一種原子氣室緩沖氣體壓強的測量方法

陳大勇,涂建輝,廉吉慶,王劍祥

(1.蘭州空間技術物理研究所,蘭州 730000；2.真空技術與物理重點實驗室,蘭州 730000)

0 引言

在原子鐘中,緩沖氣體主要作用為壓窄共振信號的線寬、提高頻率穩(wěn)定度,然而緩沖氣體與堿金屬原子發(fā)生頻繁的碰撞,會對堿金屬原子的電子運動狀態(tài)產(chǎn)生影響,使得原子能級產(chǎn)生微小移動。C場由于塞曼效應,同樣會使原子能級產(chǎn)生微小移動,這兩種作用最終會引起堿金屬原子能級間共振頻率的偏移,從而引起原子鐘頻率的偏移[1]。

在被動型CPT(coherent population trapping)原子鐘中,緩沖氣體在提高信噪比的同時,會引起CPT共振信號頻率發(fā)生偏移；C場在為堿金屬原子與光作用提供量子化軸,獲得高品質(zhì)CPT共振信號的同時,會引起堿金屬原子能級發(fā)生偏移。在被動型CPT原子鐘設計相干布居數(shù)囚禁中、可通過調(diào)整C場線圈工作電流改變C場強度,從而實現(xiàn)對CPT原子鐘輸出頻率的校正。本文通過建立被動型CPT原子鐘頻移測量系統(tǒng),測量CPT信號的共振頻率,得到緩沖氣體等因素引起的頻率偏移量,并通過數(shù)值計算,反演得到緩沖氣體壓強、C場工作電流與頻移量間的關系,為CPT原子鐘的設計及工藝改進提供參考依據(jù)[2-15]。

1 被動型CPT原子鐘頻移模型

CPT現(xiàn)象是兩束相干激光與堿金屬原子相互作用,當兩相干激光的頻差嚴格等于基態(tài)超精細能級間隔時,原子就會處于一個相干疊加態(tài)上,兩個子能級的原子不再吸收激光,不會被激發(fā)、不發(fā)射熒光,原子被“囚禁”在基態(tài)。原子的熒光光譜,出現(xiàn)“暗線”(dark line),透射光是透明的,檢測透射光則出現(xiàn)“亮線”。被動型CPT原子鐘以CPT的共振“亮線”為參考譜線,其線寬較窄,可得到高穩(wěn)定的原子鐘頻標信號。

圖1是133Cs原子能級示意圖?？紤]到緩沖氣體和C場對能級的作用,133Cs基態(tài)∣F=4,mF=0>和∣F=3,mF=0>兩能級間躍遷頻率滿足公式(1):

υ0-0=υCs+Δυbg+ΔυB，

(1)

式(1)中，υCs是無干擾時的133Cs原子基態(tài)兩能級間躍遷頻率,取9 192 631 770 Hz；Δυbg是緩沖氣體引起的碰撞頻移,正比于原子氣室內(nèi)緩沖氣體的密度和壓強,且對溫度敏感性很高；ΔυB是C場引起的頻移,且只受磁場強度平方項的影響[2-4]。

圖1 133Cs原子能級

在原子氣室中,緩沖氣體與堿金屬原子發(fā)生頻繁碰撞,碰撞過程會對堿金屬原子的電子運動狀態(tài)產(chǎn)生一些擾動,使能級產(chǎn)生微小移動,從而引起頻移[3],其碰撞頻移Δυbg滿足式(2)：

Δυbg=P0[β0+δ0(T-T0)],

(2)

式(2)中，P0是緩沖氣體壓力，β0是壓力頻移系數(shù)，δ0是溫度系數(shù)，T是原子氣室工作溫度，T0是確定壓力系數(shù)和溫度系數(shù)時的溫度。基于公式(2)可對原子氣室充入緩沖氣體的頻移量進行設計,若緩沖氣體采用混合氣體時,緩沖氣體的碰撞頻移是各種氣體單獨存在時頻移量的代數(shù)和[2-4]。

在被動型CPT原子鐘中,C場為原子氣室沿光場傳播方向提供強度約100 mG的磁場,為原子與光作用提供量子化軸,并選出133Cs中對磁場不敏感的基態(tài)∣F=4,mF=0>和∣F=3,mF=0>兩能級制備CPT態(tài)。由于Zeeman效應,基態(tài)∣F=4,mF=0>和∣F=3,mF=0>兩能級間頻移量滿足公式(3):

(3)

式(3)中，B0是磁場強度,在C場較弱時,兩能級間的頻移量只受磁場強度平方項影響[2-8]。

2 測量系統(tǒng)及頻移量測量

被動型CPT原子鐘頻移測量系統(tǒng)是基于被動型CPT原子鐘而搭建,從而對緩沖氣體和C場等因素引起的頻移量進行測量,并對誤差分析。

2.1 測量系統(tǒng)

被動型CPT原子鐘頻移測量系統(tǒng)如圖2所示,包括激光器波長鎖定電路、微波控制模塊和物理部分。激光器波長鎖定電路實現(xiàn)VCSEL激光器的工作波長鎖定；微波控制模塊由微波信號源和三角波信號源構成,微波信號源輸出為頻率掃描模式,三角波信號作為微波信號源外部調(diào)制信號,控制頻率的掃描范圍；物理部分包括λ/4波片、原子氣室、加熱絲、磁屏蔽和C場等,是相干光場與原子相互作用的區(qū)域,用于產(chǎn)生CPT現(xiàn)象。

圖2 被動型CPT原子鐘頻移量測量系統(tǒng)

2.2 測量原理及步驟

緩沖氣體頻移測量方法是：首先將VCSEL工作波長調(diào)整到Cs原子D2線；微波信號源輸出信號設置為掃頻模式,中心頻率為4.596 315 886+(Δυbg1/2) GHz,Δυbg1是緩沖氣體引起的碰撞頻移設計值；在頻移量測量系統(tǒng)中,微波信號用于調(diào)制VCSEL,獲得的調(diào)制光譜如圖3所示,其中0級邊帶對應的是VCSEL工作波長,兩1級邊帶與待測銫原子氣室作用,用于產(chǎn)生CPT共振信號；通過改變VCSEL工作波長,可獲得多波長多普勒吸收光譜,獲得的吸收光譜如圖4所示,選擇兩1級邊帶的吸收譜線用于VCSEL工作波長的鎖定,波長鎖定對應的是Cs原子D2線。在VCSEL實現(xiàn)波長鎖定后,三角波信號源用于微波信號源掃頻模式輸出的控制,使微波信號在中心頻率處實現(xiàn)20 kHz頻率掃頻,用以觀測待測原子氣室CPT信號“共振亮線”,觀測得到的CPT信號“共振亮線”如圖2所示,譜線B點對應的就是CPT信號的共振頻率,對比CPT信號共振頻率與υCs,即可得到Δυbg2是緩沖氣體引起的碰撞頻移測量值。

C場采用有限長螺線管,C場在為堿金屬原子與光作用提供量子化軸,獲得高品質(zhì)CPT共振信號的同時,也可通過調(diào)整螺線管線圈工作電流來改變C場強度,實現(xiàn)對CPT原子鐘輸出頻率的校正。測量C場引起頻移量主要目的是得到C場工作電流與CPT原子鐘輸出頻率間頻移量的關系,從而準確地實現(xiàn)對CPT原子鐘輸出頻率的校正。測量過程是：在頻移測量系統(tǒng)獲得CPT信號“共振亮線”后,螺線管加入電流,此時對應的CPT信號“共振亮線”發(fā)生平移,通過測量圖2所示B點的平移距離,即可得到頻移量,既可得到C場工作電流與頻移量間的關系。

圖3 VCSEL激光器調(diào)制光譜圖

圖4 多波長多普勒吸收光譜

2.3 頻移量測量及誤差分析

在被動型CPT原子鐘中,緩沖氣體引起的頻移量一般在千赫茲,是被動型CPT原子鐘頻移量主要影響因素,同時也是被動型CPT原子鐘微波信號源重要的設計參數(shù)。在被動型CPT原子鐘中原子氣室緩沖氣體壓強測量中,選用緩沖氣體為N2∶Ar=7∶3，氣壓100 Torr；緩沖氣體為N2∶Ar=7∶3，氣壓80 Torr；緩沖氣體為N2，氣壓100 Torr；緩沖氣體為N2，氣壓80 Torr的四種類型的原子氣室進行測量,表1給出待測原子氣室緩沖氣體頻移量的設計值和測量值,并經(jīng)過數(shù)值計算得到了待測氣室內(nèi)緩沖氣體的壓強值[2-8]。

表1 原子氣室緩沖氣體引起的頻移量

經(jīng)過數(shù)據(jù)對比,待測原子氣室緩沖氣體頻移量的設計值和測量值之間存在誤差,造成測量誤差的主要因素包括氣室緩沖氣體混合比例存在誤差、氣室工作溫度、緩沖氣體擴散過程中氣體壓強的梯度等因素。其中緩沖氣體混合比例精度取決于系統(tǒng)真空規(guī)的測量精度,精度優(yōu)于0.3 Torr時,氣體混合比例控制精度為0.3 Torr,緩沖氣體混合比例帶來的誤差對測量值的影響可忽略；氣室工作溫度對氣體壓強測量值帶來的誤差可通過式(2)進行誤差分析。工作原子是Cs原子、緩沖氣體為N2∶Ar=7∶3,公式(2)中,β0=589.87 Hz/Torr,δ0=0.121 Hz/(Torr·℃),經(jīng)計算,緩沖氣體壓強引起的頻移量遠大于工作溫度引起的頻移量。緩沖氣體為N2,β0=924.7 Hz/Torr,δ0=0.623 Hz/(Torr·℃),緩沖氣體壓強引起的頻移量同樣遠大于工作溫度引起的頻移量,氣室工作溫度帶來的誤差對測量值的影響同樣可忽略；在氣室充制過程中,緩沖氣體在充制系統(tǒng)中擴散過程中形成的氣體壓強的梯度分布是最不可控的因素,造成氣室內(nèi)部實際的壓強與設計值存在誤差,此因素是造成表1測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差的主要因素,造成的測量誤差小于10 Torr。

在被動型CPT原子鐘中,C場強度決定了原子Zeeman能級的頻移量,而C場強度是通過控制C場線圈工作電流來實現(xiàn)的,因此準確測量C場強度與C場線圈工作電流的對應關系是非常有必要的。表2給出了C場線圈在不同工作電流時,測量得到的C場頻移量,并經(jīng)過數(shù)值計算得到了不同C場線圈工作電流對應的C場強度。

表2 原子氣室緩沖氣體引起的頻移量

3 結論

本文基于被動型CPT原子鐘工作原理,設計并搭建了被動型CPT原子鐘頻移量測量系統(tǒng),完成了緩沖氣體和C場頻移量的測量,并通過數(shù)值計算得到了氣室緩沖氣體壓強和C場強度。本文開展的研究工作,可為被動型CPT原子鐘設計及參數(shù)優(yōu)化提供參考依據(jù)。本文提出的緩沖氣體頻移量測量方法,可用于氣室緩沖氣體壓強的測量,在原子鐘氣室參數(shù)優(yōu)化及老化實驗中,具有重要意義。