下落到探测区,与探测光(频率v(4,5′)-2MHz,光束面积4×20mm2)作用发出的荧光,被探测系统接收,实现飞行时间法(TOF)测量(详见下文)。在放大器和计算机软件中分别设有可选择调整的模拟-数字滤波功能,以适应探测和放大原子荧光微弱信号的需要。

　　1·2　激光-光学系统

　　激光-光学系统仍采用LPTF的基本方案:一台外延腔半导体激光器(ECLD)锁定到铯原子D2线的跃迁(F=4 F′=4和F′=5交叉线)作为主激光器(MLD)。MLD注入锁定两台150mW的从激光器(SLD),输出窄线宽,高功率和波长准确的激光。四个声光调制器(AOM)提供需要的频率偏置,频率调谐和功率控制,输出光分别作为六束原子装载-冷却光和一束探测光。另一台ECLD锁定到铯D2线的(F=3 F′=4)跃迁,作为重抽运光。利用850nm单模-保偏光纤(SM-PM),将六束装载-冷却光导入喷泉管的MOT-OM区。同时,SM光纤也作为光学空间滤波器,有效地改善光斑质量。