基于二維磁光阱的增強型199Hg 冷原子團制備*

余澤鑫 劉琪鑫 孫劍芳 徐震2)?

1) (中國科學院上海光學精密機械研究所,量子光學重點實驗室,上海 201800)

2) (中國科學院大學,北京 100049)

1 引言

隨著激光冷卻技術的發展,冷原子系統不僅在量子計算和量子模擬方面得到了廣泛的應用[1–3],而且在精密測量領域也發揮著重要的作用[4–6].在光晶格鐘里,每個鐘探詢周期都需要預先制備冷原子團,然后進行鐘頻探測,獲得誤差信號來校準鐘頻率.在制備冷原子團的期間,鐘頻光無法得到誤差信號的反饋,從而引入死時間,產生Dick 噪聲[7],最終使得鐘頻率的穩定性變差.通過縮短冷原子團的制備時間來提高鐘頻光探測的占空比可以降低Dick 噪聲[8].因此提高冷原子團的制備速率對于提高光晶格鐘的穩定性具有重要意義.

三維磁光阱(three-dimensional magneto-optical trap,3D-MOT)是一種最常用的冷原子團制備技術,提高3D-MOT 的裝載率可以有效地縮短冷原子團的制備時間.在光晶格鐘里,較高的背景蒸氣壓雖然可以明顯增加3D-MOT 的裝載率,但是會引入較強的背景氣體碰撞,降低光晶格的壽命,使光晶格鐘的穩定性變差,因此,人們提出一些方案來增強3D-MOT 在超高真空環境下的裝載能力,例如使用塞曼減速器[9]或二維磁光阱[10](two-dimensional magneto-optical trap,2D-MOT)來提高3D-MOT 可俘獲范圍內的冷原子束流強度,在保證真空度的同時可以有效地提高3DMOT 的裝載率.塞曼減速器通常需要一個較長的通電線圈或多組永磁鐵[11]來提供特定的磁場,在裝置上會占用比較大的空間.相比之下,2D-MOT結構緊湊、適用性強,在光晶格鐘、原子干涉儀以及其他冷原子實驗裝置中有著廣泛的應用[12–16].純2D-MOT 雖然可以對原子進行預冷卻,但是難以形成高強度的冷原子束流.實驗上會在2DMOT 中加入推送光[16,17]或塞曼冷卻光[14,18]來增強束流強度,進而提高3D-MOT 的裝載率.另外,一些基于2D-MOT 其他構型包括2D+-MOT[19]、帶雙色推送光的2D-MOT[20]、邊帶增強型2DMOT[21]、多邊帶2D-MOT[22]也具有增強冷原子束流、提高裝載率的作用.

汞原子具有黑體輻射頻移低、核電荷數大、原子質量重等特點[16,23],是常見的光晶格鐘元素之一,也被應用于精密測量實驗[24,25].199Hg 是汞原子的一種費米子同位素,核自旋為1/2,具有簡單的超精細結構以及較小的張量頻移,適用于汞原子光晶格鐘的實現[23,26].目前199Hg 光晶格鐘的穩定度主要受限于Dick 噪聲[26,27].為了降低Dick 噪聲以進一步提升199Hg 光晶格鐘的穩定性,法國巴黎天文臺的Bize 研究組[16]利用2D-MOT 加推送光構型把3D-MOT 的199Hg 冷原子裝載率提高了4.5 倍,實現了 6.3×10-16@1 s 的短期穩定度.但由于其冷卻激光系統的限制,推送光只能與2D-MOT 的冷卻光保持相同的失諧量,無法分開優化.如果將推送光的失諧量獨立于2D-MOT 的冷卻光進行調諧,可以進一步挖掘2D-MOT 加推送光構型的增益潛力.在之前的工作中[17],我們將該方法用于202Hg 冷原子團制備上,并實現了8.4 倍的增益.

為了實現高性能的199Hg 光晶格鐘,本文使用2D-MOT 加推送光構型(其中推送光的失諧量獨立于2D-MOT 的冷卻光)來提高3D-MOT 的199Hg冷原子裝載率,并利用雙腔結構來保證科學腔的超高真空以降低背景氣體碰撞對光晶格壽命的影響.相對之前的工作,我們改進了優化流程,實驗上依次對3D-MOT,2D-MOT 以及推送光進行系統性的參數優化,將3D-MOT 的199Hg 冷原子裝載率從 6.1×103s-1提升至 3.1×105s-1,實現了51 倍的高增益,優于Bize 研究組[16]的工作,并在9 s 內制備了 1.8×106個冷原子.然后通過壓縮磁光阱技術[28]來降低原子團溫度以提高199Hg 冷原子團從3D-MOT 轉移至光晶格的效率,得到約 45 μK 的低溫冷原子團,低于多普勒冷卻理論溫度.這種基于2D-MOT 的增強型冷原子團制備方案把3D-MOT的裝載率提高了2 個數量級,并且利用壓縮磁光阱技術有效地降低了原子團溫度,為其他領域的冷汞原子團高效制備提供了參考.另外,為了提高冷卻激光系統的頻率長期穩定性,搭建了一套由三臺深紫外激光器(deep-ultraviolet laser,DUVL)組成的冷卻激光系統,其中一臺輸出小功率深紫外激光用于飽和吸收光譜穩頻,另兩臺通過光學鎖相環技術鎖在第一臺激光器上,并輸出大功率深紫外激光來實現199Hg 的3D-MOT 與2D-MOT的冷卻光和推送光.這種結構有利于激光器的長期穩頻,也提高了深紫外激光的利用率.

2 實驗裝置

2.1 深紫外冷卻激光系統

汞原子的冷卻光波長為253.7 nm,對應于1S0→3P1躍遷(自然線寬Γ=2π×1.3 MHz,飽和光強Is=10.2 mW/cm2),處于深紫外區域,所需要的功率較高,無法直接由半導體激光器獲得.因此我們自制了一套基于光學鎖相環的深紫外冷卻激光系統,以實現汞原子的激光冷卻.在原有的系統[29]中,兩臺DUVL 中的一臺激光器分出一部分深紫外激光來進行飽和吸收光譜穩頻,這不僅限制了深紫外激光的利用率,也不利于激光器的長期穩頻和連續運行.改進后新系統的結構如圖1 所示,它由三臺DUVL 構成,其中一臺用小功率的深紫外激光進行穩頻,另外兩臺輸出大功率的深紫外激光來冷卻汞原子.在DUVL-1 中,主激光器(1014.9 nm)經過光纖放大器、四倍頻和聲光調制器(acoustooptic modulator,AOM)后,輸出較低功率(1 mW)的深紫外激光,采用調制頻率光譜法鎖在汞原子的飽和吸收峰上.鎖頻時使用低功率的深紫外激光,可以降低深紫外激光對BBO 晶體的損傷,從而保證激光器的長期穩頻.在DUVL-2 和DUVL-3 中,兩臺伺服激光器基于光鎖相環技術與主激光器鎖定,從而實現冷卻激光的頻率穩定和調諧.這種方案可讓兩臺用于激光冷卻的DUVL 無需分出一部分深紫外激光來進行穩頻,將輸出的深紫外激光盡可能多地用于冷卻和囚禁汞原子,高效地利用了深紫外激光的功率.其中,DUVL-2 用于產生2D-MOT的冷卻光以及推送光,DUVL-3 用來輸出3D-MOT的冷卻光.推送光的頻率調諧通過調節AOM1 和AOM2 的頻率來實現.為了減小調節頻率時引起的衍射角度改變對推送光指向性的影響,在AOM2后使用透鏡對推送光進行準直.為了保證激光器的可靠性并延長BBO 晶體的使用壽命,DUVL-2 和DUVL-3 長期工作時輸出的最大功率分別為60 mW和 50 mW.

圖1 深紫外激光系統示意圖.(DUVL,深紫外激光器;AOM,聲光調制器;ECDL,外腔半導體激光器;OPLL,光學鎖相環;SHG,二次諧波產生;FMS,調制頻率光譜;FA,光纖放大器;BS,分束器;PD,光電二極管;PMF,保偏光纖;BBO,偏硼酸鋇晶體;QWP,1/4 波片)Fig.1.Diagram of deep ultraviolet laser system.(DUVL,deep-ultraviolet laser;AOM,acousto-optic modulator;ECDL,external cavity semiconductor laser;OPLL,optical phase-locked loop;SHG,second harmonic generation;FMS,frequency modulation spectroscopy;FA,fiber amplifier;BS,beam splitter;PD,photodiode;PMF,polarization-maintaining fiber;BBO,BaB2O4;QWP,quarter-wave plate).

2.2 二維和三維磁光阱裝置

汞原子光晶格鐘的真空系統[17]主要由汞源腔、2D-MOT 腔和科學腔三部分組成,其中2DMOT 腔和科學腔的結構如圖2 所示.2D-MOT 腔是一個矩形腔,腔體的上下和左右兩側分別安裝一對矩形線圈.每對矩形線圈通以方向相反的電流,來提供2D-MOT 所需的梯度磁場.汞源腔與2DMOT 腔相連接,其內部置有半導體制冷的汞源[30],采用3 L/s 的離子泵維持真空.實驗時汞源溫度維持在–40 ℃,2D-MOT 腔的真空度為 6×10–8Torr(1 Torr=133 Pa).科學腔是一個正八邊形真空腔,其中心與2D-MOT 腔中心間的距離為12 cm,腔兩側裝有一對反亥姆霍茲線圈,用來產生3D-MOT的梯度磁場.科學腔上共安裝了8 個真空環氧膠粘貼的窗口,其中6 個窗口用于3D-MOT 冷卻光的入射,水平方向的窗口還具備探測原子團熒光的功能.豎直方向的兩個布角窗口用于晶格光、抽運光和鐘頻光的通光.由于2D-MOT 腔與科學腔所需的真空度相差2 個數量級,為了維持兩者的壓強差和保持科學腔的高真空度,使用一個差分管連接兩個腔體,并在科學腔的另一端連接一臺40 L/s 的離子泵.實驗時科學腔的真空度為5×10–10Torr.

圖2 2D-MOT 和3D-MOT 的實驗裝置示意圖(M,反射鏡;MH,帶孔反射鏡;L,透鏡;QWP,1/4 波片;BW,布儒斯特窗口;EMCCD,電子倍增電荷耦合器件)Fig.2.Diagram of experimental setup for 2D-MOT and 3D-MOT (M,mirror;MH,mirror with a hole;L,lens;QWP,quarter-wave plate;BW,Brewster window;EMCCD,electron multiplying charge-coupled device).

推送光、2D-MOT 和3D-MOT 的冷卻光光路如圖2 所示.推送光沿x方向進入2D-MOT 腔中,在3D-MOT 中心稍微會聚,以減小與原子團的重疊面積,從而降低推送光直接照射在原子團上的概率.推送光的功率可以通過AOM2 進行調節,最大功 率為 3.7 mW,光 斑半徑為0.6 mm.2D-MOT 的冷卻光光路采用單路折疊結構,冷卻光從水平方向進入2D-MOT 腔內,在M3 上原路反射回去,最大化地利用了冷卻光的功率.其中,冷卻光的功率為50 mW,光斑尺寸為 20 mm×8 mm.考慮到對原子團熒光成像的實驗探測需求,3D-MOT 的冷卻光采用了三光束反射構型,其中每束冷卻光功率為15 mW,光斑半徑為 8 mm.在熒光成像時,3D-MOT中在z方向的冷卻光會關閉,x-y平面的冷卻光激發原子團產生熒光.熒光圖像被中心帶孔的反射鏡MH 反射后,經過小孔濾波,濾除大部分散射光,最后被EMCCD 相機(electron multiplying CCD,Andor,iXon3 885)采集.采集的圖像可用于原子數目測量,也可以用于飛行時間法(time of flight,TOF)測量原子團的溫度.為了收集更多熒光,反射鏡MH 替代了原有成像系統中的D 形鏡[17],其中心的通孔讓會聚的冷卻光通過,既不影響3DMOT 的光路,同時也將熒光光路的反射面積至少增加了2 倍,提高了熒光收集率.

3 結果與討論

為了實現對3D-MOT 裝載率的高增益,需要對系統的多項參數進行優化,其中包括3D-MOT與2D-MOT 的磁場梯度、冷卻光的失諧量和光強以及推送光的失諧量和光強等參數.根據已有的實驗經驗以及2D-MOT 和3D-MOT 的理論模擬[14,16,18,31–33],3D-MOT 的裝載率(或一定時間內裝載的原子數)可在2D-MOT 或3D-MOT 的冷卻光光強(或功率)最大處取得最大值(或飽和值).因此在參數優化實驗中保持3D-MOT 和2D-MOT的冷卻光功率處于最大值,對應每束冷卻光的功率分別為 15 mW和50 mW.

即便如此,實驗中涉及的參數仍然較多.為了更好地量化比較,以3D-MOT 在一定時間內裝載的199Hg 冷原子數作為評價其裝載率的參考.實驗上,先掃描3D-MOT 冷卻光的失諧量?3D和磁場梯度來確定其最佳參數,然后再優化2D-MOT冷卻光的失諧量?2D和磁場梯度,最后在兩者取最優值的情況下,掃描推送光的失諧量?push和功率Ppush來完成對推送光的優化.在所有實驗參數都被優化后,采用壓縮磁光阱技術來進一步降低冷原子團的溫度,以提高其光晶格轉移效率.另外,也分析了科學腔內背景氣體碰撞對光晶格壽命的影響.

3.1 199Hg 冷原子裝載率的優化

在僅有3D-MOT 的情況下,1 s 內能裝載的原子數較少(最高 103量級),在熒光探測時原子團的信號容易被淹沒在散射光噪聲中.因此在優化3DMOT 的失諧量?3D和磁場梯度?Bz3D/?z時,測量2 s 內裝載的原子數N2s,測量結果以等高線圖來呈現,如圖3(a)所示.圖3(a)中黑色圓圈代表測量參數點,每個測量參數點進行了4 次測量,圈中的偽彩色代表4 次測量的平均值.為了反映N2s隨?3D和的變化趨勢,使用二維數值插值處理數據,并以背景偽彩色的形式表示插值的結果.由圖3(a)可以看出,N2s先隨著的增大而增加,但在 13.5 G/cm 以上呈現減小的趨勢.這是因為較強的磁場梯度會使得3D-MOT 可囚禁的空間區域變小[32],從而減少可俘獲原子數.最后N2s在?3D=-10Γ和時取得最大值1.3×104.

圖3 (a) 2 s 內裝載的原子數 N2s 隨3D-MOT 失諧量 ?3D 與磁場梯度 /?z 的變化;(b) 2D-MOT 橫向冷卻原子示意圖;(c) 1 s 內裝載的原子數N1s 隨2D-MOT 失諧量 ?2D與磁場梯度 /?z 的變化;(d) 1 s 內 裝載的原子數N1s隨推送光的失諧量?push與功率Ppush的變化Fig.3.(a) Atom number N2s loaded in 2 s varying with detuning ?3D and magnetic gradient field /?z of 3D-MOT;(b) sketch of 2D-MOT capture process in the transverse direction;(c) atom number N1s loaded in 1 s changing with detuning ?2D and magnetic gradient field /?z of 2D-MOT;(d) atom number N1s loaded in 1 s changing with detuning ?push and power Ppush of push beam.

在最佳的3D-MOT 參數下,掃描2D-MOT 冷卻光的失諧量?2D和磁場梯度時,測量1 s 內裝載的原子數N1s,結果見圖3(c).圖3(c)中給出2D-MOT 的最優參數分別為?2D=-6Γ和,另外,對于不同的,存在一個相應的最佳失諧量來使N1s在該磁場梯度下達到最大值,并且兩者之間呈現出一種比較線性的關系.基于德國Jin 研究組[34]Dy 原子3DMOT 優化的理論模型,我們也類似地分析了2DMOT 的與之間的關系.如圖3(b)所示,原子沿著z方向飛行,受到的阻尼力主要來自沿著κ方向傳播的激光.按照Jin 研究組[34]的理論,2D-MOT 的與會使原子以捕獲速度vcap(原子在2D-MOT 捕獲區域內停下的最大速度)進入捕獲區域時就與該方向的激光發生共振,以最大的加速度減速;在捕獲區域邊緣停下來時也與該激光發生共振,以最大的加速度被拉回捕獲區域中.此時2D-MOT 可以實現最佳的橫向冷卻.參照Jin 研究組[34]的理論推導,可以給出2D-MOT的與之間的關系:

其中μB為玻爾磁子,? 為約化普朗克常數,gJ為原子激發態的朗德因子,Rcap為2D-MOT 的橫向捕獲范圍.定義系數μR=-gJμBRcap/?,結合實驗條件(gJ=3/2,Rcap=4 mm) 給 出μR=-0.66ΓG/cm,與觀測到的現象比較吻合.

在確定好3D-MOT 和2D-MOT 的最佳參數后,加入推送光,進一步優化推送光的失諧量?push和功率Ppush.從圖3(d)可以看出,原子數N1s隨著Ppush增大而增加.當?push處于 -6Γ和-10Γ之間時,原子數N1s在Ppush=3.3 mW 處接近飽和狀態,此時N1s為 1.9×105.與優化2D-MOT 時的最大原子數比較,可以看到推送光的加入對3D-MOT 裝載率有明顯的增益.為了保證推送光的增益效果,后面的實驗中推送光所采用的Ppush和?push分別為3.5 mW和-9.5Γ.值得說明的是,推送光的增益效果還與其指向性有關[35].實驗上先通過觀測實時的原子團熒光強度來找到一個使原子團熒光最強的方向,再優化推送光的?push和Ppush.

所有最佳參數確定后,為了研究和對比純2DMOT 和2D-MOT 加推送光兩種構型對3D-MOT裝載率的增益效果,測量了三種實驗條件下的裝載曲線,如圖4 所示.只考慮單體碰撞,199Hg 冷原子裝載曲線可由下面的速率方程來擬合:

圖4 199Hg 在三種不同情況下的冷原子裝載曲線,其中誤差棒長度代表標準差Fig.4.Cold atom loading curves of 199Hg in three different cases,where error bar denotes standard deviation.

其中,N(t) 表示t時刻的原子數目;R表示裝載率;γ表示3D-MOT 的單體碰撞損失率.在純3D-MOT構型下,擬合得到的裝載率R3D=6.1×103s-1和損失率γ3D=0.15 s-1.在使用純2D-MOT 構型時,擬合得到的裝載率R2D=4.3×104s-1和損失率γ2D=0.19 s-1,此時3D-MOT 裝載率得到了7 倍的增益.在2D-MOT 加推送光構型下,原子數大幅提高,說明2D-MOT 加推送光的構型對3DMOT 的裝載率有明顯的增益效果.擬合得到的裝載率Rpush=3.1×105s-1和損失率γpush=0.09 s-1.與純3D-MOT時的R3D相比,此時3D-MOT 的裝載率Rpush提高了51 倍,9 s 裝載的冷原子數為1.8×106.

3.2 原子團的溫度和半徑

在光晶格鐘里,需要將3D-MOT 制備的冷原子轉移至光晶格里,然后用鐘頻光進行探測.提高冷原子團從3D-MOT 轉移至光晶格的效率,有利于提高鐘頻探測的信噪比.在既定的光晶格參數下,原子團溫度越低光晶格轉移效率越高[36].因此采用了壓縮磁光阱技術降低原子團溫度,并且研究了壓縮后3D-MOT失諧量δ3D與原子團的溫度T和半徑r之間的關系.

壓縮磁光阱的時序如圖5(a)所示.在2 s 的3D-MOT 原子裝載后,在40 ms 內將失諧量?3D從 -10Γ線性調節至δ3D,接著關斷冷卻光和3DMOT 磁場,釋放原子團進行自由飛行.原子團的飛行時間從2—10 ms,再用熒光法探測冷原子團圖像.為了提高熒光探測的強度,冷卻光在探測時調節到-Γ來激發原子團.通過對圖像進行高斯擬合來獲得不同時刻的原子團半徑ri=x,y,然后根據TOF模型得到相應失諧量δ3D下的原子團溫度T=(Tx+Ty)/2和半徑,如圖5(b)所示.圖5(b)給出了在δ3D=-Γ時原子團的溫度T≈47 μK 和半徑r≈210 μm.

圖5 (a) 壓縮磁光阱相關時序;(b) 在失諧量 δ3D=-Γ 時原子團半徑隨飛行時間的變化;(c) 原子團溫度隨失諧量 δ3D 的變化;(d) 原子團 半徑隨失諧量 δ3D 的變化Fig.5.(a) Relevant time sequence of compressing MOT;(b) radius of cold atoms varying with flying time at detuning δ3D=-Γ ;(c) temperature of cold atoms varying with detuning δ3D ;(d) radius of cold atoms varying with detuning δ3D.

在多普勒冷卻理論中,原子團的溫度T與冷卻光失諧量δ之間的關系滿足[28,32,37]:

其中,kB為玻爾茲曼常量,Is為飽和光強,It為3DMOT 六束光的總光強.考慮到3D-MOT 冷卻光的光強近似高斯分布以及原子團會稍微偏離3DMOT 中心(由2D-MOT 磁場導致的),粗略地評估 原子 團受 到的 光強It在 4.4Is(3D-MOT 平均光強)和 4.6Is(3D-MOT 中心光強)之間,并在圖5(c)中用帶有兩條邊線的灰色陰影來表示光強處于4.4Is— 4.6Is之間的所有多普勒理論曲線.由圖5(c)可以看出,實際的原子團溫度低于多普勒理論溫度,這是因為199Hg 原子的基態存在超精細分裂,原子團能夠實現更低溫度的亞多普勒冷卻.在δ3D處于 -Γ和-3Γ之間時,原子團的溫度在 45 μK 附近,接近多普勒冷卻極限溫度TDoppler=31 μK.除了與理論模型比對,實驗上也比較了199Hg 和202Hg(玻色子)兩者的溫度.由圖5(c)可以看到,由于存在亞多普勒冷卻機制,199Hg 的溫度明顯低于202Hg.

根據多普勒冷卻理論,原子團的半徑ri與冷卻光失諧量δ之間的關系可以由能量均分定理推導出[28]:

其中,λ為冷卻躍遷波長,?Bi/?xi為徑向磁場梯度.圖5(d)給出了在?Bi/?xi=6.75 G/cm 時原子團半徑r隨失諧量δ3D的變化關系.由圖5(d)可以看到,原子團的半徑r隨著失諧量 |δ3D| 的減小而降低,在 |δ3D|=Γ時取得最小值 210 μm,與理論曲線的趨勢比較接近,但高于理論預期.可能的解釋是冷卻過程中存在輻射囚禁效應,一個原子輻射的光子被另一個原子吸收,光子的動量轉移造成兩個原子相互排斥,兩者的距離被拉開,原子團的尺寸也相應地增大[28,32].

3.3 背景氣體碰撞對光晶格壽命的影響

較長的光晶格壽命可以提高鐘頻探測的時間,增加鐘頻探測的占空比,從而降低Dick 噪聲,提高光晶格鐘的穩定性.光晶格壽命受很多因素的影響,例如背景氣體碰撞(高真空度下主要為H2),晶格光的光強噪聲等[38,39].對光晶格壽命進行精確的評估是一件比較復雜的事情.這里只考慮199Hg與H2的之間碰撞,并分析其對光晶格壽命的影響.在這種情況下,光晶格在科學腔中的壽命τlat可由下式進行評估[38,40,41]:

其中kB為玻爾茲曼常數;T為背景氣體的溫度(取室溫300 K);P為背景氣體的壓強(近似等于科學腔的真空度);mH2為H2的質量,Ulat為光晶格勢阱深度;mHg為199Hg 的質量,C6為199Hg (2S)與H2碰撞的范德瓦耳斯系數,可由Slater-Kirkwood 公式計算[41],結果為48.2 a.u.(a.u.代表原子單位).預計光晶格勢阱深度約為 4 μK,帶入(5)式,得到光晶格的壽命為8 s.由于只考慮了與背景氣體中H2的碰撞,計算結果會大于實際的壽命.不過從(5)式中可以看到光晶格壽命τlat與背景氣體壓強P滿足τlat∝1/P,這也表明了實現科學腔的高真空度有利于獲得較長壽命的光晶格.

4 結論

本文基于2D-MOT 實現了用于199Hg 光晶格鐘的增強型冷原子制備.在實驗裝置上利用2DMOT 加推送光構型提高了冷汞原子的裝載率,并采用壓縮磁光阱技術降低了冷原子團的溫度以提高光晶格轉移效率.實驗上通過激光系統的改進,使得推送光的失諧量可獨立于2D-MOT 的冷卻光進行調諧,從而系統性地優化了3D-MOT,2D-MOT的失諧量和磁場梯度以及推送光的失諧量和功率.在2D-MOT 加推送光構型下,測得3D-MOT 中的199Hg 冷原子裝載率為3.1×105s–1.相比純3D-MOT構型,199Hg 冷原子裝載率提高了51 倍,表明了2DMOT 加推送光的結構可以在超真空環境下實現對3D-MOT 裝載率的高增益.然后利用壓縮磁光阱技術降低了原子團的溫度,同時也壓縮了原子團的尺寸,得到了溫度約 45 μK、半徑最小為210 μm的低溫冷原子團,也觀測到了199Hg 原子的溫度低于多普勒冷卻溫度的現象.這種基于2D-MOT 的增強型冷原子制備為其他冷原子實驗中冷汞原子團制備提供了有效方案.此外,本文在真空系統上采用雙腔結構實現了科學腔 5×10-10Torr 的超高真空度,以獲得較長的光晶格壽命;在深紫外冷卻激光系統上使用三臺DUVL 結構和光學鎖相環技術,以提高激光器的穩頻性能和深紫外激光的利用率.這些為后續的光晶格裝載和高性能199Hg 光晶格鐘的實現提供了良好的基礎.