小型光抽运铯束频标在不同抽运-检测机制下的光频移

　　1　前言

　　光抽运铯束频标的研制已取得了很大的进展,光抽运基准钟的准确度优于10-14,短期稳定度达到7×10-13/τ[1]。本实验室的光抽运铯束频标实验系统已得到信噪比高达8000的Ramsey信号,与HP-5061A商品小铯钟比对,频率短期稳定度达到1·2×10-11/τ,天稳定度达到2×10-13[2,3]。由于成功地研制出了半导体激光器频率长期稳定锁定技术[4,5],光抽运铯束频标系统长期连续工作的问题已经基本得到解决。虽然光抽运铯束频标比传统的磁选态铯束频标能得到更好的频率稳定度和频率准确度,但是光抽运选态和荧光检测却带来了光频移问题,其中主要是交流Stark效应引起的基态能级移动。这种光频移不可避免地会影响频标的频率准确度和稳定度。在光抽运基准钟中,由于铯束管和微波腔比较长,光抽运区和光检测区离开微波腔和漂移区比较远,从而进入微波腔和漂移区的荧光比较弱,光频移的数值也就比较小,因此对频标准确度的影响也比较小(在10-15量级),在多数情况下可以忽略不计[1,6]。但是,对于小体积的光抽运铯束频标来说,由于抽运区和荧光检测区离Ramsey共振腔和漂移区比较近,抽运区和检测区原子跃迁所发的荧光(以及漫反射激光)容易由微波共振腔窗口进入微波共振区和漂移区中(见图1),这些荧光造成的光频移会对钟跃迁频率造成较多的影响,必须仔细加以考虑。

　　与传统的磁选态铯束频标相比,光频移是在光抽运铯束频标中影响频率准确度和稳定度的新的重要因素。光抽运铯束频标是用激光抽运的方法实现选态并用激光激发跃迁产生的荧光实现光检测的。从铯炉里喷射出来的铯原子束与调谐在铯原子跃迁频率(例如Ff=4、Fg=4)的抽运光激光相互作用(见图2)。被激发到激发态的铯原子通过自发辐射跃迁到Fg=4或Fg=3的基态上,同时产生相应的光子。由于原子束中的原子速度在原子束方向上有一定的分布,所以抽运区原子所发的荧光在原子束方向上具有一个Doppler展宽频谱(见图3)。如果在检测区采用Fg=4、Ff=5循环跃迁检测,那么被激发到Ff=5态的原子只能辐射光子回到Fg=4的基态,这些荧光同样由于原子的速率分布而在原子束方向上具有一个Doppler展宽的频谱。由于抽运区在微波腔之前而检测区在微波腔之后,所以,对于微波腔和漂移区中的原子,抽运区和检测区原子所发的荧光频率由于Doppler效应各自向高频和低频方向移动。这些荧光(以及漫反射激光)是由微波共振腔窗口进入微波共振区和漂移区中并与那里的铯原子相互作用的;通过交流Stark效应,使微波共振区和漂移区中的铯原子基态产生能级移位,而造成Fg=4、mF=0和Fg=3、mF=0之间的钟跃迁频率产生移动。钟跃迁的这种频移是光抽运铯束频标中影响频率准确度和稳定度的重要因素。本文以本实验室小型光抽运铯束频标的结构为模型,对4种不同的光抽运、光检测方案(见图1)中的光频移作了计算,并进一步计算了铯炉温度、微波功率及激光功率的变化对光频移的影响。