一种精确测量原子喷泉冷原子团温度的方法
冷原子钟原理
冷原子钟原理冷原子钟是一种高精度的原子钟，利用冷却和操控原子的技术来实现更高的时间测量精度。
它的原理基于原子的量子特性和原子的能级结构。
在传统的原子钟中，常用的是铯原子。
而冷原子钟则使用了一种特殊的原子，如铷原子或钇原子。
这些原子在低温下被冷却到几乎接近绝对零度，使得原子的热运动几乎停止，从而降低了由于原子热运动引起的频率不稳定性。
冷却原子的技术主要有两种方法，一种是激光冷却，另一种是磁致冷却。
激光冷却是利用激光束对原子进行冷却，通过选择激光的频率和功率，可以将原子冷却到极低的温度。
磁致冷却则是利用强磁场对原子进行冷却，通过调节磁场的强度和方向，可以将原子冷却到几个微开尔文以下的温度。
在冷却到低温后，原子将进入玻色-爱因斯坦凝聚态或费米-狄拉克凝聚态。
在这种凝聚态下，原子的量子特性将得到显著增强。
其中，玻色-爱因斯坦凝聚态是一种所有原子处于同一量子态的凝聚态，而费米-狄拉克凝聚态是一种由费米子组成的凝聚态。
利用冷却原子的量子特性，冷原子钟可以实现更高的时间测量精度。
一种常用的方法是利用原子的共振频率进行时间测量。
在冷原子钟中，原子的共振频率可以通过激光束对原子进行激发来测量。
当激光的频率与原子的共振频率相等时，原子将吸收光能，进入激发态。
通过测量激发态的原子数量，可以确定原子的共振频率，从而得到更精确的时间测量结果。
除了共振频率，冷原子钟还可以利用原子间的相干相互作用来实现精确的时间测量。
在冷原子钟中，原子之间存在一种称为“双原子相干”的特殊相互作用。
通过控制原子之间的相互作用，可以实现原子之间的信息传递和处理，从而实现更高的时间测量精度。
冷原子钟的原理和技术在科学研究和实际应用中具有广泛的应用前景。
在基础科学研究中，冷原子钟可以用于实现更高精度的时间测量，从而帮助科学家们更好地理解和探索自然界的规律。
在导航和通信领域，冷原子钟可以用于提供更精确的时间标准，从而提高导航和通信系统的性能。
此外，冷原子钟还可以应用于惯性导航、地球引力探测、精密测量等领域。
激光冷却铯原子喷泉频标的黑体辐射频移
激光冷却铯原子喷泉频标的黑体辐射频移激光冷却铯原子喷泉频标是一种高精度的频率标准。
它利用激光冷却技术来增加原子喷泉中铯原子的密度，并通过黑体辐射来确定原子频率。
具体来说，激光冷却铯原子喷泉频标使用多个激光来对铯原子进行冷却，这样可以使原子的速度降低到几乎为零，并将原子的密度增加数百倍。
之后，通过观测铯原子中的黑体辐射来确定原子频率。
由于黑体辐射是由原子核产生的，因此频率非常稳定。
黑体辐射频移指的是黑体辐射的频率与其理论频率之间的差异。
这种差异可能由于温度效应、压力效应等原因造成，因此需要进行校准。
使用激光冷却铯原子喷泉频标可以使黑体辐射频移达到非常小的值，达到高精度频率测量的要求。
激光冷却铯原子喷泉频标在频率测量中具有重要意义，因为它可以提供非常高精度的频率值。
这对于一些需要高精度频率测量的应用非常重要，例如：
原子钟：激光冷却铯原子喷泉频标可以用于确定原子钟的频率，这是目前最稳定和精确的频率标准之一。
频率合成器：激光冷却铯原子喷泉频标可以用于校准频率合成器，以确保其频率精度。
频率标准：激光冷却铯原子喷泉频标可以用于确定其它频率标准
的频率值。
科学研究: 激光冷却铯原子喷泉频标在物理学、化学等领域有着广泛的应用，可以用来研究原子和分子的性质。
总之，激光冷却铯原子喷泉频标是一种高精度的频率标准，它通过激光冷却和黑体辐射来确定原子频率，为频率测量和科学研究提供了重要的技术支持。
锶原子多普勒冷却温度的测量
（．中国科学 院时 间频 率基 准 重 点 实验 室 （ 家 授 时 中心 ） １ 国 ，陕 西 西 安 ７ ０ ０ ； ２ 中 国 科 学 院 研 究 生 １ ６ ０ ．
院 ，北 京 １ ０ ３ ） ０ ０ ９
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０ 引 言
近年 来 ， 光 冷 却 与 俘 获 在 量 子 光 学 、 光 光 激 激 谱 学 、 子 频 标 方 面 得 到 广 泛 地 应 用 ［ 。激 光 冷 量 １ ］
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翟荟 冷原子物理讲义
翟荟冷原子物理讲义冷原子物理是一门研究冷原子和困难模型系统的物理学科，它涉及到原子的冷却、捕获和调控，研究物质的量子行为和相干性。
翟荟冷原子物理讲义是一本权威的教材，涵盖了冷原子物理的基本概念、理论和实验技术等内容。
冷原子物理的核心研究对象是冷原子，它们经过冷却技术使得原子的动能降低到非常低的温度，可以达到几纳开尔文甚至更低。
冷原子的研究使得我们可以探索量子行为和量子相干性，开辟了一扇窗户，让我们更深入地了解和利用量子力学。
冷原子物理中最重要的冷却技术之一是蒸汽冷却。
通过激光冷却和蒸汽冷却的组合，可以实现冷原子的捕获和冷却。
激光冷却利用激光与原子的相互作用，通过光压效应将原子的动能转移到光场中，从而使得原子的速度降低。
蒸汽冷却利用原子与冷却剂分子的碰撞，将原子的动能传递给冷却剂分子，从而实现冷却。
这些冷却技术使得冷原子的温度降低到几微开尔文以下，为进一步的研究提供了条件。
冷原子物理中的另一个重要概念是玻色-爱因斯坦凝聚。
玻色-爱因斯坦凝聚是一种量子态，它是由玻色子组成的大量粒子在低温下出现的一种现象。
玻色-爱因斯坦凝聚是量子统计效应的体现，它具有相干性和凝聚性，可以用来研究凝聚态物质的性质和量子信息处理等方面的问题。
冷原子物理中的实验技术也是非常重要的。
在实验中，我们需要设计和构建冷却系统、激光系统和探测系统等。
冷却系统用于降低原子的温度，激光系统用于操控和测量原子，探测系统用于检测和记录实验结果。
这些实验技术的发展和应用使得冷原子物理成为一个充满活力和潜力的领域。
翟荟冷原子物理讲义系统地介绍了冷原子物理的基本概念、理论和实验技术。
讲义中详细阐述了冷却技术的原理和方法，玻色-爱因斯坦凝聚的产生和性质，以及实验技术的设计和应用。
讲义中还包含了大量的例题和习题，帮助读者更好地理解和掌握冷原子物理的知识。
翟荟冷原子物理讲义是一本权威的教材，适用于物理学专业的本科生和研究生，以及从事冷原子物理研究的科研人员。
冷原子技术探索量子物理的极限
冷原子技术探索量子物理的极限冷原子技术是一种近年来备受关注的物理研究领域，它将量子物理学的研究推向了一个新的高度。
通过降低原子的温度，使其接近绝对零度，冷原子技术为我们探索量子物理的极限提供了新的途径和实验手段。
本文将介绍冷原子技术的基本原理、应用领域以及在量子物理研究中的重要进展。
一、冷原子技术的基本原理冷原子技术的基本原理是利用激光和磁场对原子进行强迫冷却，使其温度接近绝对零度。
冷却原子的方法主要包括“光致冷却”和“磁致冷却”。
光致冷却是利用激光的辐射压力把原子从高能级状态冷却到低能级状态，实现原子的冷却。
磁致冷却则是通过磁场的作用将原子限制在一个特定的区域，在这个区域内通过调节磁场的强度使原子的熵降低，从而实现原子的冷却。
冷却原子后，我们可以通过进一步的操控来研究原子的量子行为。
二、冷原子技术的应用领域冷原子技术在很多领域都有广泛的应用。
首先，在量子信息处理方面，冷原子技术可以用来制备量子比特，并进行量子计算和量子通信的研究。
通过将原子束缚在特定的光学场和磁场中，可以实现对原子的精确控制，从而构建出高效且稳定的量子比特。
其次，在凝聚态物理学中，冷原子技术可以模拟出量子多体系统，帮助我们理解和研究固体材料的性质和行为。
此外，冷原子技术还在原子物理学、光物理学、粒子物理学等领域有广泛的应用，为研究者提供了一个开放的实验平台。
三、冷原子技术在量子物理研究中的进展冷原子技术在量子物理研究中取得了一系列重要的进展。
首先，通过冷原子技术，科学家们实现了玻色-爱因斯坦凝聚态的研究。
玻色-爱因斯坦凝聚态是一种具有特殊量子性质的物质状态，通过冷却原子，使原子的密度达到一定程度，可以实现玻色-爱因斯坦凝聚态的形成。
其次，冷原子技术也被应用于制备超冷分子。
超冷分子是一种冷却到极低温度的分子态，具有很强的凝聚性和相干性，可以用来研究分子的量子行为以及化学反应的量子效应。
最后，冷原子技术还帮助科学家们实现了原子钟的高精度控制，提高了时间测量的精度和稳定性。
空间冷原子钟
空间冷原子钟
空间冷原子钟是利用冷原子物理方式进行较精确时间频率测量的一种高精度和高稳定性技术，已成为全球定位精确时间比配和调度参考标准技术。
冷原子物理学原理是：在非常低温下，原子可被非常小的脉冲强射光颗粒捕获，并形成Bose-Einstein凝聚态，然后像一簇跳跃动力学一般拆散在连续波中，原子在自旋变换方面由于施加的超强磁场，发生Raman激发的两个态之间的调制，从而利用原子的自旋方向
瞬时反映出光颗粒的瞬时变化，从而形成原子钟的基础。
空间冷原子钟的工作原理是，利用激光技术，对冷原子样品进行多脉冲有序加工，把冷原
子样品分割成能量档位更加精确的形态。
当冷原子达到目标温度层，量子特性满足限制条件，激光射入冷原子探测器，冷原子定位检测系统启动并保持有序加工，完成激光多次相
互克服的操作，实现空间冷原子的较精确的孔径定位，把原子的能量层次从少量的低能状态变成量子弹性。
在循环操作原子，将能量层次从少量高能状态重复反弹至特定低能状态，将有助于高精度地证明输入时间与实际时间吻合，从而可以达到较高精度的时间频率测量，以及全球定位精确时间比配和调度等功能。
空间冷原子钟技术不仅被用于国内外时钟设备制造企业，其应用也逐渐拓展为钟表制表中心，环境、气象监测行业，无线电技术，海洋探测等行业，同时也用于跨国军事和军事通
信系统，为各行各业高精度、高稳定性应用提供了特别强大的时间调节支持力量。
原子干涉型重力仪的原子团温度
原子干涉型重力仪的原子团温度《原子干涉型重力仪的原子团温度》原子干涉型重力仪，这可是个相当神奇又复杂的玩意儿。
那原子团温度在其中就像是一场神秘聚会里的特殊氛围。
想象一下，原子们就像一群小小的精灵，在原子干涉型重力仪这个特别的舞台上跳舞。
原子团温度呢，就决定了这些小精灵们跳舞的状态。
如果温度太高，这些原子小精灵就像是被热得晕头转向的孩子，到处乱窜，完全没有什么秩序可言。
它们原本应该整齐地参与到干涉这个奇妙的舞蹈动作里，可这一热，就乱了套。
就好比一场精心编排的舞蹈表演，演员们突然被放进了一个闷热的房间，大家都心烦意乱，哪还能好好跳舞呢。
从另一个角度看，要是温度太低了呢。
原子小精灵们又好像被冻僵了，动作变得迟缓，没有了那种灵动的感觉。
就像冬天里，你想让手指灵活地做些精细的动作，比如穿针引线，可手被冻得不听使唤。
原子们也是这样，在过低的温度下，它们难以快速地进行干涉相关的动作，这样一来，原子干涉型重力仪想要准确测量重力就变得困难重重。
我曾经试着去理解原子干涉型重力仪的原理，那真的是如同钻进了一个满是谜题的迷宫。
当了解到原子团温度的影响时，我就感觉像是在迷宫里发现了一个隐藏的机关。
这原子团温度就像是一把隐藏的钥匙，掌握不好，就打不开准确测量重力这个大门。
原子团温度合适的时候，原子们的状态简直完美。
它们就像是训练有素的士兵，在指令下整齐划一地进行干涉动作。
每一个原子都知道自己该做什么，这种有序性就为原子干涉型重力仪的高精度测量提供了绝佳的条件。
就像一群配合默契的工匠，齐心协力打造一件无比精密的艺术品。
在实际操作原子干涉型重力仪的时候，要把原子团温度控制在一个恰到好处的范围可不容易。
这需要各种复杂的设备和精细的调控手段。
就好比要烹饪一道极其精致的菜肴，调料的用量、火候的大小都得精确无比。
原子团温度这个调料要是放多了或者放少了，那最后的结果肯定是不尽如人意的。
原子干涉型重力仪的原子团温度是一个非常关键的因素。
它对整个测量的准确性有着深远的影响。
冷原子钟效应
冷原子钟效应
冷原子钟效应是一种利用冷原子技术来提高原子钟稳定性和准确性的方法。
传统的原子钟使用热原子进行测量，但由于热原子具有较高的速度分布和热运动，会导致钟频的不稳定性和不准确性。
冷原子钟利用激光冷却和蒸发冷却等技术将原子冷却到极低的温度，使其速度减慢到几厘米每秒的量级。
经过冷却后的原子具有较低的能量和较小的热运动，从而可以提高测量的准确性和稳定性。
冷原子钟效应主要包括两个方面的作用：一是冷原子的速度分布较窄，可以减小由于多普勒效应引起的钟频偏移。
二是冷原子的热运动较小，可以减小由于碰撞效应引起的钟频偏移。
冷原子钟效应已经在实验室中得到验证，并且在一些应用领域取得了很大的进展。
例如，冷原子钟已经被成功应用于地球引力场测量、精密导航和惯性导航等领域。
随着冷原子技术的不断发展，冷原子钟效应有望在更广泛的领域得到应用。
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一种精确测量原子喷泉冷原子团温度的方法 施俊如; 范思晨; 张首刚; 王心亮; 管勇; 阮军; 刘丹丹; 白杨; 杨帆; 张辉; 余凤翔 【期刊名称】《《物理学报》》 【年(卷),期】2019(068)019 【总页数】6页(P27-32) 【关键词】刀口法; 冷原子团; 高斯半径; 冷原子团温度 【作 者】施俊如; 范思晨; 张首刚; 王心亮; 管勇; 阮军; 刘丹丹; 白杨; 杨帆; 张辉; 余凤翔
【作者单位】中国科学院国家授时中心 西安 710600; 中国科学院时间频率基准重点实验室 西安 710600; 中国科学院大学 北京 100049
【正文语种】中 文
1 引 言 冷原子物理是近30年来物理学最热门、发展最迅速的领域之一[1−4], 激光冷却原子技术的发展促进了原子光学、冷原子钟等一些新的学科和技术的发展[5−11].“冷原子团”是冷原子物理研究中比较成熟的技术手段, 并在喷泉钟、原子干涉仪的研究中有广泛应用[12−14].冷原子团高斯半径和温度是反映其特性的两个主要指标[15−18].传统的测量冷原子团温度的方法有3种:1) 冷原子团释放再捕获法; 1985年首先由朱棣文实验小组[19]提出, 实验制备好冷原子团以后, 首先将其荧光信号强度测量出来, 迅速关断冷却光而释放真空腔中的冷原子团使其自由扩散, 几个毫秒后再次开启冷却光测量此时原子团的荧光信号强度, 测量时间非常短暂,测量过程不影响原子的运动状态.然后立刻再次关断冷却光, 重复以上过程, 直到荧光信号完全消失.通过拟合荧光信号强度随时间的变化, 可以测得冷原子团的温度; 2)飞行时间法; 1988年由 Lett等提出[20], 即在磁光阱中制备好冷原子团后, 立即关断冷却光而释放原子团, 原子团在重力作用下自由下落, 由于原子的热运动, 原子团在下落的同时伴随着膨胀, 在原子团正下方一定距离处设置一束共振探测激光, 原子团经过探测激光时被激发出荧光信号, 并被荧光收集系统所收集[21], 探测到的飞行时间信号的强度和宽度分别反映了原子的数目多少和原子团的温度高低; 3) 黏团扩展法 [22]; 与冷原子团释放再捕获法相似, 由Walhout等[23]在1995年提出, 即在关断冷却光后, 利用电荷耦合器件吸收成像技术拍摄原子团变化的图像, 根据吸收的强弱可以得到原子团空间密度分布的变化, 从而测得冷原子团的温度. 本文提出一种新型的测量冷原子团高斯半径和温度的方法.在应用磁光阱及偏振梯度冷却技术制备好冷原子团后, 将其释放使之自由下落, 在冷原子团竖直下落的不同高度处打入两束截面大于冷原子团切面, 且光强过饱和的横向近共振推除光光束(作用于原子后可使原子偏离原来的飞行轨道, 不能达到预定的探测区间).在两束推除光出射方向分别设置一个横向偏置的刀口光阑, 移动两个刀口光阑位置来控制推除光光束推走原子的比例,通过测量剩余冷原子数目与刀口位置的关系, 并利用理论公式拟合实验数据得出不同高度处冷原子团高斯半径, 并计算得到冷原子团温度. 2 模型与理论计算 铯原子经过磁光阱囚禁和偏振梯度冷却以后,冷原子团中的原子近似呈高斯球对称分布, 且在铯原子囚禁、偏振梯度冷却参数不发生改变的情况下, 每个周期自由下落的冷原子团在运行轨迹的同一高度上具有相同的尺寸和温度.以冷原子团中心为坐标原点O, 水平向右为x轴, 竖直向下为z轴.将冷原子总数设为常数1, 高斯球对称分布的冷原子团的原子数密度分布为: 其中s是冷原子团高斯半径.如图1所示, 从最左边以等间距Dx纵向切割冷原子团, 每次被推除的原子近似呈高斯对称分布的薄圆片.若冷原子团尺寸为 L, 总共会切出 m= L/Dx 个薄圆片.且刀口光阑移动到 x= d 时, 冷原子团被切掉了 j= (L/2 +d)/Dx 个薄圆片.其中位于 x= xi处的第 i个薄圆片原子数密度分布为: 图1 刀口法测量冷原子团温度模型Fig.1.The model of measuring the temperature of cold atomic cloud by knife-edge method.
第i个薄圆片的原子数目为: 剩余未被推除的原子数为: 由于高斯球对称分布的冷原子团会弥散在整个空间, 其尺寸L趋于无穷大, 因此归一化剩余原子数N0与刀口光阑位置d的关系为:
由(5)式可以得到不同冷原子团高斯半径下,归一化剩余原子数N0与刀口光阑位置d的关系.如图2所示, 随着刀口光阑向右移动, 剩余原子数目不断减小, 且冷原子团高斯半径越小, 剩余原子数目减小的速度就越快(对应图中曲线梯度更大).刀口光阑位于最左端时, 剩余原子数为1, 没有原子被推除; 刀口光阑位于最右端时, 剩余原子数为0, 所有原子均被推除.同时可以看出, 这 5条曲线相交于一点(0, 0.5)处, 即刀口光阑位于冷原子团正中心时, 剩余原子数为总原子数的一半.因此实验中可以通过刀口法测量冷原子团剩余原子数目与刀口位置关系, 拟合得到冷原子团高斯半径. 图2 不同高斯半径的剩余原子数与刀口位置关系Fig.2.The residual atom number versus knife-edge position with different Gaussian radii. 由原子、分子运动学理论可知, 冷原子团在下落的过程中发生自由膨胀.若冷原子团初始高斯半径为s1, 下落t时间后高斯半径膨胀为s2, 它们与冷原子团温度T满足关系式[24]:
其中 k= 1.38 × 10–23 J/K 是玻尔兹曼常数, M=2.25 × 10–25 kg 是铯原子质量. 实验中由于原子喷泉每一个周期俘获的原子数不完全一致、刀口移动位移不均匀, 会使冷原子团的尺寸测量产生误差, 从而使获得的冷原子团温度存在误差.若s1的误差为 δσ1 , s2的误差为 δσ2 ,可以得到温度的测量误差为:
实验中只要测量得到两个不同高度处的冷原子团高斯半径, 就可通过(6)式计算得到冷原子团温度, 和(7)式计算得到冷原子团温度误差. 3 实验与结果分析 3.1 冷原子团高斯半径测量与分析 国家授时中心铯原子喷泉装置在文献[25]中有过详尽描述, 在此系统上选择合适窗口搭建测温装置, 便可实现对冷原子团高斯半径和温度的测量, 如图3所示.在由六束呈(1,1,1)结构的对射冷却光和反亥姆霍兹线圈组成的磁光阱中制备好冷原子团后, 关闭磁场使原子团自由膨胀35 ms获得冷原子黏团, 并对其进行偏振梯度冷却, 30 ms后关闭冷却光自由释放冷原子团.在磁光阱中心正下方 h1= 10 mm 和 h2= 160 mm 处分别沿 y 方向横向打入一束扁平过饱和近共振推除光, 纵截面尺寸均为 2 mm × 20 mm、功率为 4 mW、频率锁定在铯原子 D2 线 62S1/2 F= 4 → 62P3/2 F'= 5 的跃迁线上, 推除光作用于原子后可使其偏离原来飞行轨道而不能到达预定探测区间.将两个安装在精密位移台上的方形横向偏置刀口光阑沿x方向分别架设在两束推除光正前方, 两刀口光阑尺寸均为 16 mm × 16 mm.在磁光阱中心正下方 h3=170 mm处, 将一束经由 0°高反镜形成纵截面尺寸为 0.5 mm × 40 mm 的扁平驻波探测激光束沿y 方向横向打入探测区真空腔, 功率为 2 mW, 频率与推除光频率相同.与探测光相垂直的x方向安装透镜组和光电探测器, 对飞行时间信号进行采集与探测.光电探测器由Thorlabs公司生产, 型号为 PDA36A2, 选用增益为 60 dB 的档位, 对应响应时间为18 µs, 探测到的原子数目与采集到的原子飞行时间信号的积分成正比[26]. 图3 刀口法测量冷原子团温度实验装置简图Fig.3.The schematic diagram of experimental setup for measuring cold atomic cloud´s temperature by knife-edge method. 实验中, 首先调节两个精密位移台, 使两个刀口光阑均完全遮住对应位置处推除光, 此时飞行时间信号最强.调节上面精密位移台, 使刀口光阑沿x 方向以步进 Dx= 0.5 mm 逐渐移动, 来控制推除光推掉的原子比例.此时, 随着刀口位置d的增加, 激光束推除的冷原子数目不断增加, 冷原子团的飞行时间信号不断下降.在每一刀口位置处, 通过多次释放冷原子团自由下落, 并测量剩余原子数后取平均, 得到对应的剩余冷原子数目.实验结果如图4(a)中圆点所示, 误差棒代表每一刀口位置处剩余原子数的起伏.按照归一化原子数目与刀口位置关系(5)式拟合得到黑色曲线, 测量得到在磁光阱中心正下方10 mm处冷原子团高斯半径为s1=1.54 mm, 误差为 δσ1=0.05 mm. 图4 磁光阱中心正下方 10 mm (a)和 160 mm (b)处的剩余原子数与刀口位置关系Fig.4.The residual atom number versus knife-edge position at height 10 mm (a) and 160 mm (b)under the center of magneto-optical trap. 调节上面精密位移台使刀口光阑恢复至初始位置, 并完全遮住推除光, 飞行时间信号强度恢复到最高状态.调节下面精密位移台使刀口光阑沿x 方向以步进 Dx= 0.5 mm 逐渐移动, 测量并记录每一刀口位置对应的剩余冷原子数目.实验结果如图4(b)中圆点所示, 应用(5)式拟合得到黑色曲线.测量得到在磁光阱中心正下方160 mm