应用慢速原子束制备冷原子粘团的研究

陈江，张辉，阮军，王心亮，刘丹丹，张首刚



应用慢速原子束制备冷原子粘团的研究

陈江1,2，张辉1,3，阮军1,4，王心亮1,4，刘丹丹1,4，张首刚1.4

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院研究生院，北京 100039； 3. 西北大学 光子学与光子技术研究所，西安 710069； 4. 中国科学院时间频率基准重点实验室，西安 710600）

冷原子粘团的制备是喷泉钟研制的关键步骤之一。通过慢速原子束加载获得冷原子粘团，应用荧光收集法测量了冷原子粘团的原子数目，采用飞行时间法测量了冷原子粘团温度。冷原子粘团中原子数目在加载时间200ms的情况下为（8.14±0.2）×107，温度为（10.72±0.69）μK。

冷原子粘团；慢速原子束；冷原子数目；冷原子温度

0 引言

Cs原子喷泉钟是目前世界上精度最高的基准型原子钟，其准确度和日稳定度均已进入10-16量级[1]。提高喷泉钟频率稳定度性能的措施之一是缩短其循环周期[2]。冷原子粘团加载时间在喷泉钟循环周期中占有较大比重。一般获得冷原子粘团的方法是通过磁光阱直接从原子蒸汽中收集和冷却原子得到原子粘团[3]。这种方法加载时间长，且只能捕获速度较低的原子，原子的利用率小于十万分之一。在探测区弥散的原子气体与激光作用后发出杂散背景荧光，增加了冷原子跃迁几率探测噪声，降低了喷泉钟的稳定性。同时，由于磁光阱中原子密度大，原子碰撞频移大，又影响了喷泉钟的不确定度。利用慢速原子束和光学阱制备原子粘团，可以在较短时间内获得原子数量大、密度低的冷原子粘团。

本文介绍了利用慢速原子束制备冷原子粘团的实验，研究了冷却光特质对制备冷原子粘团的影响，给出了冷原子粘团原子数目及温度测量结果。

1 冷原子粘团的制备

实验原理如图1所示，4束对射准直的圆偏振激光束与梯度磁场共同作用形成二维磁光阱（2 dimensionmagneto optical trap，2D MOT），实现对从铯炉中扩散出的133Cs原子二维冷却，形成慢速原子束。在推射激光的作用下慢速原子束进入三维冷原子粘团区（3 dimensionoptical molasses，3D OM）。在3D OM的6束冷却光的交汇处，慢速原子束受到三维阻尼力的作用，从而在，，这3个方向都得到减速，使其速度降低，形成冷原子粘团。

图1 2D MOT装载冷原子粘团实验原理

本实验装置的3D OM由一整块合金铝加工而成。3D OM体上6个定位角度面相互垂直，与竖直轴成54°44′23"，机械误差小于1′。3D OM共有14个窗口，其中6个窗口为冷却光窗口；5个观察窗口；1个窗口与2D MOT冷原子束通道相连；上下各一个窗口分别连接喷泉钟物理系统的选态区和探测区。3D OM玻璃窗用铟丝封装，构成了3D OM的真空腔体。真空由一台美国Gamma公司产的离子泵（40 L/s）保持，真空度优于3×10-7Pa。

激光冷却系统包括1台主激光器及2台从激光器。主激光器为自主研制的抗振外腔半导体激光器[4]，利用饱和吸收谱技术将频率锁定在铯原子D2的跃迁谱线F＝4→F′＝5上。2台从激光器采用JDSU公司生产的5400系列激光二极管。激光冷却系统为冷原子粘团的制备提供冷却和抛射光。主激光器产生的出射光注入锁定从激光器，从激光器输出光分别馈入2个一分三保偏光纤分束器，产生上下各3束功率相等且偏振正交的6束冷却光。6束冷却光通过准直镜扩束形成光斑直径为20 mm、功率为6.2 mW的冷却光，导入3D OM区冷却原子。

1.1 冷却光注入系统的调校

图2 准直镜结构示意图

1.1.1 出射功率的利用率和稳定性

当保偏光纤的偏振方向与偏振分光棱镜1（PBS1）透射光偏振方向一致时，光纤受应力及温度变化而引起出射光功率的波动影响最小，此时PBS1后的光功率也最大。旋转光纤适配器调整光纤偏振方向与PBS1的偏振方向间夹角，并通过光功率计观测使得出射光功率最大。同时人为扰动光纤，观测其出射光最大和最小功率，保证光功率稳定性能优于96%。调校6个镜筒出射功率，其结果如表1所示。

表1 调整后准直镜扩束光斑功率

1.1.2 光斑的均匀性

图3 出射光功率在2个正交轴上的分布

1.1.3 光束的垂直性

当光纤输出点光源轴向与透镜轴向不重合时，经透镜准直后光束波矢将与镜筒机械轴向产生一定的夹角，使得出射光产生上抛原子的合作用力偏离竖直方向。在参考面上设置一0°全反平面镜，并在准直镜出光处安装一小孔光阑。调节光纤适配器使得从小孔光阑出射的激光束经0°全反镜反射返回小孔光阑。经调校后准直镜出射光的波矢与镜筒机械轴偏差＜0.3′。

1.1.4 光束的准直性

光束准直性的好坏直接影响冷却光驻波的质量。通过改变光纤适配器与准直镜内复合透镜之间的距离来调节输出光束的准直性，并通过剪切干涉仪来测量光斑的准直性。若被检光束完全准直，则干涉条纹平行于剪切方向；若光束发散或汇聚，则条纹将发生旋转。准直镜调整后准直性满足要求，其结果如图4所示，由图计算得光束发散角小于0.1×10-3rad。

图4 准直镜准直性调校结果

2 原子数目的测量

通过所述实验，实现了冷原子粘团的制备。观察到的冷原子团的原子云图像如图5所示。冷原子粘团形成在3D OM的中心部位，直径约为6 mm。

图5 通过CCD观察到的冷原子粘团

应用荧光收集法[6-7]计算获得的冷原子粘团中的原子数。由光电探测器接收的冷原子粘团荧光功率为

对于冷原子粘团中的冷原子，单个原子辐射荧光的几率与激光的光强、失谐量有关，关系为[8]

利用式（1）冷原子粘团中原子数目可以表示为

图6 冷原子粘团原子加载过程

为进一步优化实验参数，研究了不同参数对冷原子粘团中原子数的影响。图7（a）所示为荧光信号随冷却光失谐量的变化，从图7（a）可知，原子数先随冷却光失谐量的增大而增多；当冷却光失谐量在-14.3 MHz的时候，冷原子粘团中原子数达到最大；继续增大冷却光的失谐量，冷原子粘团中的原子数反而降低。在失谐量为-14.3 MHz的条件下，测量了荧光信号随冷却光功率的变化如图7（b）所示，从图7（b）可知冷原子粘团中原子数随冷却光光功率的增大而变大，当冷却光功率达到8 mW时原子数趋近饱和。最佳的实验参数为冷却光失谐-14.3 MHz，光功率8 mW。

图7 荧光信号随不同参数的变化

3 温度测量

冷原子粘团由初始位置膨胀并自由下落到达探测区时，得到的探测光对冷原子的荧光信号表达式为[11]

实验中，通过对减速光、俘获光进行同步开关时序控制，冷原子粘团得到相应的俘获和释放，图8是在＝17cm处测量得到的冷原子粘团的飞行时间信号，经拟合得到其温度＝（10.72±0.69）μK。进一步的工作是对冷原子样品实验参数进行优化，并通过后冷却进一步降低冷原子样品温度，获得温度更低的冷原子样品。

图8 飞行时间法测定的133CS铯原子飞行信号

4 结语

本文介绍了通过慢速铯原子束制备冷原子粘团，并通过荧光收集法及飞行时间法测量了冷原子粘团中铯原子数为（8.14±0.2）×107，温度为（10.72±0.69）μK，得到的实验结果达到了预期要求；同时还测量了荧光信号强度随冷却光失谐量及冷却光功率的变化关系。本文工作为进一步对各参数进行优化以便得到原子数更多，温度更低的冷原子粘团的工作提供了研究基础，同时也为下一步对冷原子粘团进行后冷却、上抛、实现Ramsey跃迁等工作奠定了技术基础。

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Optical molasses loaded from a slow atomic beam

CHEN Jiang1,2, ZHANG Hui1,3, RUAN Jun1,4, WANG Xin-liang1,4, LIU Dan-dan1,4, ZHANG Shou-gang1,4

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Institute of Photonics & Photon technology, Northwest University, Xi′an 710069, China;4. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standard, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

Preparation of the optical molasses is one of the key steps for developing a fountain clock. The optical molasses is loaded from a slow atomic beam, and the fluorescence collection method is applied to determine the number of atoms in the optical molasses, meanwhile the time-of-flight(TOF) method is used to measure the temperature of the optical molasses. The number of cold atoms in the optical molasses for loading time of 200 ms is determined to be (8.14±0.2)×107, and the temperature of cold atoms is determined to be (10.72±0.69) μK.

optical molasses; slow atomic beam; number of cold atoms; temperature of cold atoms

TM935.11

A

1674-0637(2012)04-0193-08

2012-04-20

中国科学院重大科技基础设施开放研究资助项目（29Y005DK0001）；国家杰出青年科学基金资助项目（1025023）

陈江，男，硕士研究生，主要从事铯原子喷泉钟方面的研究。