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1、irab-论文塩表吉欣应用于光钟的镱原子激光冷却和囚禁的理论研究【摘要】：原子光钟是基础物理研究和频率标准这一古老研究领域的 重要研究课题。这一研究能够成为当前一个热点的主要原因是微波原 子钟的发展已经遇到瓶颈。而光钟由于采用频率更高的光频，因此是下一代高精度原子钟的公认的发展方向。经过一段时间的发展，目前光钟的发展方向主要定位在单离子钟和光晶格钟。最新型的单个离子光钟已经成功实现了10-18的分数频率不确定度，并成功运用于基础物理常数变化的测定和相对论物理的检验，将基础物理常数变化限制在一个更小的范围。然而根据量子理论 ，离子钟将最终受限制于量 子投影噪声。减小量子投影噪声的一个重要途径就是
2、增加被测原子或 离子的数量。受库仑相互作用的影响，离子阱中的离子数量很难再增 加。而光晶格钟秉承了离子钟的优点同时又可以提高量子吸收器的数 量，其量子投影噪声大大减小，精度将有望超过离子钟，因此光晶格钟 是目前一个热门的研究方向。镱原子光钟是光晶格钟的方向之一。 而 光晶格钟的一个核心问题就是如何获得对外界干扰免疫的时钟跃迁 , 目前通用的做法是利用激光冷却与囚禁技术来实现。激光冷却与囚禁 镱原子复杂而锁碎，涉及到方方面面的问题，小到一个控制电路的设计 与实现，大到一台激光器的设计以及冷却与囚禁光学系统的设计与实 现。由于是从无到有的建设冷镱原子系统 ，我们当前需要解决的有三 个问题。第一个问
3、题是，高效率的冷却激光光源的设计与实现。尽管 目前多种方案可以获得冷却激光，然而冷却激光的方案还在探索和发展之中。激光功率和效率的提高将直接改善冷却的效果，同时简化系统。第二个问题是，在锶原子建立在交际跃迁上的磁光阱可以将锶原 子冷却到多普勒冷却极限以下，而对于镱原子交际跃迁磁光阱冷却获 得的温度远远大于多普勒冷却极限温度。第三个问题是，目前已经实 现的镱原子光晶格钟的频率评估发现，原子之间的碰撞频移还很大，其中一个影响就是镱原子的温度还不够低。 同时单个离子光钟成功的经 验表明把原子冷却到振动基态对抑制原子钟的不确定度是十分重要 的。本论文针对以上三个问题展开深入研究。 论文的第一章简单介绍
4、 了原子钟到光钟的发展过程，以及光钟关键技术的原理，总结了镱原子 光晶格钟的在国际上的发展状况，介绍了冷镱原子与光钟的关系以及 镱原子冷却的基本原理。第二章我们研究了如何使用二次谐波产生技术高效产生一级冷却激光光源的问题。我们首先推导了在双轴晶体中 二次谐波产生功率与基频激光的聚焦，走离效应，相位匹配等因素的关 系，最后得到一个二次谐波产生功率表达式。我们将这个表达式应用 于分析三硼酸锂晶体倍频797.822nm激光的优化设计。我们首先计算 出晶体的相位匹配条件以及相关晶体参数，然后利用二次谐波产生功 率表达式计算出最佳二次谐波产生所需的光束条件。根据这些条件我们设计了用于增强基波光强的谐振腔
5、。考虑到各种因素之后，我们预测按照这个方案可以获得 180mW的一级冷却激光，对应于37%的转 化效率。第三章我们研究了如何使用二次谐波产生技术在实验室高效 产生二级冷却激光光源。第一。我们研究了光纤激光到波导倍频器的 激光耦合问题。通过实验探索我们找出来一种由光纤准直器和准直透 镜组成的光学耦合系统其耦合效率可以比常用的显微物镜光纤耦合系统高出10%以上。第二，我们研究了光波导的中二次谐波产生与基 波的偏振以及波导的温度等条件的关系，并找出了光波导的最佳工作 条件。第三，我们研究了光波导绿光输出的光束准直问题，通过实验探 索我们找到由显微物镜和透镜组成的光学准直系统可以获得M21.1的光束质
6、量。第四，我们对实验中测量到的波纹状温度调节曲线进行 了研究，经过理论分析我们发现这种波纹状的温度调节曲线是由于波 导的光学非均匀性造成。我们同时研究了光学非均匀性对二次谐波转 化效率的影响。第五，我们研究了在高基波功率时，二次谐波功率与理 论预测值相比出现下降的问题。通过模拟 ，我们发现这种下降分两个 过程，第一个过程是吸收造成的下降，第二个过程是吸收以及其引起的 温度改变造成的下降。第四章我们研究了一级磁光阱冷却和二级磁光 阱冷却的多普勒冷却机制。第一，我们研究了一级磁光阱冷却的动力 学特性和热力学特性，并解释了此前的一级磁光阱冷却的结果。第二 我们研究了二级磁光阱的动力学特性和热力学特性
7、，通过分析我们发现在二级磁光阱的多普勒冷却机制根据动力学特性可以分为两种情 况,第一是重力可以忽略的情况，第二种是重力需要考虑的情况。在这两种情况下，其热力学特性也不同。根据分析结果我们计算了原子温度和磁光阱参数的关系。第五章我们研究了钟频光位移的抑制的物理 机制和冷镱原子的控制系统。第一，我们从微扰理论出发推导出原子在光场作用下的极化率公式并根据光位移的表达式我们初步计算了 镱原子的最佳波长。同时，我们还计算了一维和三维光晶格的囚禁势 第二，我们研究了如何在实现对冷却系统实行一体化的控制。在声光 调制器，机械开关等控制执行元件的基础上，我们利用多功能数据采集 卡以及相关软件平台设计了一套有机
8、的控制系统。 第六章我们研究了 在磁光阱多普勒冷却的基础上进一步将镱原子温度冷却到更低并最终将原子冷却到运动零点能的冷却方案。第一，我们介绍了镱原子在光晶格中的相互作用机制，以及其对光晶格原子钟的不确定度的影 响。第二，我们介绍了边带冷却的原理以及使用钟频跃迁进行边带的 物理机制。第三，我们首先介绍了拉曼跃迁的原理，接下来我们研究了 如何通过最佳波长光晶格产生拉曼耦合以及使用拉曼耦合进行边带冷却的方案。根据分析结果，我们预测这种冷却方案可以将原子冷却 到运动基态，温度可以冷却到1以下。这种边带冷却技术和绝热冷却技术结和可以应用于光晶格钟。最后在第七章中，我们对本文主要研究工作进行了概括性总结，
9、并在此基础上，对未来的发展进行了展 望。【关键词】：镱原子光钟二次谐波产生三硼酸锂掺氧化镁铌酸锂波 导多普勒冷却边带冷却光晶格【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2011【分类号】：0562【目录】：摘要6-9Abstract9-15第一章绪论15-301.1研究背景15-211.2镱原子光钟的发展状况21-241.3镱原子冷却系统的组成和原理 24-281.4本文主要内容28-30第二章镱原子一级冷却激光系统的设计30-512.1简介30-322.2双轴晶体中二次谐波产生理论分析32-362.3LiB_3O_5晶体中二次谐波产生399nm激光的优化设计36-49
10、2.3.1晶体参数的优化设计36-382.3.2激光谐振腔的优化设38-442.3.3输入激光光束模式与谐振腔模式的匹配44-452.3.4谐振腔的阻抗匹配45-472.3.5锁定谐振腔与激光频率47-492.4本章小结49-51第三章镱原子二级冷却激光系统的研制51-693.1简介51-533.2周期极化的掺氧化镁铌酸锂波导倍频1111.6nm激光53-643.2.1实验装置53-543.2.2掺氧化镁铌酸锂波导中的光学非均匀性54-583.2.3大基波功率条件下的二次谐波产生58-643.3555.6nm激光频率的稳定64-683.3.1实验装置介绍64-653.3.2原子荧光光谱65-6
11、83.4本章小结68-69第四章镱原子磁光阱冷却的理论分析69-834.1简介69-704.2多普勒冷却的理论机制70-814.2.1磁光阱的组成及其基本原理70-724.2.2镱原子1S_ 1P_1宽谱线磁光阱 72-744.2.3镱原子 1S_ 3P_1窄谱线磁光阱74-814.3本章小结81-83第五章镱原子的光晶格囚禁和冷镱原子光学系统的控制83-955.1简介83-845.2最佳波长的计算84-885.2.1光频移效应84-875.2.2光晶格势87-885.3冷 镱原子的控制系统88-935.3.1声光调制器原理88-915.3.2两次通过型 声光调制器系统91-925.3.3激光冷却的控制92-935.4本章小结93-95第六章镱原子的深度冷却95-1116.1简介95-976.2拉曼边带冷却irab-论文塩表吉欣97-110621边带冷却原理97-101622受激拉曼跃迁101-1026 23镱原子超精细能级结构102-1046 24拉曼耦合的产生及边带冷却 104-1106.3本章小结110-111第七章总结与展望111-1157.1博士期间研究工作总结 111-1137.2论文展望 113-115附录 A115-117附录B117-118参考文献118-126发表和待发表论文126-127致谢127-128本论文购买请联系页眉网站。