鍶原子光鐘鐘躍遷譜線探測中的程序控制（二）

3.2 磁場的時序控制

磁場的控制涉及梯度磁場與誘導磁場的產生與控制兩個方面。

磁場與光場的時序控制有所區別，主要體現在磁場梯度的控制。在二級寬帶冷卻中，為了壓縮冷原子團的大小，要將磁場梯度線性增大，需用相同形狀的時序信號來進行觸發和控制；但磁場在關斷時會產生一個較大的自感電流，為了消耗該電流以保護磁場線圈，需要在很短的時間內將磁場進行完全關斷，故磁場控制信號的延遲精度應更高。將MOT亥姆赫茲線圈驅動電源連接到專門設計的磁光阱控制電路，該電路主要是將恒定的電源電壓轉化成為可以隨任意波形時序信號改變的電流信號，變化的電流輸入到磁場線圈從而產生變化的梯度磁場。將電源連接到控制電路的兩個輸入端口，線圈接到控制電路的兩個輸出端口。電路的設計原理如圖 7所示。在迅速關斷電流時，反接的兩個二極管用以保護線圈，并保證線圈電流的迅速關斷。通過改變時序信號，由OP27驅動IGBT(1MBI400N-120)將輸出的電流進行變換。

這里的時序信號不同于常規的TTL電平信號，它是梯度變換的，時序信號如圖 8所示。其中U表示實際的輸出電壓值，t表示這一電壓值的輸出時間。

模擬輸出卡可以實現這樣的時序信號。程序將完整的信號隊列分為幾個部分，并根據前面板輸入的電壓值、電壓持續時間可連續輸出這個時間段內的電壓。

誘導磁場的產生是將MOT線圈中的一路電流反轉的過程。在磁光阱控制電路和MOT下方磁場線圈之間串聯一個繼電器，通過時序信號的高低電平改變繼電器開關的方向，從而達到電流的反轉。將線圈的接線端正接到繼電器則產生與上線圈方向相反的電流，從而產生梯度磁場，用以進行冷原子的俘獲；反接則產生相同方向的電流，產生誘導磁場，使得³P₁與³P₀態有一定程度的混合^[20]，從而有一定的躍遷幾率，用以探測鐘躍遷。

3.3 時序控制系統的軟件設計

該時序控制程序設計的關鍵在于任意波形的產生以及每個通道輸出信號的同步。重點在于模擬通道時序信號的輸出。這里將LabVIEW程序面板測量I/O中數據采集定時VI(DAQmx timing)設置為“使用波形(Use Waveform)”格式，需要將輸出的信號設計成為可以觸發主函數中采樣時鐘的波形格式，再通過計數器產生的內部觸發來觸發信號的循環輸出。具體可參見LabVIEW函數庫中基本函數發生器(Basic Function Generator. VI)的編程方法，這里其實就是通過編程設置自己所需要的函數產生VI。在主函數中調用數據采集任務屬性節點(Task Node)中“通道數(NumChans)”作為For循環的循環次數。對于PCI6713，For循環次數為8(PCI6723則為32)，從0~7每一個循環中調用一種需要的子函數，這也對應著實際信號輸出所對應的物理通道序號，將產生的總波形用作時鐘的參考并輸出。

圖 9為整個程序的設計流程圖。計數器通道的信號精度要高于模擬通道，利用PCI6713的一條計數器通道Ctr0作為整個時序的內部觸發源，來觸發其它所有通道的信號輸出。Ctr0的輸出任務也作為程序的主控任務，其它所有通道均為被控輸出任務。需要在任務的循環輸出之前設置任務輸出的先后順序，將所有的被控任務都同時并提前于主控任務開始，這是為了讓受控端口事先進行等待，這樣主控設備啟動的同時，所有受控端口都將同步進行輸出。

在使用軟件時，對于計數器通道，輸入高低電平以及初始延遲時間即可；對于模擬通道，則需輸入電平大小(5為高電平，0為低電平)以及持續時間。軟件前界面還顯示了模擬通道輸出信號的波形圖，以便觀測與記錄實驗結果。每個通道輸出信號的時間長度必須一致，這是由于信號的輸出是由設置好的波形觸發的，每個數組的長度需一致。

4 鐘躍遷譜線掃描系統

原子在經過一級冷卻、二級冷卻、光晶格裝載的過程后，得到了適用于鐘躍遷探測的冷原子樣品。

在進行鐘躍遷譜線復合測量^[21]時，首先利用698 nm激光脈沖將基態原子泵浦到³P₀態，此時有部分原子發生了躍遷。用一束461 nm激光進行探測，由于¹S₀~¹P₁躍遷的自發輻射速率很強(2×10⁸/s)，可激發較強的熒光信號，同時產生較大的輻射壓力，將基態原子推出光晶格，用PMT可觀測到一個熒光信號A；再用重泵浦激光將之前³P₀態上的原子泵浦回¹S₀基態，用461 nm探測光再次探測，可觀測到另一個熒光信號B，這一過程的時序可參見圖 3。在每一個周期內，改變一次698 nm激光的頻率，系統在信號源所設置的正確掃描頻率范圍運行之后，可以得到完整的鐘躍遷譜線信號。數據采集卡連續采集此過程，利用每一個周期內兩個熒光信號的峰值進行歸一化的躍遷幾率B/(A+B)計算，并給出相應的數據和波形圖。通過軟件同步實現對信號源的遠程頻率控制，實驗中可隨時更改信號掃描的相關參數，并在掃描結束時自動停止熒光信號的采集。

鐘躍遷譜線掃描需要的核心硬件包括數據采集卡NI USB6341、GPIB控制器、PMT、電流前置放大器(Newport公司的70710QE，將PMT采集到的電流信號轉換為電壓信號并加以放大輸入到數據采集卡)，以及安捷倫E8663D型信號發生器，通過AOM對698 nm激光器進行步進掃描。

圖 10為譜線掃描軟件的流程圖。該軟件還可以直接采集熒光信號，這里使用歸一化采集模式。數據采集與儀器的遠程控制在程序得到觸發信號后同時開始。

4.1 數據采集

數據采集前要配置采樣參數，整個鍶光鐘的運行周期為1.5 s，461 nm激光兩次探測的時間間隔為11 ms，兩次探測時間均為4 ms；需要在同一周期內采集到兩個熒光信號A，B，故將PMT的探測時間設為20 ms；這里將數據采集卡每周期的采集時間設置為30 ms，對信號進行完整的采集，保證了采集信號的分辨率和信號的完整性，程序運行需要時序信號進行觸發。這些參數都可以在前面板進行設置，并根據實際情況進行相應的更改。

軟件搜索采集熒光信號的最大值，該最大值正比于躍遷的原子數目。在每個采集周期中會搜索兩個最大值，即上文提到的A和B，采集到完成后即進行相應的歸一化計算。

由于鍶光鐘整個系統較為龐大，所以噪聲來自諸多方面，采集結果自然也存在誤差。這里影響較大的是晶格光813 nm激光雜散光帶來的信號本底波動，主要表現在采集到的信號上下浮動較大，而鐘躍遷信號本身又較為微弱，如果使用直接采集到的信號則無法觀測到理想信號，所以需要利用程序消除采集到的波動。這里將采集信號中的10個點進行平均，用直接采集到的信號將該平均值減去，觀測原子的躍遷幾率。前面板顯示的采樣信號圖形的橫坐標即為點數，輸入10個波動值所對應的點數即可，程序將自動算出平均值并進行相減。

運行程序后可以在前面板觀察直接采集的信號、處理后的峰值信號(即鐘躍遷信號)以及處理前的峰值信號，然后根據處理前后峰值的對比觀察系統的波動狀態。

4.2 儀器遠程控制

在鐘躍遷譜線掃描的過程中，需要利用信號源對698 nm激光器進行頻率掃描。軟件對信號源進行了遠程操控，可以直接在電腦上對其進行操作，并實時顯示當前的頻率與幅度值。在前面板輸入起始頻率、結束頻率、掃描步長和信號幅度，點擊運行即可。程序運行過程中前面板顯示當前信號源頻率與幅度值，并在信號源掃描結束后直接停止整個程序。

對儀器的控制要參照儀器本身的編程手冊^[22, 23]，并需要在軟件編程中設置儀器的GPIB地址、超時和相應的指令語句。

4.3 實驗結果

圖 11為采集到的完整的歸一化躍遷幾率圖。698 nm激光的掃描頻率為239.53~239.21 MHz，掃描步長為1 kHz，激光功率為6 mW，光斑直徑為0.2 mm，得到的鐘躍遷譜線中心載波的半高全寬(Full Width at Half Maximum，FWHM)約為2.7 kHz。如果將激光功率降低至1 mW，磁場強度降至0.05 mT，可以得到載波線寬為180 Hz的鍶原子鐘躍遷譜線(如圖 11中插圖所示)。

5 結 論

本文設計了鍶原子光鐘的自動控制系統，包括時序控制系統和信號采集處理系統。完成了鍶原子的兩級冷卻和光晶格囚禁，并成功獲得了鍶原子光鐘的鐘躍遷譜線。譜線所展現的高信噪比和窄線寬特點表明，整個鍶光鐘系統的運行較為穩健，也說明本文所設計的自動控制系統符合鍶原子光鐘的要求。數據采集卡模擬輸出通道輸出的時序信號，TTL上升沿時間為1 μs，計數器通道輸出的TTL上升沿時間在百ns級別，每路信號之間的延遲小于5 μs，滿足鍶原子光鐘實驗的控制精度要求。

參考文獻