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冷原子自旋波Fabry-Pérot干涉的实验实现及其在磁场测量中的应用

批准号:
12104521
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
韩成银
依托单位:
学科分类:
光量子物理和量子光学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
韩成银

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
基于相干布居数囚禁的Ramsey干涉已经广泛应用于原子磁力计和原子钟等领域,但得到的光谱包含许多振幅相近的振荡条纹,很难通过识别中心条纹准确地给出共振频率。基于腔内经多次反射形成的多光束干涉,光学Fabry-Pérot干涉仪已被广泛应用于空间滤波。借鉴Fabry-Pérot腔空间滤波的思想,基于激光冷却的铷-87原子系综,本项目拟探索:(1)双Λ型相干布居数囚禁中时域自旋波Fabry-Pérot干涉的实验实现;(2)利用时域自旋波Fabry-Pérot干涉测量由超精细能级的朗德g因子差异引起的磁不敏感跃迁谱线的劈裂,实现磁场的测量;(3)利用时域自旋波Fabry-Pérot干涉测量由线性Zeeman效应引起的磁敏感跃迁与磁不敏感跃迁的频率差,实现磁场的测量。本项目的顺利开展不仅能增进对多脉冲多路径量子干涉的理解,并且能广泛应用于精密光谱和精密磁场测量之中。
英文摘要
Ramsey interference via coherent population trapping has been widely used in such fields as atomic magnetometers and atomic clocks. Nevertheless, the corresponding spectrum contains numbers of almost identical oscillations and so that it is difficult to identify the central fringe accurately. Based on the multi-beam interference generated by multi-reflection in an optical cavity, the Fabry-Pérot interferometry has been widely used for spatial filtering. Borrowed the ideas from spatial filtering of a Fabry-Pérot cavity and based on the laser-cooled Rb-87 atoms, this proposal will study: (1) experimental realization of temporal spinwave Fabry-Pérot interferometry via the double-Λ system of coherent population trapping; (2)use the temporal spinwave Fabry-Pérot interferometry to realize magnetic field measurement via the splitting of the magneto-insensitive transition caused by the different g factors of ground-state hyperfine levels; (3) use the temporal spinwave Fabry-Pérot interferometry to realize magnetic field measurement via measureing the frequency difference of the magneto-insensitive transition and magneto-sensitive transition caused by linear Zeeman effect. This proposal would not only improve the understanding of multi-pulse multi-path quantum interference, but also be widely used in precision spectrum and precision magnetic field measurement.
相干布居数囚禁(Coherent population trapping, CPT)利用相干拉曼光探测原子跃迁频率,替代体积和功耗较大的微波腔,更易于小型化和集成化,是发展实用型量子传感器件的重要手段之一。冷原子处于洁净的真空环境中,没有缓冲气体诱导的频移,能弥补热原子CPT光谱准确度低的问题。然而,激光冷却和囚禁的冷原子数量远小于气室中的热原子数,导致冷原子CPT光谱的信号强度低于热原子CPT光谱。为了提高光谱的信噪比,本项目开展了基于CPT-Ramsey干涉测量的研究,主要研究内容包括:(1)冷原子相干布居数囚禁实验系统的优化。研制基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和电流反馈环路的精密磁场控制系统,并将其应用于冷原子相干布居数囚禁实验上,证明了由磁场稳定系统引起的二阶塞曼频移波动低于 10^(−14) 的水平;(2)多脉冲CPT-Ramsey干涉测量。基于激光冷却铷87原子系综的双Λ型相干布居数囚禁,实现时域自旋波的Fabry-Pérot干涉,并全面阐述了基于冷原子CPT-Ramsey干涉的测量,包括常规和多脉冲技术,探讨了其在实际量子传感器中的潜在应用;基于相位调制的 CPT-Ramsey 谱线,开展了自平衡 Ramsey 实验, 通过改变自由演化时间形成两个反馈回路,利用反对称误差信号补偿光频移和锁定钟跃迁频率,展示基于自平衡 Ramsey 方案的 CPT 原子钟降低了对光频移的敏感性,提高冷原子 CPT 钟的频率长期稳定性。(3)结合CPT-Ramsey干涉,利用贝叶斯量子参数估计提高测量的精度。利用贝叶斯量子参数估计在积分时间尺度上实现了海森堡标度T^(-1)的钟跃迁频率测量,并用于此原子钟的闭环锁定;结合贝叶斯量子参数估计,利用磁敏感能级跃迁的CPT-Ramsey干涉实现了直流磁场强度测量,测量灵敏度为7pT/Hz^(1/2)。
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