付理想，謝玉林，韓建新，4，常宏，張首剛

小型化鍶原子束系統(tǒng)的研制1

付理想1，2，謝玉林1，3，韓建新1，3，4，常宏1，4，張首剛1，4

（1.中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；2.河南師范大學，新鄉(xiāng) 453007；3.中國科學院大學，北京 100049；4.中國科學院 國家授時中心，西安 710600）

通過實驗完成了對鍶原子束鎖頻系統(tǒng)的小型化研制，系統(tǒng)的長度由85 cm小型化至45 cm，真空腔窗口的直徑由35 mm減至16 mm，真空管法蘭接口的規(guī)格CF35換成了CF16。采用激光誘導熒光的方法測量小型化系統(tǒng)熱原子束的原子通量。通過對探測器響應效率的測量，將對熒光功率的測量轉(zhuǎn)化成探測器響應電壓的測量。由于原子通量與熒光功率成正比例關系，因此進而得到熱原子束的原子通量。實驗測得該小型化系統(tǒng)的原子通量滿足鍶原子光晶格鐘實驗需求。

鎖頻系統(tǒng)；原子通量；響應效率；小型化

0　引言

時間是七個基本物理量之一，在社會發(fā)展和人們的生產(chǎn)、生活中起著至關重要的作用。人們對時間的探索從未停止過。對光學頻率標準[1]的研究始于20世紀60年代，隨著半導體激光器[2]以及飛秒光梳的發(fā)明及相繼應用，光鐘[3]的研究得到迅猛發(fā)展，其不確定度已經(jīng)達到10-18量級。由于其潛在的性能優(yōu)勢，光鐘有望成為國際新一代時間頻率基準。

在眾多堿土金屬原子的研究中，用于冷卻鍶原子的光源容易實現(xiàn)且可以方便地進行激光冷卻[4]，所以鍶原子被廣泛地作為冷原子樣品的制備對象用于光鐘的研制。鍶原子光晶格鐘[5]鎖頻系統(tǒng)是將461 nm激光器的頻率鎖定在原子的偶極躍遷譜線上，達到穩(wěn)定激光頻率的目的。鍶原子的熔點為769℃，常溫下呈固態(tài)，而且在空氣中易氧化，實驗上需要制備高準直度的鍶原子束，所以需要將其置于真空環(huán)境中進行加熱和準直。目前我們實驗室的鎖頻系統(tǒng)長度是85 cm，為了適應空間站的要求，減小系統(tǒng)的體積及能耗，實驗所研制的鎖頻系統(tǒng)總長是45 cm，完成了對鎖頻系統(tǒng)的小型化。實驗中用激光誘導熒光的方法完成了小型化的鎖頻系統(tǒng)原子通量的測量[6]，測量得到的原子通量值滿足鍶原子光晶格鐘的實驗需求。

1　實驗裝置與理論分析

1.1鍶熱原子束裝置

實驗上測量小型化鎖頻系統(tǒng)的原子通量實驗裝置如圖1（a）所示。系統(tǒng)分為3部分：鍶爐、離子泵、真空腔。圖1（a）中鍶爐部分的真空管長是10 cm，其左端用CF16的盲法蘭封閉，另一端與四通相連，固體鍶置于真空管的最左端，約占真空管長度的2/5。圖1（b）是實驗制備高準直度的鍶原子束需用的準直器實物圖。準直器由176根毛細準直管和準直管組成，毛細準直管放置在準直管的準直槽內(nèi)，其中毛細準直管的內(nèi)徑0.3 mm，外徑0.51 mm，長12 mm，準直管長100 mm，每個槽的寬度是1 mm。放置準直器時，使準直管的槽垂直于平臺，如圖1（b）所示放置方向，放有毛細準直管的一端放置在鍶爐內(nèi)，離固體鍶的距離約1 cm。鍶爐外部纏繞著加熱絲，加熱絲長160 cm，阻值10 Ω，同時給固體鍶和毛細準直管加熱。加熱絲的外面包有耐高溫的保溫材料，確保鍶爐保持恒溫，形成原子加熱爐。鍶原子加熱爐溫度的穩(wěn)定性是實驗中影響實驗結(jié)果的重要因素，基于溫控儀使用壽命及爐溫穩(wěn)定性兩方面的考慮，實驗上設置溫控儀溫度波動±2℃。

圖1　測量原子通量的實驗裝置

實驗采用GammaVacuum公司的型號為40 L/s的離子泵，通過CF16—CF35的兩通與四通連接，用以維持整個系統(tǒng)的真空度，使真空度處在超高真空范圍內(nèi)。

小型化的鎖頻系統(tǒng)有2個相同的六面體無磁不銹鋼真空腔，真空腔每個窗口的直徑都是16 mm，其中2個相對的窗口與真空管或角閥相連，其余4個均為鍍膜的石英玻璃窗口，作為通光窗口或探測窗口。實驗通過2種不同能級間的躍遷測量鎖頻系統(tǒng)的原子通量：一種是利用偶極躍遷（自然線寬32 MHz，對應波長461 nm）進行測量；另一種是利用互組躍遷（自然線寬7.5 kHz，對應波長689 nm）進行測量[7]。2個腔可以同時分別測量偶極躍遷和互組躍遷的熒光譜線，2個腔的距離較近，原子通量差別很小，避免了不同實驗條件，比如溫度、真空等對實驗結(jié)果的影響。

圖2　測量原子通量相關能級圖

實驗用461 nm激光器是NewFocus公司生產(chǎn)的型號為TLB-6802的半導體激光器，其額定輸出功率是40 mW，線寬小于200 kHz。461 nm激光器輸出功率穩(wěn)定，易調(diào)節(jié)，而且體積?。洪L11.5 cm，寬9 cm，高9.5 cm。689 nm激光器是北京奧普光太科技有限公司生產(chǎn)的外腔半導體激光器。圖3是用于測量熱原子束通量的光路示意圖，其中λ/2是半波片；OI（optical isolator）是光隔離器；PBS（polarizedbeamsplitter）是偏振分束棱鏡；PD（photodiode）是光電探測器。

圖3　測量原子通量的光路圖

461 nm激光器輸出的激光經(jīng)過λ/2和OI，再經(jīng)過λ/2后被PBS 1分為兩束，一束經(jīng)擴束后輸出到通光窗口與熱原子束作用，另一束輸出給型號為WS-6的波長計，監(jiān)視激光器的輸出波長。689nm激光器輸出的激光經(jīng)過λ/2和OI，再經(jīng)過λ/2后被PBS2分為兩束，一束輸出給波長計，另一束經(jīng)λ/2后被PBS3分為兩部分，一部分經(jīng)擴束后輸出到通光窗口與熱原子束作用，一部分輸出給光學參考F-P（fabry-perot）腔，監(jiān)視輸出激光的模式。輸出給通光窗口的激光經(jīng)3.33倍的擴束透鏡后，461nm激光入射光斑的直徑約是6 mm，689 nm激光入射光斑的直徑約是11 mm。激光經(jīng)擴束后垂直打入由鍶爐噴出的熱原子束中，激光與熱原子束作用發(fā)出熒光。實驗上研制出了利用3片平凸透鏡組成的熒光收集透鏡組裝置，該透鏡組具有大通光孔徑，足夠小的橫向放大率絕對值和像差，提高了熒光收集效率[8]。用光電探測器PD探測其熒光強度，所用探測器是一款高信噪比，高增益，偏置可調(diào)的熒光譜探測系統(tǒng)，其增益為106V/W量級。

1.2理論分析

鍶爐中飽和蒸氣壓P與溫度T的關系式[9]為

式（1）中，T為原子蒸氣的溫度。根據(jù)氣體原子密度n與氣體壓強的關系式為玻爾茲曼常量），可得經(jīng)準直器噴射出來的原子通量的表達式[10]為

式（2）中，r為組成準直器的毛細準直管的半徑，L為毛細準直管的長度，tN是毛細準直管的數(shù)目，α是原子的最概然速率，表達式如下：

式（3）中，m是原子質(zhì)量。由式（2）可得到不同溫度下原子通量的理論值。

實驗上用激光誘導熒光法來測量不同溫度下原子的通量。用半導體激光器發(fā)射出的激光與熱原子束垂直作用，原子受激吸收光子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，會自發(fā)輻射回到基態(tài)，并發(fā)出熒光。首先利用探測器測量熒光信號的功率，得到探測器響應電壓；然后根據(jù)實驗測量的探測器響應電壓與光功率的關系，可以算出探測到的熒光功率；最后由探測到的熒光功率占總熒光功率的比例關系，得到激光與原子束作用的總熒光功率。根據(jù)熒光功率與原子通量成正比例關系，進而計算得到原子通量。

在光場作用下鍶原子向空間4π立體角內(nèi)發(fā)射出熒光，而探測器只能探測到部分熒光信號SP，所以我們還要再利用空間比例關系來計算出熒光信號的總功率P。其比例關系式為

式（4）中，r是玻璃窗口的半徑，L是原子束與激光相交區(qū)域的中心到透鏡組靠近窗口第一個透鏡的距離。

原子通量[11]為

式（5）中， ?ω是單光子的能量。ΓSC是單個原子對光子的散射率，其表達式為

2　實驗結(jié)果

圖4　熒光強度隨激光失諧量的變化

由于該鎖頻系統(tǒng)的長度較短，真空管對原子束的發(fā)散角沒有影響，原子束的發(fā)散角只與準直器的結(jié)構(gòu)有關。在探測熒光譜線時，激光的方向是與原子束垂直的，并且與準直管的準直槽垂直，多普勒頻移只與原子束的橫向發(fā)散角有關。圖5是準直器的截面示意圖。圖5中，L是準直管的長度，D是準直槽的寬度，θ0是與準直器無碰撞的熱原子經(jīng)過準直器的最大發(fā)散角。

圖5　準直器的截面示意圖

從理論上計算，鍶爐產(chǎn)生的熱原子束經(jīng)過準直器后，原子束橫向最大發(fā)散角約為20 mrad。假設原子束的對稱軸是z軸，激光沿x方向垂直入射到原子束，則一階多普勒頻移是

實驗上直接測量探測器的響應電壓與入射光功率的關系曲線，由于探測器非常靈敏，所以在激光入射到光電二極管之前，對461 nm激光功率和689 nm激光功率進行20 000倍的衰減，所用光功率計是Newport的1918-R高性能手持式光功率計，分辨率是±0.2%，探測器測量范圍是200～1 800 nm。其測量結(jié)果如圖6所示。

圖6　探測器的響應曲線

圖6（a）是461nm激光探測器響應曲線，圖6（b）是689 nm激光探測器響應曲線。圓點是實驗中實際測量的值，直線是擬合得出的探測器響應曲線。實驗上測得的熒光功率在探測器響應曲線的功率范圍之內(nèi)，滿足實驗需求。461 nm激光探測器響應電壓 u1（v）與熒光功率 P1（nw ）之間及689 nm激光探測器響應電壓 u2（v）與熒光功率 P2（nw ）之間的曲線方程式分別如（8）和（9）所示：

實驗中不同溫度下激光與原子作用發(fā)出不同強度的熒光，不同熒光強度反映探測器響應電壓的不同，將實驗測得的探測器響應電壓代入式（8）～（9），根據(jù)空間比例式（4）得到總熒光強度隨鍶原子爐溫度變化的數(shù)據(jù)示于表1。

表1　不同鍶爐溫度時的熒光強度

小型化鎖頻系統(tǒng)玻璃窗口的半徑r=8 mm，原子束與激光相交區(qū)域的中心到熒光收集透鏡組的距離L=33.5 mm。461 nm激光實際的入射光強是1I=1.365μ W/cm2，入射激光面積25 mm2的線偏振光；689 nm激光實際入射光強2I=2.969m W/cm2，入射激光面積105mm2的線偏振光。將測得的熒光強度和以上數(shù)據(jù)代入原子通量計算式（5）中，可以得到原子通量隨溫度變化的實驗值。將小型化鎖頻系統(tǒng)的各參數(shù)代入式（2）可得原子通量的理論值。其結(jié)果如圖7所示。

圖7　原子束通量隨原子蒸氣溫度的變化

3　結(jié)語

通過實驗完成了對鍶原子束小型化鎖頻系統(tǒng)的研制，將鎖頻系統(tǒng)的長度由85 cm小型化至45 cm，縮小了真空腔窗口及真空管孔徑的大小，更高準直度準直器的使用，使得從理論上計算得到原子束橫向最大發(fā)散角約為20 mrad。激光誘導熒光法是實驗中測量熱原子束通量常用的方法，通過直接測量探測器響應電壓與熒光功率的關系，由直接測得的探測器響應電壓得到熒光功率，進而計算得到原子通量。實驗中測量得到的原子通量值滿足鍶原子光晶格鐘的實驗需求。

[1] NICHOLSON T L, MARTIN M J, WILLIAMS J R, et al. Comparison of two independent Sr optical clocks with 1×10-17 stability at 103 s[J]. Phys. Rev. Lett., 2012, 109(23): 230801.1-230801.5.

[2] 陳輝, 高紅, 張云剛, 等. 半導體激光器的發(fā)展及其在激光光譜學中的應用[J]. 哈爾濱師范大學自然科學學報, 2005,21(1): 40-43.

[3] 費立剛, 朱均, 張書練. 光學頻率標準與光鐘的實現(xiàn)[J]. 光學與光電技術, 2006, 4(6): 55-59.

[4] BOYD M M. High precision spectroscopy of strontium in an optical lattice: toward a new standard for frequency and time[D].Seattles: University of Washington, 2002.

[5] FALKE S, SCHNATZ H, WINFRED J S R V, et al. The 87Sr optical frequency standard at PTB[J]. Metrologic., 2011, 48(5):399-407.

[6] 王義遒. 原子的激光冷卻與陷俘[M]. 北京: 北京大學出版社, 2007.

[7] 高峰. 鍶光鐘的原子冷卻及互組躍遷譜線測量[D]. 西安: 中國科學院國家授時中心, 2014.

[9] LIDE D R. Handbook of Chemistry and Physics[M]. Boca Raton: CRC Press, 2010: 136-137.

[10] 王葉兵. 鍶原子互組躍遷譜及二級冷卻的研究[D]. 西安: 中國科學院國家授時中心, 2012.

[11] 王心亮, 馬喆, 王靖斌, 等. 利用補償線圈提高塞曼減速器效率的理論及實驗研究[J]. 量子光學學報, 2011, 17(2):124-129.

[12] 吳慧, 趙亞楠, 常宏, 等. 偏振光激發(fā)的Sr 原子電偶極輻射[J]. 量子光學學報, 2009, 15(3): 248-252.

[13] RAIMOND J M. Première observation de la transition fortement interdite 1S0-3P0 du strontium, pourune horologe optique àatomes piègès[D]. Paris: ?université de Paris Ⅵ, 2003.

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

國家自然科學基金資助項目（Y133IK1101）

付理想，女，碩士研究生，從事鍶原子光鐘研究。