磁场对冷镱原子光钟稳定度的影响

作     者：娄格 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐信业

授予年度：2019年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 070203[理学-原子与分子物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：镱原子光钟 磁场 闭环锁定 稳定度 塞曼频移 

摘      要：近几年里,原子光频标即“光钟一直被视为时频标准的未来。光钟可以分为离子光钟与中性原子光钟。目前,离子光钟与中性原子光钟,均提供了数量级比最好的微波标准更高的频率稳定性和不确定度指标。此外,光频的传输现在可以以高稳定性比较和同步现有的微波时频标准。基于光钟的时频标准,有望在未来更精确地定义国际单位制中七个基本物理量之一“秒。除了建立更加准确的时间频率标准,通过对光钟的运用,还可以进行一系列基础物理学、测地学、卫星导航定位等领域的研发工作。华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室已经成功研制两套冷镱原子光钟。冷镱原子光钟属于中性原子光钟,其得益于光晶格技术,可以大大减少量子投影噪声带来影响,提高信噪比。在具有核自旋的冷原子光钟中,环境杂散磁场的起伏引起的塞曼频移是影响光钟性能的重要因素;同时,磁场漂移会使光钟闭环锁定的稳定度降低,且直接可能导致失锁,这对频率的长期锁定十分不利。而且,中性原子光钟的整体装置比离子光钟复杂,不易直接增加屏蔽层,所以在磁场变化较大的环境中性原子光钟钟跃迁谱线易受到影响。因此,杂散磁场的主动补偿成为提高中性原子光钟稳定性的可行方式。美国NIST通过每五分钟停止反馈,消除腔中心的剩余磁场,以优化钟跃迁探测信号强度。但该方案会增加频率锁定过程中的死时间,影响测量的稳定性。日本RIKEN小组通过腔内直接探测原子处磁场,并进行补偿的方式。但该腔内探测的方案会影响光钟的持续锁定。本小组采用实时监测反馈的方案,通过在实验真空腔附近的高灵敏度磁场计探测背景磁场噪声起伏,反馈控制补偿线圈电流,从而实现环境磁场的补偿,以避免在光钟钟跃迁锁频阶段引入时间延迟。结合实验数据,运用仿真分析磁场性质及其对光钟稳定性的影响,拟采用三维补偿线圈对环境磁场的抖动进行实时补偿,构成磁场反馈系统,以减小环境杂散磁场对光钟稳定性的影响。另外,本文结合两套冷镱原子光钟闭环锁定及比对的实验数据,对光钟的剩余一阶塞曼频移和二阶塞曼频移分别进行了评估,得出了其对应不确定度分量的评估方法和评估结果,其中的主要项,二阶塞曼频移的相对不确定度达到10量级。