一套实用的铯原子喷泉光学系统的设计及建立.doc

第 2 0 卷　第 1 1 期 光　 学 　学 　报 2 0 0 0 年 1 1 月 　　　　　　　 A C T A OPTIC A SINIC A 　　　　　　　Vol. 2 0 , No. 1 1 Novem ber , 2 0 0 0 一套实用的铯原子喷泉光学系统 的设计及建立 王晓辉　侯继东　陈徐宗　杨东海　王义遒 ( 北京大学电子学系, 北京 1 0 0 8 7 1 ) 摘　要　介绍了实现铯原子喷 泉的过程及条件, 并详细讨论了光 路中各种光学元件 对铯原子喷泉 光学系统性能的影响 。在对各种 光学元件性能综合 考虑的基础上, 设计并建立了一 套用于进行激 光冷却 和上抛的铯原子喷 泉的光学系 统, 使 光强控制、失谐调 整、光 束开关、光束质量 等多种参 量的控制达到了技术要求。在此基础上, 实现了铯原子磁光阱, 为实现铯原子喷泉奠定了基础 。 关键词　原子喷泉, 　光学系统, 　冷原 子。 1 　引　　言 原子喷泉型频标以其优异的准确度( 2 ×1 0 - 1 5 ) 和稳定度( 短期稳定度 4 ×1 0 - 1 4 - 濎 [ 1 ] , 在频率计量标准和精密测量领域占据越来越重要的地位。 目前世界上最准确的频率基准 历史上原子喷泉思想是 Z a c h a r i a s [ 2 ] 在 5 0 年代提出来的。早期的实验是利用垂直原子束 中的原子上抛, 但由于原子束中慢速原子太少实验未能成功。原子激光冷却与囚禁技术的出 现与发展, 使原子喷泉型频标得以长足的发展。1 9 8 9 年美国斯坦福大学的 C h u 小组 [ 3 ] 首先实 现了激光冷却的钠原子喷泉, 获得线宽为 2 H z 的冉赛( R a m s ey) 跃迁信号。后来 C la i r on [ 1 , 4 ] 等人采用一维运动光学粘团上抛原子团方法实现了铯原子喷泉, 得到线宽为 0 . 7 H z 的冉赛 信号, 并在 1 9 9 5 年制成喷泉频标系统。这种移动光学粘团的方法, 使原子团在上抛过程中保 持原有温度不变, 从而克服了上抛过程中引入的加热效应。后来他们又根据铷原子在相同密 度下的碰撞频移小于铯原子的特点, 实现了铷原子喷泉, 实验上得到了线宽为1 H z 的冉赛信 号[ 5 ] 。这种铷原子喷泉频标可以使系统的稳定度和准确度分别达到 1 ×1 0 - 1 4 - 濎 高了喷泉频标的性能。此外, 日本的计量研究所采用两维移动光学粘团的方法实现铯原子喷 泉频标的多脉冲运行, 在 1 . 7 s 时间间隔内实现了 1 7 个喷泉脉冲, 得到了线宽为 1 H z 的冉 赛信号[ 6 ] 。这种多脉冲连续运行工作方式, 缩短了喷泉频标中脉冲间隔时间, 减少了每次脉 冲内的原子数目, 并保持单位时间内的原子数目不变, 从而减小了慢速原子间碰撞引起的频 [ 7 ] 、加拿大[ 8 ] 、英国[ 9 ] 、 移, 提高了整个频标系统的准确度和稳定度。此外, 美国的 NIST 小组 德国[ 1 0 ] 、瑞士[ 1 1 ] 等许多国家都在致力于喷泉频标的研究。国内北京大学在 1 9 9 3 年便开始了 激光冷却和囚禁原子的实验研究[ 1 2 , 1 3 ] , 现在已经建成了一套铯原子喷泉系统实验装置[ 1 4 ] 。利 用磁光阱技术对喷泉光学系统进行初步测试的结果表明, 该系统的设计是切实可行的, 达到 了原子喷泉实验所要求的技术指标。本文针对原子喷泉的设计要求, 介绍了光学系统的设计 　　收稿日期: 1 9 9 9 - 0 4 - 1 6 ; 收到修改稿日期: 1 9 9 9 - 0 7 - 2 7  　　　　　　　　　　 　　　　　光　　　学　　　学　　报　　　　　　　　　　　　　　　2 0 卷　 1 4 4 2 方案, 并给出一些实验结果。 2 　原子喷泉光学系统的设计要求 为了说明实现原子喷泉对光学系统的要求, 首先描述一下原子喷泉的实现过程。图 1 是 原子喷泉的示意图。 在原子喷泉实验中, 为了获得好的信噪比, 需要冷 原子的数目足够多。磁光阱可以在气体中直接捕获低速 原子, 并使之进一步冷却, 具有囚禁势阱深、囚禁时间 长的特点, 所以成为获得冷原子的标准技术。磁光阱中 囚禁冷原子的数目与冷却光的失谐、光强、光束直径等 参量有关 [ 1 5 ] 。冷却光的失谐量小, 光与原子作用强但速 度捕获范围小; 失谐量大, 光与原子作用弱但捕获范围 大。因此冷却光存在最佳失谐量。另外势阱中囚禁的原 子 数 目随 囚 禁 光光 强 增 加 而 增多, 当 光强 I I 0 2 - 2 ( I 0 为饱和光强, I 0 = 1 . 1 m W/ c m 2 , 为失谐 Fi g. 1 T h e di