任潔1
, 劉輝1, 2, 盧本全1, 2, 常宏1
, 張首剛1
摘要: 為了實現中國科學院國家授時中心研制的鍶原子光晶格鐘鐘躍遷的自動化探測,設計了完整的自動控制系統。該系統主要由延遲精度與同步精度在μs 量級的時序控制系統和滿足要求的激光頻率掃描系統組成。兩個控制系統均通過LabVIEW軟件編程及虛擬儀器控制光場和磁場。完成了鍶原子的兩級冷卻和光晶格囚禁,最終得到了高信噪比載波線寬為180 Hz的鍶原子1S0-3P0鐘躍遷譜線。譜線展現了高信噪比和窄線寬的特點,表明整個鍶原子光鐘系統的運行較為穩健,整個控制系統滿足實驗對于控制精度的需求,實現了鍶原子光鐘系統的自動化操作與控制。該控制系統具有一定普適性,也可拓展至需要對光場及磁場進行控制的其他系統中。
關鍵詞: 鍶原子光晶格鐘 時序控制 譜線掃描控制 虛擬儀器
Program control in transition observation of strontium optical lattice clock
REN Jie1, LIU Hui1, 2, LU Ben-quan1, 2, CHANG Hong1, ZHANG Shou-gang1
Abstract: To achieve the auto control of transition observation of the Optical Lattice Clock transition developed by the National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, a complete control system is designed. The control system consists of a timing sequence control unit with delay accuracy and synchronizing precision in μs level and a laser spectral scanning control unit. The two units were both realized through the virtual instrument exploited by LabVIEW software programming to control the optical field and magnetic field precisely. The two-level cooling and optical lattice trapping of strontium atoms are implemented and the high signal-to-noise ratio(SNR) clock transition 1S0-3P0 spectral line of strontium atom with a line-width of 180 Hz is obtained. The spectral line with higher SNR and narrower line width indicate that the optical lattice clock can operate in higher stability and whole control system meets the precision requirement of the running of strontium optical clock system. Moreover, the experiment demonstrates that the control system has universality, and can be extended to other systems to control the optical fields and magnetic fields.
Key words: strontium optical lattice clock sequence control spectral scanning control virtual instrument
1 引 言
時間(頻率)是目前測量精度最高的物理量[1]。現行的時間國際制單位“秒”由銫原子噴泉鐘定義[2]。近年來，有著更高穩定度的光學原子鐘取得了快速發展[3, 4, 5, 6, 7]，特別是鍶原子光晶格鐘[8, 9, 10]，已經成為了目前世界上穩定度和準確度最高的光學原子鐘，未來秒很有可能由光學原子鐘來定義[11, 12]。
鍶原子光晶格鐘的實現原理是將鍶原子通過激光冷卻至μK量級的溫度并囚禁在光晶格中[8]，然后用超窄線寬的鐘激光探測鍶原子的鐘躍遷，并將鐘激光的頻率鎖定在鐘躍遷線的共振頻率上。鍶原子光晶格鐘的運行是周期性的，每個周期的運行中通過對多個設備或部件的開關來控制光場和磁場。此外，在運行周期中，還需要掃描鐘激光的頻率并采集相應的鐘躍遷信號，得到鐘躍遷譜線。因此鍶原子光鐘系統要具備一個自動化控制系統，以實現系統的運轉。
鍶原子光鐘的控制系統主要分為兩個部分：一是控制光場和磁場用于冷原子制備的時序控制系統；二是用于鐘躍遷復合測量的譜線掃描系統。時序控制系統的實現難度在于需要做到多路晶體管-晶體管邏輯電平(Transistor Transistor Logic，TTL)時序信號一定精度的同步輸出，且包括控制磁場的線性變化的模擬時序控制信號；譜線掃描系統的難點在于如何通過復合測量技術得到精準的高信噪比譜線。
近年來，虛擬儀器技術在光學領域得到廣泛應用[13, 14, 15]。本課題組采用基于LabVIEW 的虛擬儀器方法[16]，設計并實現了延遲精度與同步精度在 μs 量級的時序控制系統和滿足要求的鐘激光頻率掃描與鐘躍遷信號采集處理系統。本文利用該系統成功地進行了鍶原子的兩級冷卻和光晶格囚禁實驗，并得到了高信噪比的鐘躍遷譜線。
2 實驗裝置及程控需求
圖 1為鍶原子光鐘整體實驗裝置及光路示意圖。光與原子發生相互作用的場所為磁光阱(Magnetic Optical Trap，MOT)，經加熱鍶原子由鍶爐噴出，再經過二維準直到達塞曼減速器，再經過塞曼減速器和461 nm減速激光的共同作用，原子達到磁光阱中心區域時原子的最可幾速率由500 m/s減為50 m/s左右。減速后的原子進一步被轉入到以461 nm為俘獲光的藍磁光阱，完成原子的第一級冷卻，此時原子溫度為mK量級[17]。為了使藍磁光阱原子冷卻中能級封閉，再加入679 nm、707 nm重泵浦光，從而提高俘獲效率。整個一級冷卻過程中，激光處于打開狀態，當進行到二級冷卻階段則需要利用時序信號將一級冷卻光和重泵浦光關閉。
| 圖 1 鍶原子光鐘實驗裝置示意圖(圖中MOT為磁光阱，Zeeman Slower為塞曼減速器，λ/2為二分之一波片，λ/4為四分之一波片，Fiber為光纖，HR為平面反射鏡，valve為角閥，PD為光電探測器，Shutter為機械開關，Pump為離子泵，Grating為光柵)Fig.1 Experimental setup of strontium optical lattice clock，where MOT means Magnetic Optical Trap，λ/2 means half-wave plate，λ/4 means quarter-wave plate，HR means high reflectivity mirror，PD means photoelectric detector，shutter means mechanical shutter，pump means ionic pump. |
二級冷卻分為寬帶冷卻和窄帶冷卻兩個步驟。經過一級冷卻的原子速度分布較大，需要先進行寬帶冷卻，利用聲光調制器(Acoustic Optical Modulator，AOM)將689 nm激光頻帶展寬，并使頻帶負失諧于原子共振頻率；再改變AOM的調制頻率，用單頻光進行窄帶冷卻，將原子冷卻到μK量級[18]。從一級冷卻到二級冷卻的過程中，磁光阱上下兩個窗口的反赫姆霍茲線圈產生梯度變化的磁場，通過線性變化的時序信號控制線圈電流得以實現。
813 nm激光輸出后經過一組透鏡和0°全反鏡往返對射形成光晶格，移動透鏡位置將光晶格束腰放在磁光阱中心，通過單模保偏光纖實現對激光模式的空間濾波及偏振控制。實驗中二級冷卻激光關斷后，打開813 nm激光，將原子囚禁在光晶格中，即將原子限制在Lamb-Dicke區[19]，消除一階多普勒效應、反沖效應和碰撞效應，利用重力場消除相鄰晶格間的原子隧穿效應，提高鍶光鐘信號的精確度。
鐘躍遷譜線掃描前需要將698 nm鐘激光鎖定在高穩腔上從而使其線寬達到赫茲量級，按鍶光鐘的運行周期同步掃描鐘激光的頻率，實現鐘躍遷譜線的探測。
圖 2為鍶原子光晶格及探測系統示意圖。其中一級與二級冷卻激光合光后分三束從空間3個垂直方向注入MOT并原路返回；813，698，461 nm 探測光合束后與一束冷卻光共用一個窗口注入MOT。在垂直于原子束的水平方向上放置光電倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)(濱松H11526-20-NF)和電子倍增電荷耦合器(Electron Multiplying Charge Coupled Device，EMCCD)(Andor iXon Ultra 897)進行熒光探測和冷原子團的圖像監測。其中，通過商用光學鏡頭(Nikon ED AF MICRO NIKKOR 200 mm 1:4D)將MOT在EMCCD上成像；通過濾光片、光闌和透鏡組將冷原子團成像在PMT上。
| 圖 2 88Sr原子光晶格及探測系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of MOT |
圖 3是鍶光鐘實驗中各個單元運行的時序圖。其中，461 nm探測光(第四部分有詳細敘述)和PMT的探測時間都是幾十μs，故這里要求時序控制系統的延遲精度至少應達到μs量級。
| 圖 3 鍶光鐘系統時序圖Fig.3 Diagram of system sequence of Sr optical lattice clock |
整個實驗過程中，控制系統包括時序控制系統和鐘躍遷譜線掃描系統，如圖 4所示，它們都由軟件和相應的數據采集硬件裝置組成。控制對象主要包括光場、磁場以及復合測量系統。其中，光場、磁場的具體受控單元為：461 nm激光(五束激光：一束減速光、三束俘獲光和一束探測光)、689 nm 激光(一束激光兩路控制：寬帶和窄帶冷卻光)、679 nm和707 nm重泵浦激光、813 nm激光和698 nm 鐘激光，通過AOM(MT250-B100A0.5-VIS)和機械開關(SRS470)控制；磁場線圈(通過磁光阱控制電路和繼電器控制)和原子束(通過機械開關控制)。復合測量的具體受控單元為PMT、EMCCD以及信號發生器。其中PMT和EMCCD自帶有觸發接口，可直接接收時序觸發信號，信號發生器通過GPIB控制器與工控機(研華IPC-610)通信。
| 圖 4 程控系統原理示意圖(圖中IPC為工控機)Fig.4 Schematic diagram of program control(IPC means Industrial Personal Computer) |
3 時序控制系統
時序控制系統為整個光鐘控制系統的核心，它主要由時序控制軟件和虛擬儀器硬件構成，主要包括NI PCI6713八通道模擬輸出卡(含兩路計數器通道)、NI PCI6723三十二通道模擬輸出卡(含兩路計數器通道)和RTSI總線一根(用于PCI6713和PCI6723的聯接，進行時間同步)。
3.1 原子束與激光的時序控制
通過機械開關對原子束進行關斷，在真空系統內部放入專門的機械開關(美國Vincent公司的NS15B1T0L)，通過外部電極連接時序信號進行控制。
在光路中加入AOM可以同時實現對激光的關斷、移頻和調制。但AOM無法徹底地關斷操作激光，這里所用AOM的關斷延遲為160 ns，衰減為33 dB，剩余的射頻會引起少量的衍射光進入MOT區，導致光晶格壽命的減短。需要在光路中加入可以徹底關斷激光的機械開關來配合操作。圖 5為AOM和機械開關聯合控制光開關的示意圖。
| 圖 5 激光開關控制連接示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser switch |
首先在信號源和功放之間加一個高度隔離開關(圖 5中的開關，Mini Circuits公司ZSWA-4-30DR)，給開關輸入相應的時序信號以進行AOM的關斷控制。再在衍射光路徑上安裝一個機械開關(關斷延遲500 μs)，以保證激光的徹底關斷。在關閉光源時，先關AOM，再關機械開關；在打開光源時，先打開機械開關，再打開AOM。
另外，二級冷卻光源689 nm激光寬帶到窄帶冷卻的轉換實現原理如圖 6所示。
| 圖 6 二級冷卻寬帶與窄帶激光控制轉換連接圖Fig.6 Switching of broad band laser and narrowline width laser in second stage cooling |
利用兩組不同的射頻信號作為689 nm寬帶與窄帶激光的調制信號，分別輸入兩個開關(如圖 6中的開關1和開關2)，再使用信號合路器(Mini Circuits公司ZSC-2-1+)，將兩組信號合并，再經功放將信號連接到AOM。這樣，在689 nm激光通過AOM時，由兩組時序信號控制兩個開關，即可自由控制寬帶激光與窄帶激光的切換與開關。