小型化鍶光鐘物理系統的研制?

趙芳婧 高峰 韓建新 周馳華 孟俊偉王葉兵 郭陽 張首剛 常宏

1)(中國科學院國家授時中心,時間頻率基準重點實驗室,西安 710600)

2)(中國科學院大學天文與空間科學學院,北京 100049)

(2017年12月4日收到;2017年12月21日收到修改稿)

1 引 言

冷原子鍶光鐘作為目前世界上性能指標最高的原子鐘,其測量精度已進入10-19量級[1],比目前基準鐘銫微波噴泉鐘高出三個量級,是下一代時間頻率標準“秒”定義的有力候選.近十幾年來,國際上很多實驗室都在積極地開展鍶光鐘的研制[2?8].

隨著時間頻率測量精度的不斷提高,高性能原子光鐘的應用越來越廣泛.為了更好地開展基于光鐘的高精密測量實驗[9],比如里德堡常數RH測量、引力紅移測量[10]、精細結構常數隨時變化,以及精密探測相對論和基礎理論所預言的一些“微弱現象”,并檢驗它們的正確性[11?13],科學家們一直在探索新的研究方向.

目前,國際上多個研究組都競相開展空間高精度原子鐘的研制,美國和歐洲均啟動了利用國際空間站環境開發空間冷原子鐘的研究計劃[14?16].國內,中國科學院上海光學精密機械研究所從2000年開始小型化冷原子銣鐘的研制,并在2016年首次成功實現了空間冷原子銣鐘,地面測試中期千秒穩定度為1.5×10?14[17],已經成功搭載天宮二號進入太空,并且正常運行.最早研制空間冷原子鐘的是歐洲空間局提出的空間原子鐘組(Atomic Clock Ensemble in Space,ACES)計劃,該計劃的目的是在空間站研制冷原子微波鐘.在2006年歐洲空間局開始空間光鐘研制計劃,目標是在2023年左右實現頻率不確定度優于1×10?17、穩定度優于的空間冷原子光鐘,該計劃目前仍處在原理樣機的地面測試階段[18].受空間站特殊條件及光鐘系統自身體積龐大和結構復雜等因素的限制,在空間光鐘研制過程中,首要解決的問題就是實現光鐘的小型化及低功耗設計.

近年來,關于光鐘小型化的研究工作一直在進行中[19?22].2014年,意大利Tino小組對整個光鐘系統進行了優化,將物理真空系統的體積縮小至120 cm×40 cm×36 cm,且系統總體積＜2 m3,最終實現了頻率不確定度為7.0×10?15的可搬運88Sr光鐘[19].2017年,德國聯邦物理技術研究院成功實現了車載可移動鍶光鐘,光鐘物理真空系統固定在120 cm×90 cm的平板上,最終實現了87Sr光鐘,頻率不確定度為7.4×10?17,穩定度優于是目前報道的不確定度和穩定度最高的可移動光鐘[20].此外,中國武漢物理與數學研究所黃學人小組研制的小型化鈣離子光鐘目前也實現了可搬運.他們研制的小型化原子鐘系統總體積＜0.54 m3,初步評估得到光鐘不確定度為7.8×10?17,穩定度約為

本文主要介紹小型化鍶光鐘物理系統的研制實驗,將構建磁光阱(magneto-optical trap,MOT)的一對反亥姆霍茲線圈置于真空腔內.線圈采用Kapton材質的真空銅線繞制,實驗中線圈通電電流為2 A,在MOT中心區域產生軸向磁場梯度為43 Gs/cm,發熱功率小于1.0 W.整個線圈固定在一個易于導熱的鋁制支架上,支架和真空腔體的緊密貼合可實現很好的散熱功效,無需增加循環水冷裝置以實現散熱和控溫.目前,實驗已經成功將物理真空系統體積縮小至60 cm×20 cm×15 cm,約為實驗室原鍶光鐘系統體積的1/10[23],并且采用真空內置磁場線圈的技術,已經成功實現了鍶原子的一級多普勒冷卻.實驗測得俘獲區鍶冷原子團的直徑為1.5 mm,利用短程飛行時間法[24?26]測得冷原子溫度約為10.6 mK.利用熒光收集法[27]測得鍶同位素88Sr和87Sr的冷原子數目分別為1.6×106和1.5×105.在一級多普勒冷卻過程中,對應的原子躍遷能級結構的不封閉性造成了原子在3P2和3P0兩能態上的堆積,從而影響了冷原子的俘獲效率.加入707和679 nm重抽運激光,可極大地降低原子損失率,實驗最終可將冷原子數目提高5倍以上.

2 實驗系統設計

2.1 真空物理系統

鍶光鐘整個物理系統裝置主要包括原子Dispenser源、毛細準直器、Zeeman減速器、磁光阱、離子泵及真空組件等.如圖1所示,裝置最右端為鍶原子Dispenser源,內裝約5 g固態鍶,在其前端放置長15 mm、直徑0.8 mm的50根毛細管堆疊而成的毛細準直器.實驗中,通電后的Dispenser源釋放出鍶原子蒸氣,經由毛細準直器準直形成熱原子束噴出.裝置中間部分是長29.6 cm的Zeeman減速器,經過Zeeman減速器后熱原子束被減速至100 m/s以下,減速后的原子被俘獲到MOT中.在鍶原子Dispenser源附近接有一個10 L的離子泵,實驗中其真空度約為10?5Pa,此外在MOT區還接有一個20 L的離子泵,實驗中真空度約為10?6Pa.裝置最前端的正八面體真空腔是最終俘獲冷原子團的場所,俘獲光、減速光及探測光分別從真空腔體不同的窗口導入腔中并與原子相互作用,實現一級多普勒冷卻.真空腔體水平方向所有窗口尺寸均為CF16.

圖1 物理系統裝置示意圖Fig.1.Sketch of the vacuum system for a low maintenance Sr optical lattice clock.

實驗中Zeeman減速器是通過補償原子多普勒頻移來實現對原子束的持續減速,目前常用的減速器有通電線圈型和永磁體型兩種.通電線圈型制作簡單易調節,且產生的磁場曲線平滑,后期優化方便,缺點是需要電流源控制及循環水冷裝置,系統結構復雜且體積較大.永磁體型優點是無需電流源控制及水冷裝置,體積小,無功耗,但是對磁體材料及安裝位置要求高,環形永磁體不易精密加工,且充磁后磁體的中心剩余磁場強度不能調節.基于對以上諸多因素及現有實驗條件的綜合考量,采用多匝線圈式Zeeman減速器模擬永磁體環型Zeeman減速器,通過分析實驗結果選擇合適的參數為下一步永磁體型Zeeman減速器的制作提供參考.減速器全長29.6 cm,共12個線圈.線圈間采用厚度為2 mm的無磁不銹鋼板隔開,單個線圈均采用直徑1.5 mm的銅絲繞制而成,共計15圈18層270匝.12個線圈所加電流各不相同,方便可調諧,能實現最佳減速效果.

2.2 真空內置磁場線圈設計

與單一光學阱、磁阱相比,磁光阱具有阱深較大,阱中原子溫度低、囚禁時間長,冷卻效果明顯等特點.為了實現三維俘獲,在磁光阱xyz三個方向上分別用三對光斑尺寸相同、光強相等的激光兩兩對射,同時調節冷卻激光的偏振,使得激光偏振分別為σ+和σ?[28].此外,還需要一對反向亥姆霍茲線圈即可構建磁光阱.

通常情況下構成磁光阱的反亥姆霍茲線圈被放在MOT區真空腔之外,該結構雖然便于調節但熱耗功率很大.實驗室原鍶光鐘系統中,線圈采用1.5 mm的銅線繞220匝,線圈內徑約為110 mm,外徑為130 mm.要達到實驗所需磁場梯度50 Gs/cm,線圈所需電流約為16.5 A,發熱功率為150 W.通電一段時間后發熱嚴重.過高的溫度不僅對線圈不利,還會影響MOT區真空度以及實驗系統的穩定性.因此,必須增加循環水冷裝置實現散熱和控溫.這使得整個物理系統體積非常龐大,阻礙了物理系統向小型化方向發展,不利于未來可搬運光鐘及空間光鐘的實現.

為實現物理系統的小型化目標,實驗將一對反亥姆霍茲線圈放置到真空腔內部,使得整個系統體積大大縮小.結合實驗要求,對兩線圈的大小及線圈之間的距離進行精確的理論計算,并模擬線圈產生的磁場.根據真空腔的體積、窗口大小以及線圈尺寸,設計加工了鋁制線圈支架,可將線圈直接繞制在支架上,然后將其放入真空腔中.內置線圈裝置截面圖如圖2(a)所示,整個真空腔長120 mm,高69 mm.線圈采用直徑1 mm的銅線繞制而成,共計160匝.兩線圈內徑為20 mm,外徑為40 mm,如圖2(b)所示.

圖2 內置反亥姆霍茲線圈 (a)裝置截面圖;(b)裝置實物圖Fig.2.Schematic of the built-in anti-Helmholtz coil:(a)Sectional view;(b)set-up picture.

用磁強計對MOT中心區域的軸向和徑向磁場進行精細測量.數據擬合后得到軸向磁場梯度為43 Gs/cm,徑向磁場梯度約為軸向的一半,為26 Gs/cm,滿足實驗要求.

2.3 實驗主光路

圖3為鍶光鐘一級多普勒冷卻光路.實驗所用激光光源型號為TA–SHG 110倍頻半導體激光器(Toptica),輸出為波長461 nm的線偏振光,激光線寬小于2 MHz,掃頻范圍約為20 GHz,輸出功率為190 mW.用于一級冷卻的光路主要包括三個部分:第一部分,使激光器端口輸出的461 nm激光雙次通過聲光調制器(acoustic-optic-modulator,AOM)1,移頻+570 MHz之后,將激光頻率鎖定到鍶原子1S0→1P1躍遷線上;第二部分,鎖頻后,將461 nm激光分為兩部分,其中一束激光直接作為減速光,與Zeeman減速器相結合,共同與原子作用,將原子從最可幾速度430 m/s減速至75 m/s;第三部分,在MOT區域,冷卻并俘獲減速后的原子.使鎖頻后的另一束461 nm激光雙次通過AOM2,移頻+532 MHz后,分成三路.在磁光阱的xyz方向,三對偏振方向相反的圓偏振激光兩兩對射,形成六束激光與冷原子相互作用.同時,在MOT區,還有一對真空內置的反亥姆霍茲線圈,在中心區域產生43 Gs/cm的軸向磁場梯度,將原子俘獲在MOT區中心.

圖3 一級多普勒冷卻光路圖Fig.3.First stage Doppler cooling laser system.

3 實驗結果及分析

3.1 原子速度分布曲線

Zeeman減速是冷原子制備過程中一個極其重要的技術環節.實驗中Zeeman減速光采用一束功率為40 mW、失諧?570 MHz、光斑為會聚型的圓偏振461 nm激光,與相對應的Zeeman磁場共同作用使鍶原子束持續減速.由于受真空腔體窗口尺寸的限制,實驗采用的俘獲光光斑尺寸約為13 mm,失諧?38 MHz,每束光功率均為9 mW,只有鍶原子速度降至100 m/s以下時才能被MOT有效俘獲.因此,先進行原子速度分布曲線探測,獲得Zeeman減速效率之后再進一步優化實驗參數.探測過程中,需要兩臺461 nm激光器,其中一臺頻率鎖定后提供一束Zeeman減速光與原子相互作用.同時,將另一臺461 nm激光器設置為掃描狀態,并將其輸出激光分為兩部分,一束垂直原子束運動方向入射的激光作為零失諧標定;另一束激光則與原子運動方向成45°角入射作為探測光,得到原子速度分布譜線.獨立調節Zeeman減速器各線圈的電流值,使得MOT中心區域俘獲原子數目達到最大.

圖4所示為經Zeeman減速器減速前后的原子速度分布曲線.黑色實線表示減速前,紅色虛線表示減速后.從圖中可以看出溫度約為470°C的Dispenser噴出的鍶原子束最可幾速率可達到430 m/s.通過原子速度分布曲線可以看出,經過Zeeman減速后,在原子速度為220和75 m/s兩處,原子數目有堆積存在,經過理論擬合可以計算出減速后速度為75 m/s的原子占原子總數的16.4%.

圖4 原子的速度分布Fig.4.Atomic velocity distribution.

3.2 鍶原子同位素熒光圖像

如圖5所示,實驗中用型號為CoolSNAP EZ的高分辨率CCD觀測磁光阱中俘獲的冷原子團.鍶原子有四種同位素,目前用于冷原子鍶光鐘研究的有玻色子88Sr和費米子87Sr,88Sr在自然界中的豐度為82.6%,而87Sr在自然界中的豐度僅為7.0%,因此實驗中冷原子團熒光信號的強度相差較大.利用CCD采集冷原子圖像,對其熒光亮度進行高斯擬合,計算得到88Sr冷原子團直徑約為1.5 mm.

實驗利用自制的光電探測器加前置放大器對冷原子熒光強度進行探測.通過光電探測器收集不同冷原子團的熒光功率,可以推算出俘獲冷原子的數目,88Sr和87Sr的原子數目分別為1.6×106和1.5×105,兩者比值約為10.7,符合其同位素的自然豐度比例.重抽運激光707和679 nm的加入,最終可將冷原子數目提高5倍以上.

圖5 鍶原子同位素的冷原子熒光圖像 (a)88Sr;(b)87SrFig.5.Fluorescence images of cold atoms of strontium isotopes:(a)88Sr;(b)87Sr.

3.3 短程飛行時間法測量冷原子溫度

溫度是表征冷原子特征的基本物理量,實驗中常采用飛行時間法(time of flight,TOF)[29]測量溫度.這種測量方式下,冷原子飛行距離一般較大,無需考慮冷原子團初始位置的大小及探測光斑尺寸的影響,只要探測光斑可覆蓋下落的冷原子即可.但實驗中由于物理系統真空腔體光學探測窗口較小,允許原子飛行的時間及路程較短,冷原子團初始位置的大小及探測光斑尺寸不能被忽略,傳統的TOF法不再適用.因此,實驗采用短程飛行時間法(飛行距離＜10 mm)測量冷原子溫度.實驗中,冷原子團被囚禁在MOT中心,半徑約為0.75 mm.在距離冷原子團下方3 mm處,打一束光斑半徑為0.5 mm的細圓光束作為探測光.通過時序精確控制MOT區磁場及實驗中各光場的開關斷,使得冷原子團得到周期性的釋放與俘獲,最終由探測器收集到的吸收信號推算出冷原子團溫度為10.6 mK,如圖6所示.

圖6 短程TOF法測量的冷原子吸收信號Fig.6.Absorption curve of cold atoms by TOF.

3.4 利用Zeeman減速器研究最小減速器長度

實驗中Zeeman減速器通過補償由原子多普勒效應引起的頻移來實現減速光與原子能級持續共振,從而使原子束減速.原子在減速器軸向上的運動可近似看作加速度為a的勻加速運動,因此Zeeman減速器長度l可表示為

式中r0為俘獲的冷原子團半徑,tb,td,ta分別為原子束離開準直器到達減速器的時間、在減速器中的時間和從減速器到達MOT的時間.由此,可由軸向最大速度徑向最大速度求出長度為l的減速器作用下的俘獲原子數.對原子束運動速度分布[31]積分可得[30]

式中R為任意長度的Zeeman減速器作用下俘獲的原子數目,為原子束最可幾速度,m為鍶原子質量,k為玻爾茲曼常數,T為鍶原子溫度.

基于光鐘物理系統小型化實驗研制的考慮,在保證獲得較高減速效率的情況下,應盡量縮短Zeeman減速器的尺寸.實驗通過逐漸減少Zeeman減速器的線圈數來模擬不同長度的減速器.通過調節各個線圈電流值,實現不同長度下的最優MOT.最終可得到不同長度的Zeeman減速器對應的線圈最優電流值.將多螺線管Zeeman減速器的一個線圈模擬為永磁體Zeeman減速器的一對磁片,利用這些電流值可以進行磁場擬合,從中選擇最優的磁場擬合結果,為下一步設計永磁體Zeeman減速器的長度及磁片的選擇提供參考.因為要實現光鐘的可搬運,甚至未來的空間冷原子光鐘,永磁體Zeeman減速器無疑是更好的選擇.永磁體Zeeman減速器不僅擁有結構簡單、體積小、質量輕、無需電源供電、無功耗等顯著優點,其優良的抗震性及穩定性也是實現小型化以及未來可搬運光鐘和空間光鐘所必需的.

實驗操作如下:保證其他實驗條件保持不變,從靠近鍶爐的一端開始,逐漸減少Zeeman減速器線圈數,重新調節各個線圈的電流值,同時觀察不同狀態下光電探測器探測到的冷原子團的熒光功率,使得俘獲冷原子效果最優,并計算出相應原子數目.結果如圖7所示.

圖7 Zeeman減速器長度與冷原子數目的關系Fig.7.Number of cold atoms under different lengths of Zeeman slower.

由圖7可以看出,理論與實際擬合較好,當Zeeman減速器長度為8—12 cm時,通過調節Zeeman減速器線圈電流,仍然能俘獲106數量級的冷原子,俘獲效率約11%.

4 結 論

采用真空內置反亥姆霍茲線圈構建磁光阱,實現了鍶原子的一級多普勒冷卻.實驗中觀測了不同的鍶同位素的冷原子團,計算得到原子數目,并用短程飛行時間法測出冷原子團溫度.實驗驗證了真空內置反亥姆霍茲線圈構成磁光阱這一關鍵技術,并成功實現了鍶光鐘物理系統的小型化.這對于未來可搬運光鐘以及空間鐘的實現都具有重要意義.在已有實驗的基礎上,我們可以設計永磁體Zeeman減速器.永磁體Zeeman減速器體積小、重量輕、無需電源供電且具有優良的防震性能及穩定性,利用這些優點可以將Zeeman減速器的尺寸做到更小,更好地實現鍶原子光鐘物理系統的小型化,為可移動光鐘及空間光鐘的研制奠定基礎.

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