用于锶原子光钟永磁体塞曼减速器设计

谢玉林，卢本全，王叶兵，常宏



用于锶原子光钟永磁体塞曼减速器设计

谢玉林1,2,3，卢本全1,2,3，王叶兵1,2，常宏1,2

（1. 中国科学院国家授时中心, 西安 710600；2. 中国科学院时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049）

研究用于锶原子光钟的永磁体塞曼减速器，根据实验条件计算88Sr原子束塞曼减速器的磁场分布，将起始速度为410m/s的锶原子减速至50m/s，经过横向磁场的原子通量为7.9×105。基于永磁体制作的塞曼减速器，可靠性高、体积小、重量轻，磁场分布可调，而且无需高电流和水冷装置，实现了永磁体塞曼减速器的小型化。

原子冷却；多普勒频移；塞曼减速器

0 引言

实现Sr冷原子光晶格钟需要产生大量的超低温Sr原子，通常由几个阶段的激光冷却过程来达到降低原子温度的目的，其中最重要的阶段是原子束经塞曼减速器减速后被囚禁在磁光阱中。原子束进入磁光阱前的冷却程度决定了磁光阱的工作效率，即原子载入率[1]。传统的塞曼减速器中，梯度磁场是由通电线圈产生的[2]，磁感应强度是通过电流控制的。传统的塞曼减速器制作简易、效率比较高，但受发热量大需水冷以及体积、质量和功耗都相对较大等因素的限制，不利于实现系统的小型化，特别是不利于实现可搬运体系的空间光钟。因此通过设计体积小、重量轻、功耗低的塞曼减速梯度磁场来获得低温原子，对锶光钟的实现显得尤为重要。目前，高精密原子光谱实验的研究[3]、玻色-爱因斯坦凝聚实验[4]以及冷原子频标研制[5]等都需要慢速原子束。

永磁体塞曼减速器[6]的主要思想是在原子行进路程上设计一个随空间位置变化的磁场分布，由于原子的塞曼能级位移会使得原子束的本征频率随空间位置变化，在减速激光频率不变的情况下光子与原子保持共振相互作用，从而有效地减少原子的运动速度。本文主要基于永磁体设计并制作小型塞曼减速器，补偿多普勒效应引起的变化，使锶原子束与减速激光保持持续共振，将起始速度为410m/s的锶原子减速至50m/s。此永磁体塞曼减速器具有体积小、重量轻等优点，且无需外加电源不会产生多余热量，这就提高了锶光钟系统的可靠运行能力，进而满足了空间站的应用要求。

1 基本原理

假设原子是匀速运动，因锶原子束在共振激光作用下的加速度为[9]

图1 磁偶极子在任意点P处的磁失势

2 永磁体塞曼减速器的构造

永磁体构成的永磁体塞曼减速器结构示于意于图2。图2中箭头表示每个永磁体内部由S指向N的磁场方向。为获得实验所需的磁场分布，采用关于轴对称的12对磁偶极子。

图2 磁偶极子结构示意图

表1 永磁体塞曼减速器主要参数

式（8）中，，是单位时间内离开原子炉进入减速器的原子数目，本实验中。计算得锶原子装载率随减速器长度变化的曲线，如图3所示。

实验设计塞曼减速器的总长=20cm，根据上述计算结果，联立式（2）和式（3），进而计算得的磁感应强度分布曲线如图4所示。从图4中可以看出，所需的梯度磁场变化范围是-227~300G，零点磁场在=8.66cm处，满足实验要求。

图4 计算得的磁感应强度曲线

3 实验结果

表2 各对永磁体的坐标和高度

图6 理论计算与实际测量的磁感应强度分布

表3 永磁体位置（实验结果）

4 结语

塞曼减速器是一种高效的原子束减速装置，对磁场的要求很高。本文基于永磁体设计的塞曼减速器具有结构简单、性能好、体积小、调节方便等优点。相对于基于通电线圈设计的塞曼减速器，永磁体塞曼减速器不仅无需精密电源供电和水箱进行水冷，而且有效减速的范围大，实际效果明显，符合高精度锶光钟研究的要求，为未来空间光钟的实现奠定了一定的基础。

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Designing a permanent Zeeman slower for Sr optical clock

XIE Yu-lin1,2,3, LU Ben-quan1,2,3, WANG Ye-bing1,2, CHANG Hong1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Transverse Zeeman slower composed of an array of permanent magnets is investigated for Sr optical clock. We calculated the magnetic field distribution of88Sr atoms based on experimental condition, achieving a reduction of the velocity of atoms from 410m/s to 50m/s. The atoms flux through the transverse magnetic field was 7.9×105. Such permanent Zeeman slower needs no high currents or water cooling and the spatial distribution of its magnetic field can be adjusted. Another advantage of this Zeeman slower is its small size and high reliability. Therefore, a miniature Zeeman slower can be attained.

atom cooling; Doppler shift; Zeeman slower

TM935.115

A

1674-0637(2014)03-0129-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-03-0129-08

2013-12-27

国家自然科学基金资助项目（11074252，61127901，61025023）；中国科学院重点部署资助项目（KJZD-ED-W02）

谢玉林，女，硕士研究生，主要从事锶冷原子光钟研究。