山西大学光电研究所，光量子技术与器件全国重点实验室，山西 太原 030006
光晶格是超冷原子量子调控实验的重要工具，为凝聚态物理、强关联电子系统以及新奇拓扑物态的量子模拟提供了理想的研究平台。高精度标定光晶格阱深是实现高保真量子态操控和提升量子系统性能的关键。基于多脉冲Kapitza?Dirac衍射原理，通过施加一系列预设的光晶格脉冲，提高了衍射信号的强度和分辨率，实现了光晶格阱深的高精度标定。对比分析了多脉冲及单脉冲Kapitza?Dirac衍射、Raman?Nath衍射和参量振荡加热法标定光晶格阱深的实用性和局限性，为围绕光晶格开展的量子精密测量和量子模拟实验提供了技术参考。
原子与分子物理 光晶格 超冷原子 阱深标定 精密测量
通过基于瑞利-索末菲矢量衍射理论的、由径向光栅和轴锥镜构成的衍射系统，得到了一种具有网格状二维光学晶格的无衍射花瓣光束。对径向偏振光生成的无衍射花瓣光束进行了详细的理论分析，并对其空间光场分布进行了数值仿真，同时基于轴锥镜加工工艺，详细分析了非理想轴锥镜对无衍射花瓣光束的影响。研究结果表明：无衍射花瓣光束的光学晶格会随径向余弦光栅辐条数的增加而增加；相较于理想锥镜，具有双曲线顶点的非理想轴锥镜会对光场分布产生振荡影响，使二维光学晶格消失或模糊；在无衍射区内，振荡影响的范围随径向偏振光束腰半径的增大而减小，当束腰半径达到5 mm时，振荡现象消失，网格状特征和光学晶格恢复到理想状态。研究结果对多粒子捕获、粒子微操纵等领域具有一定的参考意义。
矢量衍射理论 无衍射花瓣光束 光学晶格 径向光栅 轴锥镜 激光与光电子学进展
2025, 62(5): 0526001
1 中国科学院国家授时中心时间基准及应用重点实验室，陕西 西安 710600
2 中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049
3 合肥国家实验室，安徽 合肥 230088
展示了一种结合光学黏团冷却和轴向边带冷却的方法，并用于降低一维光晶格中87Sr原子温度。通过优化689 nm激光的频率和光强，光学黏团冷却成功地将原子径向温度从14.6 μK降低至8.0 μK，而轴向边带冷却则通过拉曼跃迁的方式将原子的轴向温度从5.6 μK降低至1.2 μK，使得原子的平均外部振动态从0.82降至0.02。此外，通过观测拉比振荡和不同阱深下的原子数，证明了该冷却方法可以延长原子相干时间和增加低温原子数。此方法有助于延长原子相干时间，增加浅光晶格中的原子数量，从而提升光晶格原子钟等量子应用的性能。
光学黏团冷却 拉曼边带冷却 拉比振荡 光晶格钟
1 中国科学院 精密测量科学与技术创新研究院原子频标重点实验室，湖北 武汉 430071
2 中国科学院大学，北京 100049
中性原子光晶格钟以囚禁在魔术波长光晶格中的冷原子钟频跃迁为频率参考，频率稳定度和不确定度可达10-19量级，是当前时频领域的研究热点。腔增强光晶格可以在有限光功率下实现大尺寸的晶格束腰，从而显著降低原子间的碰撞频移。我们搭建了用于镱光钟的真空内腔增强魔术波长光晶格系统，利用Pound-Drever-Hall（PDH）稳频技术实现了对增强腔的精确频率控制，并通过腔透射光实现了腔内功率的稳定，腔增强因子达到640倍。通过测量腔透射光的强度噪声功率谱密度，我们对不同阱深下光晶格的寿命进行了评估，在典型阱深10 μK情况下光晶格寿命可达到10 s以上。腔增强光晶格可以使用低功耗、高稳定的半导体激光器作为晶格光源，以便将来进一步实现原子光钟的小型化和可搬运化。
镱原子光钟 光晶格 腔增强 光强度噪声 ytterbium optical lattice clock optical lattice cavity enhancement optical intensity noise 量子光学学报
2024, 30(4): 040601
山西大学激光光谱研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
本文研究一种由光学腔辅助的两组分晶格玻色子系统。在真空环境下，该玻色气体的两个组分具有完全不同的局域特征，而腔光子会诱导两个组分间的隧穿。利用变分方法和自洽平均场方法，我们系统分析了体系的基态性质，得到了系统在不同参数空间下的相图。相图展现出了丰富的量子相，包括莫特绝缘体相、超流相和超辐射超流相等。我们发现在腔光子的辅助下，巡游组分的玻色子会诱导局域组分的玻色子发生超流转变。特别地，在特定参数区间内，组分间相互作用会驱动由莫特绝缘体到超辐射超流的反常量子相变。文章最后我们给出了可行的实验方案。我们的工作丰富了玻色-哈伯德模型的相关物理，并为利用光学腔中的超冷原子模拟凝聚态现象提供了有益的思路。
量子相变 冷原子 光学腔 光晶格 quantum phase transition cold atom optical cavity optical lattice 量子光学学报
2024, 30(4): 040502
1 中国科学院 国家授时中心时间频率基准重点实验室，陕西 西安 710600
2 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 100049
3 合肥国家实验室，安徽 合肥 230088
基于光频跃迁的光晶格原子钟展示了优异的频率稳定度和不确定度，是重定义时间单位“秒”的有力候选者之一。然而，目前的局限性是光学时钟仍处于实验室阶段，不能长时间自主运行，这使得基于光钟的连续时间尺度输出变得困难。在本文中，我们模拟了间歇性运行的锶原子光钟驾驭作为飞轮的氢钟来实现连续时间尺度输出，详细讨论了卡尔曼滤波驾驭算法中关键参数的计算与选取，研究了锶原子光钟不同驾驭策略下对光学时间尺度性能的影响。结果表明锶原子光钟8.3%运行率下，30 d的累积时间误差可保持在0.8 ns以内，频率稳定度达4×10−17@30 d。
光晶格原子钟 时间尺度 卡尔曼滤波 氢钟 频率驾驭 optical lattice clock time scale Kalman filter hydrogen maser frequency steering
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory for Quantum Optics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Wangzhijiang Innovation Center for Laser, Aerospace Laser Technology and System Department, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
A simple and robust multiple wavelength frequency stabilization system is demonstrated using a single transfer cavity and a 1062-nm ultra-stable laser for all the lasers used in a mercury optical lattice clock. Offset sideband locking is employed to tune the laser frequency while dichroic mirrors and differentiated modulation frequencies are utilized for the Pound–Drever–Hall locking of four-color lasers. For the most demanding lasers at 1015 nm and 725 nm, the line width of the beat note is reduced to 27 kHz and 17 kHz, respectively. The frequency fluctuation for the transfer-locked 1015-nm laser is less than 10 kHz, which is much better than the lasers locked to an atomic spectrum. Using its high stability of 5 × 10-12 over 100 s, the transfer-locked 1015-nm laser is employed for low-noise frequency modulated saturated absorption spectroscopy. This approach could also be used in various situations for the research of optical clocks, Rydberg atoms, laser cooling of molecules, and quantum computation with neutral atoms.
laser frequency stabilization Fabry–Perot cavity optical lattice clock Pound–Drever–Hall locking Chinese Optics Letters
2024, 22(10): 103001
1 中国科学院国家授时中心时间频率基准重点实验室 陕西 西安 710600
2 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西 太原 030006
3 中国科学院大学天文与空间科学学院 北京 100049
光钟在时间保持、精密测量、暗物质探测等方面有广泛的应用。可搬运光钟研制是光钟的重要方向,它是不同类型光钟比对以及引力红移测量的重要设备。研制用于冷原子制备的可搬运冷却光源是实现可搬运光钟研制的关键。本文主要介绍了可搬运锶光钟二级冷却光源的研制。首先,通过Pound-Drever-Hall稳频技术将半导体激光器锁定在超稳腔上,实现了用于锶光钟二级冷却的689 nm窄线宽稳频光源,其线宽优于 263 Hz,频率秒稳定度优于1.56×10-14。另外,利用注入锁定技术制备了两台同等性能的光源,分别用作二级冷却阶段的俘获光和匀化光。整个光学系统集成在一个0.56m2的光学面包板,通过光纤与真空系统耦合,整体可搬运。利用该稳频光源,实验上制备了数目为2×106,温度为5.3K的二级冷却原子团,这为下一步进行光晶格原子装载和钟跃迁谱探测奠定了基础。
可搬运锶光钟 二级冷却 立方体腔 可搬运稳频光源 transportable 87Sr optical lattice clock the second-stage cooling cubic cavity the transportable frequency stabilized laser sourc 量子光学学报
2023, 29(2): 020201
1 中国科学院国家授时中心时间频率基准重点实验室，陕西 西安 710600
2 合肥国家实验室，安徽 合肥 230088
3 中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049
利用87Sr光晶格钟与氢钟的频率比对测量了氢钟的频率稳定度。在89%的光晶格钟有效运行率下，经过约10 d的测量得出氢钟的频率稳定度，并由此推导出氢钟噪声模型的相关参数。根据氢钟噪声模型生成的随机噪声序列，对由测量死时间导致的频差进行了 100 次模拟，并以模拟结果的1倍标准差为测量不确定度。不同有效运行率下，氢钟测量不确定度的计算结果表明，由氢钟测量死时间导致的不确定度随有效运行率的增加而减小，且在有效运行率小于10%时，增加总的测量时间可以显著减小测量不确定。
测量 光频测量 氢钟噪声模型 光晶格钟 稳定度 光学学报
2023, 43(13): 1312003
