原子干涉中的拉曼激光技术

　　0　引言

　　采用拉曼激光的原子干涉是实现原子干涉的方法之一,用它进行重力加速度测量,是近年来量子物理研究中的热门课题。诺贝尔奖获得者朱棣文教授曾在2000年做过一次开创性的试验,他的研究小组用激光将铯原子冷却到几个μK,形成超低温的原子云团,在重力场的作用下,原子云团在高真空中自由下落,在其下落过程中用拉曼脉冲激光激励原子,引发原子能级的分裂和路经的不同,从而形成原子干涉。原子干涉导致的相位变化与重力加速度相关,从而可计算出重力加速度的值。根据朱棣文研究小组提供的实验数据,一分钟测量周期的相对误差为3×10-9,两天的测量结果达到1×10-10,远高于传统重力仪的测量水平[1]。

　　中国计量科学研究院重力精密测量研究室目前正在进行新一代原子重力仪的研制工作,本文介绍原子重力测量中使用拉曼脉冲激光实现原子干涉的方法及其控制原理。

　　1　原子干涉法测量重力加速度

　　原子重力仪的结构原理如图1所示。图中的磁光阱(MOT)是由专门设计的梯度磁场和3对空间对称、互相对射的6束冷却激光形成。在磁光阱中的铷原子蒸气,在空间对称的6束冷却激光和梯度磁场的共同作用下,形成冷原子云团。去掉磁光阱的囚禁后,在重力场的作用下,冷原子云团在高真空中自由下落,并由选态光推走那些我们不需要的态(能级)的原子。在传统重力仪中,落体下落距离的测量是由一束测量激光照射落体上的棱镜并由它反射到干涉仪上得到,时间的测量是由原子频标得到,只需对落体进行3个点位测量,通过公式:S(t)=12gt2+v0t+s0即可计算出重力加速度的值。在原子重力仪中,对自由下落的原子团我们使用3束拉曼脉冲激光(π/2脉冲+π脉冲+π/2脉冲,脉冲时间取决于光强),按一定的时间周期T先后激励原子云团,形成原子干涉。拉曼脉冲激光的时间周期T约50ms。原子干涉形成与距离相关的相位(原子态)的变化(由探测光检出),类似在传统重力仪中进行3个点位测量的原理,我们使用3束脉冲激光完成测量,由ΔΦ=keffgT2计算出重力加速度的值。

　　2　拉曼激光的结构

　　拉曼激光是由两台外腔式二极管激光器(称为主激光器和辅激光器)产生。它们工作于单纵模、单横模,线宽小于1MHz,输出功率在100mW以上。二极管激光器的输出首先通过隔离器,以防止输出光逆向反馈回激光器的谐振腔造成干扰。λ/2波片用于调整偏振方向。经偏振分光镜(PBS)后,主激光器的小部分光与外来的一束稳定的参考激光拍频,其差值信号由光电二极管检出,送主激光器的控制电路以锁定主激光器的频率。主、辅激光器的大部分光经同一分光镜后光束重叠,经另一偏振分光镜后,其中分出的小部分光(frmam)由一高速光电二极管检出送频率控制电路,以控制辅激光器的频率,使主辅激光有我们所要求的相位和频率差;其大部分光通过一个80MHz声光调制器(AOM),通过它对光强的控制形成脉冲激光,由光纤传输到真空室附近,经准直、扩束后引进到真空室。脉冲的宽度和周期由一时序电路产生。