謝玉林，盧本全，王葉兵，常宏

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用于鍶原子光鐘永磁體塞曼減速器設(shè)計(jì)

謝玉林1,2,3，盧本全1,2,3，王葉兵1,2，常宏1,2

（1. 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心, 西安 710600；2. 中國科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

研究用于鍶原子光鐘的永磁體塞曼減速器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件計(jì)算88Sr原子束塞曼減速器的磁場(chǎng)分布，將起始速度為410m/s的鍶原子減速至50m/s，經(jīng)過橫向磁場(chǎng)的原子通量為7.9×105?；谟来朋w制作的塞曼減速器，可靠性高、體積小、重量輕，磁場(chǎng)分布可調(diào)，而且無需高電流和水冷裝置，實(shí)現(xiàn)了永磁體塞曼減速器的小型化。

原子冷卻；多普勒頻移；塞曼減速器

0 引言

實(shí)現(xiàn)Sr冷原子光晶格鐘需要產(chǎn)生大量的超低溫Sr原子，通常由幾個(gè)階段的激光冷卻過程來達(dá)到降低原子溫度的目的，其中最重要的階段是原子束經(jīng)塞曼減速器減速后被囚禁在磁光阱中。原子束進(jìn)入磁光阱前的冷卻程度決定了磁光阱的工作效率，即原子載入率[1]。傳統(tǒng)的塞曼減速器中，梯度磁場(chǎng)是由通電線圈產(chǎn)生的[2]，磁感應(yīng)強(qiáng)度是通過電流控制的。傳統(tǒng)的塞曼減速器制作簡易、效率比較高，但受發(fā)熱量大需水冷以及體積、質(zhì)量和功耗都相對(duì)較大等因素的限制，不利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，特別是不利于實(shí)現(xiàn)可搬運(yùn)體系的空間光鐘。因此通過設(shè)計(jì)體積小、重量輕、功耗低的塞曼減速梯度磁場(chǎng)來獲得低溫原子，對(duì)鍶光鐘的實(shí)現(xiàn)顯得尤為重要。目前，高精密原子光譜實(shí)驗(yàn)的研究[3]、玻色-愛因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)[4]以及冷原子頻標(biāo)研制[5]等都需要慢速原子束。

永磁體塞曼減速器[6]的主要思想是在原子行進(jìn)路程上設(shè)計(jì)一個(gè)隨空間位置變化的磁場(chǎng)分布，由于原子的塞曼能級(jí)位移會(huì)使得原子束的本征頻率隨空間位置變化，在減速激光頻率不變的情況下光子與原子保持共振相互作用，從而有效地減少原子的運(yùn)動(dòng)速度。本文主要基于永磁體設(shè)計(jì)并制作小型塞曼減速器，補(bǔ)償多普勒效應(yīng)引起的變化，使鍶原子束與減速激光保持持續(xù)共振，將起始速度為410m/s的鍶原子減速至50m/s。此永磁體塞曼減速器具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，且無需外加電源不會(huì)產(chǎn)生多余熱量，這就提高了鍶光鐘系統(tǒng)的可靠運(yùn)行能力，進(jìn)而滿足了空間站的應(yīng)用要求。

1 基本原理

假設(shè)原子是勻速運(yùn)動(dòng)，因鍶原子束在共振激光作用下的加速度為[9]

圖1 磁偶極子在任意點(diǎn)P處的磁失勢(shì)

2 永磁體塞曼減速器的構(gòu)造

永磁體構(gòu)成的永磁體塞曼減速器結(jié)構(gòu)示于意于圖2。圖2中箭頭表示每個(gè)永磁體內(nèi)部由S指向N的磁場(chǎng)方向。為獲得實(shí)驗(yàn)所需的磁場(chǎng)分布，采用關(guān)于軸對(duì)稱的12對(duì)磁偶極子。

圖2 磁偶極子結(jié)構(gòu)示意圖

表1 永磁體塞曼減速器主要參數(shù)

式（8）中，，是單位時(shí)間內(nèi)離開原子爐進(jìn)入減速器的原子數(shù)目，本實(shí)驗(yàn)中。計(jì)算得鍶原子裝載率隨減速器長度變化的曲線，如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)塞曼減速器的總長=20cm，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，聯(lián)立式（2）和式（3），進(jìn)而計(jì)算得的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，所需的梯度磁場(chǎng)變化范圍是-227~300G，零點(diǎn)磁場(chǎng)在=8.66cm處，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖4 計(jì)算得的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 各對(duì)永磁體的坐標(biāo)和高度

圖6 理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

表3 永磁體位置（實(shí)驗(yàn)結(jié)果）

4 結(jié)語

塞曼減速器是一種高效的原子束減速裝置，對(duì)磁場(chǎng)的要求很高。本文基于永磁體設(shè)計(jì)的塞曼減速器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能好、體積小、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于基于通電線圈設(shè)計(jì)的塞曼減速器，永磁體塞曼減速器不僅無需精密電源供電和水箱進(jìn)行水冷，而且有效減速的范圍大，實(shí)際效果明顯，符合高精度鍶光鐘研究的要求，為未來空間光鐘的實(shí)現(xiàn)奠定了一定的基礎(chǔ)。

[1] MU Ren-wang, JI Xian-ming, YIN Jian-ping. Double-layer optical-trap arrays for trapping cold atoms or molecules[J]. Acta Optica Sinica, 2009, 29(3): 822-826.

[2] BOBER M, ZACHOROWSKI J, GAWLIK W. Designing Zeeman slower for strontium atoms towards optical atomic clock[J]. Optica Applicata, 2010, 40(3): 547-556.

[3] LEVY D H. Laser spectroscopy of cold gas-phase molecules[J]. Ann. Prv. Phys. Chem., 1980, 31: 197-225.

[4] SIMON S, MENG K T, HUANG Bo, et al. Bose-Einstein condensation of strontium[J]. Phy. Rev. Lett., 2009, 103(20): 200401.1-200401.4.

[5] COURTILLOT I, QUESSADA A, KOVACICH R P, et al. Cold strontium atoms for an optical frequency standard[J]. IEEE Trans. Instrum. Meas., 2003, 52(2): 255-257.

[6] PHILLIPS W D, METCALF H . Laser deceleration of an atomic beam[J]. Phys. Rev. Lett, 1982, 48(9): 596-599.

[7] 王義遒. 原子的激光冷卻與陷俘[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2007.

[8] OVCHINNIKOV Y B. A Zeeman slower based on magnetic dipoles[J]. Opt. Comm., 2007, 276(2): 261-267.

[9] DEDMAN C J, TES J, HANNA T M, et al. Optimum, design and construction of a Zeeman slower for use with a magneto-optic trap[J]. Rev. Sci. Instru., 2004, 75(12): 5136-5142.

[10] OVCHINNIKOV Y B. A permanent Zeeman slower for Sr atomic clock[J]. Eur. Phys. J. Special Topics, 2008, 163: 95-100.

[11] SAVARD T A, GRANADE S R, ?HARA K M. Raman induced resonance imaging of trapped atoms[D]. Phy. Rev. A, 1999, 60(6): 4788-4795.

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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11074252，61127901，61025023）；中國科學(xué)院重點(diǎn)部署資助項(xiàng)目（KJZD-ED-W02）

謝玉林，女，碩士研究生，主要從事鍶冷原子光鐘研究。