铯冷原子喷泉Ramsey跃迁实验

　　中国计量科学研究院自1997年开始研制NIM4#铯冷原子喷泉钟,目标是建立我国新一代时间频率基准装置。文献[1]已经报道作者2001年6月在国内首次实现了74 cm原子喷泉。1995年法国LPTF实验室Clairon小组首次报导了激光冷却-铯冷原子喷泉钟[2]。原子喷泉在上抛-回落过程中两次与同一个微波场作用,回避了传统铯钟原子束依次与两个分离的微波场作用,从而消除了两个微波场相位不一致产生的频移。喷泉钟以3~4 m/s的初速度上抛原子,在重力作用下自由回落形成原子喷泉。原子两次通过微波场之间的时延T在0.2~0.5 s量级, Ramsey跃迁中心条纹半极限值时的全宽度(FWHM)只有2~1 Hz,远远窄于热铯束原子钟约50 Hz的Ramsey线宽。中国计量科学研究院用9.19 GHz微波激励铯原子,在国内首次利用冷原子喷泉实现了Ramsey跃迁。

　　2001年末,作者在原有装置的基础上加装了微波腔、喷泉管、C场、磁屏蔽,增加了归一化的荧光探测系统、9.19 GHz微波综合和微波馈送控制系统,以及相应时序控制、信号处理和微波频率闭环锁定软件。至此,NIM4#钟的硬件和软件系统已全部到位。

　　在磁光阱上方是高80 cm的无氧铜喷泉管。喷泉管内装有两只相同的TE011微波腔。一只作为原子选态腔,另一只作为Ramsey激励腔。微波腔的Q值约为8000。较低的Q值使腔的谐振频率对环境温度不敏感。喷泉管外的3层高质量μ合金和最外层软铁屏蔽层对外磁场形成良好屏蔽。屏蔽层内的C-场线圈和补偿线圈沿竖直方向形成均匀弱磁场,使原子能级产生预期的塞曼分裂,在适当功率的9.19 GHz微波激励下,实现|F=4,mF=0〉 |F=3,mF=0〉的Ramsey跃迁。从H-maser的输出频率经过频率综合产生的高质量9 192 631 770 Hz微波分别馈入选态腔和激励腔,形成nW量级的TE011微波场。

　　冷原子云在调谐到2S1/2F=4 2P3/2F=5循环跃迁频率的制备-冷却光和调谐到2S1/2F= 3 2P3/2F= 4的重泵浦光作用下,经过原子云制备-冷却-上抛-后冷却进入喷泉运动。此时,关闭水平竖直6束激光,原子云中的绝大多数原子处在|F=4〉态。原子云先进入选态腔与微波作用,实现冷原子|F=4,mF=0〉 |F=3,mF=0〉的π脉冲选态跃迁。原子云继续向上运动到选态腔与激励腔之间时,开启向下2S1/2F=4光脉冲,去除所有|F=4〉态原子。剩余|F=3,mF=0〉原子在上抛-回落的喷泉运动中两次与激励微波作用,实现|F=3,mF=0〉 |F=4,mF=0〉的秒定义钟跃迁。原子云继续回落到达探测区。原子云中发生钟跃迁的原子,即|4,0〉态原子,与调谐到F=4 F′=5的上探测光驻波场谐振,发出荧光,被上探测器接收,产生代表|4,0〉态原子数N4的飞行下落TOF信号。原子继续下落,|4,0〉态原子被F=4 F′=5行波光场沿水平方向推走。剩余的|3,0〉原子与F=3 F′=4泵浦光和F=4 F′=5探测光混合组成的下探测驻波光场作用,被下探测器接收,产生代表|3,0〉态原子数N3的荧光TOF信号。计算机计算