实现74cm铯冷原子喷泉的实验和讨论

　　已经报导过正在研制的NIM4#激光冷却-铯原子喷泉钟的原理和设计[1],目标是建立中国新一代时间频率基准装置。2001年得到6~9μK的超低温冷原子云,实现了原子云飞行下落(time of flight,下文记为TOF)荧光信号测量[2,3]。2002年,我们在国内首次利用行波光学粘胶(optical molasses)实现了可以实用的74 cm原子喷泉。

　　1954年,Zacharias首次提出了原子喷泉的设想,1989年朱棣文(S.Chu)小组用纳原子第一次实现激光冷却-原子喷泉[4]。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[5],将复现时间频率单位—秒的不确定度提高到2×10-15。

　　在利用磁光阱-光学粘胶制备足够原子数的原子云,并冷却到超低温之后,有两种方法可以实现原子喷泉。一是直接用调谐到原子谐振频率ν0的单束向上激光束,利用光压推动原子向上运动。理论分析和实验证明,光压推动原子将加热冷原子,甚至将原子云打散。这种方法可以上抛原子,但不可能实现较高上抛而仍保持足够比例的原子回落。第二种方法是将上下两束激光分别失谐,即令向上激光在原子谐振频率蓝移,失谐至ν0+δν,向下激光红移至ν0-δν,两束相向激光的反向失谐形成行波光学粘胶。行波的移动速度:

式中,λ为谐振波长,对铯为852 nm,δν为失谐频率。

　　行波光学粘胶带动冷原子向上加速,当原子达到行波的速度v0,关闭4束水平和2束竖直激光,冷原子云在重力场作用下做自由上抛-回落运动。NIM4#钟设计的激励微波腔上端距磁光阱中心40 cm,探测区位于磁光阱中心下方9.5 cm。表1列出了冷原子喷泉的相关参数[6]。原子云初始水平直径约5 mm,原子冷却到<5μK(热运动速度vB<1.8 cm/s),原子飞行途径的最小孔径为10 mm(微波截止波导)。

　　冷原子喷泉回落并与探测光作用的原子数是决定整个喷泉钟信噪比(S/N)的关键之一。喷泉高度越高,原子云自由飞行时间越长,与真空喷泉管中的残余原子分子碰撞的几率越大。随着飞行时间延长,原子热运动使原子云体积膨胀,只有靠近原子云中间部分的原子得以通过喷泉管里最小孔径回落。以上引起原子损失的两种效应都直接与喷泉高度相关。

　　原子两次与微波作用发生Ramsey跃迁, Ramsey条纹的宽度与两次作用之间的渡越时间成反比[7]。综上所述,原子喷泉高,Ramsey跃迁条纹窄,有利于鉴频;同时,回落可利用的原子数减少,信号S/N变坏,不利于锁频。高上抛,同时保持足够回落信号S/N,这是具有实用价值的喷泉实验追求的目标。

　　在已经获得超冷原子云的基础上[2,3],我们对NIM4#钟与上抛-回落-信号探测相关的激光光学系统和电子控制系统作出了数项重大改进: