冷~6Li原子干涉仪的磁场稳定及微波场操控

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随着激光冷却技术的迅猛发展,基于激光冷却的原子干涉仪成为精密测量的首选技术。光脉冲干涉仪自1991年问世以来,其研究范围已经涵盖惯性传感、重力测量、测量精细结构常数、引力红移、万有引力常数、验证等效性原理等基础精密测量。锂由于其在碱金属原子中质量最轻,反冲频率相较于铷、钠等原子更大,可以在更短的积分时间里获得相同的测量精度,在原子干涉测量中拥有天然的优势和研究价值。2017年M¨uller课题组已经成功制备了~7Li原子干涉仪,这为未来研究通过相对质量差最大的同位素~6Li-~7Li验证等效性原理奠定了基础,而目前对~6Li原子干涉仪的研究尚存在空白,因此我们展开了~6Li原子干涉仪的研究,为通过同位素~6Li-~7Li原子干涉仪验证等效性原理提供可能。实验上由于~6Li激发态超精细结构不可分辨,并且总角动量为半整数,没有|mF=0(?)的磁不敏感态,态制备困难;同时干涉仪对周围环境中的磁场稳定度要求高,需要进行磁场稳定。因此本文主要基于这几个难点进行了研究,并取得了如下的创新型研究成果:(1)实现了一套磁场分流反馈锁定系统,通过将磁场线圈电流噪声分流的方式实现磁场线圈电流噪声的稳定。实现了百高斯Feshbach共振磁场ppm量级的精密控制,相较于没有任何锁定时的情况,电流的低频噪声得到了45d B以上的抑制。为了评估实际磁场的稳定情况,使用原子作为磁场探针,测量了~6Li原子的Rabi振荡,相干时间提高了9.6倍,有效延长了系统的相干时间。测量了原子的Raman损失谱,并通过统计损失谱高斯拐点处原子数的起伏,进一步验证了系统锁定精度:在无相互作用的528G磁场下,磁场的均方根噪声抑制到1.2m G,磁场噪声抑制了16倍,相对不确定度2.27ppm,为冷原子气体提供稳定精确的背景磁场。并且为了增加本套磁场锁定系统的普适性,我们对MOT磁场、补偿磁场进行了锁定,分别取得了96倍、68倍的锁定效果。(2)基于磁屏蔽理论和有限元分析,我们结合实际空间位置限制以及光学访问和电气线路需求,设计了对插式结构的磁屏蔽箱,这种结构最大程度的降低了漏磁。通过改变外加磁场的方式测量了磁屏蔽效果曲线,得到屏蔽效率为28,这与我们仿真结果相近。为了获得更稳定的磁场,优化了周围的磁场环境,并且通过低噪声的电流源为补偿线圈供电。最终获得了150m G下,磁场噪声优于50μG的磁场环境,为~6Li冷原子干涉仪的的实现提供了稳定的磁场环境。(3)针对~6Li原子,提出了一种~6Li冷原子干涉仪的高效磁子能级态制备方法。通过射频与323nm光共同作用的方式将原子高效的制备至目标磁子能级。我们根据天线原理设计了射频天线,搭建了射频天线系统。最后通过态制备前后的同向拉曼光谱,测得态制备效率为94%,极大的抑制了多套干涉导致的退相干,并且显著提高了干涉条纹对比度。
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