小型化锶原子束系统的研制1

付理想，谢玉林，韩建新，4，常宏，张首刚

小型化锶原子束系统的研制1

付理想1，2，谢玉林1，3，韩建新1，3，4，常宏1，4，张首刚1，4

（1.中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；2.河南师范大学，新乡 453007；3.中国科学院大学，北京 100049；4.中国科学院 国家授时中心，西安 710600）

通过实验完成了对锶原子束锁频系统的小型化研制，系统的长度由85 cm小型化至45 cm，真空腔窗口的直径由35 mm减至16 mm，真空管法兰接口的规格CF35换成了CF16。采用激光诱导荧光的方法测量小型化系统热原子束的原子通量。通过对探测器响应效率的测量，将对荧光功率的测量转化成探测器响应电压的测量。由于原子通量与荧光功率成正比例关系，因此进而得到热原子束的原子通量。实验测得该小型化系统的原子通量满足锶原子光晶格钟实验需求。

锁频系统；原子通量；响应效率；小型化

0　引言

时间是七个基本物理量之一，在社会发展和人们的生产、生活中起着至关重要的作用。人们对时间的探索从未停止过。对光学频率标准[1]的研究始于20世纪60年代，随着半导体激光器[2]以及飞秒光梳的发明及相继应用，光钟[3]的研究得到迅猛发展，其不确定度已经达到10-18量级。由于其潜在的性能优势，光钟有望成为国际新一代时间频率基准。

在众多碱土金属原子的研究中，用于冷却锶原子的光源容易实现且可以方便地进行激光冷却[4]，所以锶原子被广泛地作为冷原子样品的制备对象用于光钟的研制。锶原子光晶格钟[5]锁频系统是将461 nm激光器的频率锁定在原子的偶极跃迁谱线上，达到稳定激光频率的目的。锶原子的熔点为769℃，常温下呈固态，而且在空气中易氧化，实验上需要制备高准直度的锶原子束，所以需要将其置于真空环境中进行加热和准直。目前我们实验室的锁频系统长度是85 cm，为了适应空间站的要求，减小系统的体积及能耗，实验所研制的锁频系统总长是45 cm，完成了对锁频系统的小型化。实验中用激光诱导荧光的方法完成了小型化的锁频系统原子通量的测量[6]，测量得到的原子通量值满足锶原子光晶格钟的实验需求。

1　实验装置与理论分析

1.1锶热原子束装置

实验上测量小型化锁频系统的原子通量实验装置如图1（a）所示。系统分为3部分：锶炉、离子泵、真空腔。图1（a）中锶炉部分的真空管长是10 cm，其左端用CF16的盲法兰封闭，另一端与四通相连，固体锶置于真空管的最左端，约占真空管长度的2/5。图1（b）是实验制备高准直度的锶原子束需用的准直器实物图。准直器由176根毛细准直管和准直管组成，毛细准直管放置在准直管的准直槽内，其中毛细准直管的内径0.3 mm，外径0.51 mm，长12 mm，准直管长100 mm，每个槽的宽度是1 mm。放置准直器时，使准直管的槽垂直于平台，如图1（b）所示放置方向，放有毛细准直管的一端放置在锶炉内，离固体锶的距离约1 cm。锶炉外部缠绕着加热丝，加热丝长160 cm，阻值10 Ω，同时给固体锶和毛细准直管加热。加热丝的外面包有耐高温的保温材料，确保锶炉保持恒温，形成原子加热炉。锶原子加热炉温度的稳定性是实验中影响实验结果的重要因素，基于温控仪使用寿命及炉温稳定性两方面的考虑，实验上设置温控仪温度波动±2℃。

图1　测量原子通量的实验装置

实验采用GammaVacuum公司的型号为40 L/s的离子泵，通过CF16—CF35的两通与四通连接，用以维持整个系统的真空度，使真空度处在超高真空范围内。

小型化的锁频系统有2个相同的六面体无磁不锈钢真空腔，真空腔每个窗口的直径都是16 mm，其中2个相对的窗口与真空管或角阀相连，其余4个均为镀膜的石英玻璃窗口，作为通光窗口或探测窗口。实验通过2种不同能级间的跃迁测量锁频系统的原子通量：一种是利用偶极跃迁（自然线宽32 MHz，对应波长461 nm）进行测量；另一种是利用互组跃迁（自然线宽7.5 kHz，对应波长689 nm）进行测量[7]。2个腔可以同时分别测量偶极跃迁和互组跃迁的荧光谱线，2个腔的距离较近，原子通量差别很小，避免了不同实验条件，比如温度、真空等对实验结果的影响。

图2　测量原子通量相关能级图

实验用461 nm激光器是NewFocus公司生产的型号为TLB-6802的半导体激光器，其额定输出功率是40 mW，线宽小于200 kHz。461 nm激光器输出功率稳定，易调节，而且体积小：长11.5 cm，宽9 cm，高9.5 cm。689 nm激光器是北京奥普光太科技有限公司生产的外腔半导体激光器。图3是用于测量热原子束通量的光路示意图，其中λ/2是半波片；OI（optical isolator）是光隔离器；PBS（polarizedbeamsplitter）是偏振分束棱镜；PD（photodiode）是光电探测器。

图3　测量原子通量的光路图

461 nm激光器输出的激光经过λ/2和OI，再经过λ/2后被PBS 1分为两束，一束经扩束后输出到通光窗口与热原子束作用，另一束输出给型号为WS-6的波长计，监视激光器的输出波长。689nm激光器输出的激光经过λ/2和OI，再经过λ/2后被PBS2分为两束，一束输出给波长计，另一束经λ/2后被PBS3分为两部分，一部分经扩束后输出到通光窗口与热原子束作用，一部分输出给光学参考F-P（fabry-perot）腔，监视输出激光的模式。输出给通光窗口的激光经3.33倍的扩束透镜后，461nm激光入射光斑的直径约是6 mm，689 nm激光入射光斑的直径约是11 mm。激光经扩束后垂直打入由锶炉喷出的热原子束中，激光与热原子束作用发出荧光。实验上研制出了利用3片平凸透镜组成的荧光收集透镜组装置，该透镜组具有大通光孔径，足够小的横向放大率绝对值和像差，提高了荧光收集效率[8]。用光电探测器PD探测其荧光强度，所用探测器是一款高信噪比，高增益，偏置可调的荧光谱探测系统，其增益为106V/W量级。

1.2理论分析

锶炉中饱和蒸气压P与温度T的关系式[9]为

式（1）中，T为原子蒸气的温度。根据气体原子密度n与气体压强的关系式为玻尔兹曼常量），可得经准直器喷射出来的原子通量的表达式[10]为

式（2）中，r为组成准直器的毛细准直管的半径，L为毛细准直管的长度，tN是毛细准直管的数目，α是原子的最概然速率，表达式如下：

式（3）中，m是原子质量。由式（2）可得到不同温度下原子通量的理论值。

实验上用激光诱导荧光法来测量不同温度下原子的通量。用半导体激光器发射出的激光与热原子束垂直作用，原子受激吸收光子从基态跃迁到激发态，处于激发态的原子不稳定，会自发辐射回到基态，并发出荧光。首先利用探测器测量荧光信号的功率，得到探测器响应电压；然后根据实验测量的探测器响应电压与光功率的关系，可以算出探测到的荧光功率；最后由探测到的荧光功率占总荧光功率的比例关系，得到激光与原子束作用的总荧光功率。根据荧光功率与原子通量成正比例关系，进而计算得到原子通量。

在光场作用下锶原子向空间4π立体角内发射出荧光，而探测器只能探测到部分荧光信号SP，所以我们还要再利用空间比例关系来计算出荧光信号的总功率P。其比例关系式为

式（4）中，r是玻璃窗口的半径，L是原子束与激光相交区域的中心到透镜组靠近窗口第一个透镜的距离。

原子通量[11]为

式（5）中， ħω是单光子的能量。ΓSC是单个原子对光子的散射率，其表达式为

2　实验结果

图4　荧光强度随激光失谐量的变化

由于该锁频系统的长度较短，真空管对原子束的发散角没有影响，原子束的发散角只与准直器的结构有关。在探测荧光谱线时，激光的方向是与原子束垂直的，并且与准直管的准直槽垂直，多普勒频移只与原子束的横向发散角有关。图5是准直器的截面示意图。图5中，L是准直管的长度，D是准直槽的宽度，θ0是与准直器无碰撞的热原子经过准直器的最大发散角。

图5　准直器的截面示意图

从理论上计算，锶炉产生的热原子束经过准直器后，原子束横向最大发散角约为20 mrad。假设原子束的对称轴是z轴，激光沿x方向垂直入射到原子束，则一阶多普勒频移是

实验上直接测量探测器的响应电压与入射光功率的关系曲线，由于探测器非常灵敏，所以在激光入射到光电二极管之前，对461 nm激光功率和689 nm激光功率进行20 000倍的衰减，所用光功率计是Newport的1918-R高性能手持式光功率计，分辨率是±0.2%，探测器测量范围是200～1 800 nm。其测量结果如图6所示。

图6　探测器的响应曲线

图6（a）是461nm激光探测器响应曲线，图6（b）是689 nm激光探测器响应曲线。圆点是实验中实际测量的值，直线是拟合得出的探测器响应曲线。实验上测得的荧光功率在探测器响应曲线的功率范围之内，满足实验需求。461 nm激光探测器响应电压 u1（v）与荧光功率 P1（nw ）之间及689 nm激光探测器响应电压 u2（v）与荧光功率 P2（nw ）之间的曲线方程式分别如（8）和（9）所示：

实验中不同温度下激光与原子作用发出不同强度的荧光，不同荧光强度反映探测器响应电压的不同，将实验测得的探测器响应电压代入式（8）～（9），根据空间比例式（4）得到总荧光强度随锶原子炉温度变化的数据示于表1。

表1　不同锶炉温度时的荧光强度

小型化锁频系统玻璃窗口的半径r=8 mm，原子束与激光相交区域的中心到荧光收集透镜组的距离L=33.5 mm。461 nm激光实际的入射光强是1I=1.365μ W/cm2，入射激光面积25 mm2的线偏振光；689 nm激光实际入射光强2I=2.969m W/cm2，入射激光面积105mm2的线偏振光。将测得的荧光强度和以上数据代入原子通量计算式（5）中，可以得到原子通量随温度变化的实验值。将小型化锁频系统的各参数代入式（2）可得原子通量的理论值。其结果如图7所示。

图7　原子束通量随原子蒸气温度的变化

3　结语

通过实验完成了对锶原子束小型化锁频系统的研制，将锁频系统的长度由85 cm小型化至45 cm，缩小了真空腔窗口及真空管孔径的大小，更高准直度准直器的使用，使得从理论上计算得到原子束横向最大发散角约为20 mrad。激光诱导荧光法是实验中测量热原子束通量常用的方法，通过直接测量探测器响应电压与荧光功率的关系，由直接测得的探测器响应电压得到荧光功率，进而计算得到原子通量。实验中测量得到的原子通量值满足锶原子光晶格钟的实验需求。

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Preparation of a miniaturized strontium atomic beam system

FU Li-xiang1，2，XIE Yu-lin1，3，HAN Jian-xin1，3，4，CHANG Hong1，4，ZHANG Shou-gang1，4
（1.Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards，National Time Service Center，ChineseAcademy of Sciences，Xi′an 710600，China；2.Henan Normal University，Xinxiang 453007，China；3.University of ChineseAcademy of Sciences，Beijing 100049，China；4.National Time Service Center，ChineseAcademy of Sciences，Xi′an 710600，China）

A miniaturized strontium atomic beam frequency-locking system has been developed experimentally.The length of the system has been reduced from 85 cm to 45 cm，the diameter of vacuum chamber window has been reduced from 35 mm to 16 mm and the vacuum flange interface specification CF35 has been replaced by CF16.The atomic flux of the thermal atomic beam for the miniaturized system was measured with the method of laser induced fluorescence.The measurement of the fluorescence power was converted into the measurement of the detector response voltage through measuring the efficiency of the detector response.The atomic flux of thermal atomic beam was obtained，since the atomic flux is proportional to the fluorescence power.The measured atomic flux for the miniaturized system meets the demand from the experiment of strontium atom optical lattice clock.

frequency locking system；atomic flux；response efficiency；miniaturization

TM935.1

A

1674-0637（2015）04-0201-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-04-0201-08

2015-03-26

国家自然科学基金资助项目（Y133IK1101）

付理想，女，硕士研究生，从事锶原子光钟研究。