基于多普勒测速法的永磁体塞曼减速器研究_韩建新.pdf

第 卷第期 年月光学技术 文章编号：（）基于多普勒测速法的永磁体塞曼减速器研究韩建新，史雅琪，赵亚丽，赵岩，白雪敏（晋中学院 物理与电子工程系，山西 晋中 ）（晋中学院 材料科学与工程系，山西 晋中 ）摘要：为实现锶原子光钟的空间应用，采用永磁体塞曼减速器，可有效规避塔状线圈造成的高功耗和体积占比大的问题，利于光钟的空间化发展。基于永磁体构建锶光钟的环状和柱状塞曼减速器，在减速原理、磁场构建和样品研制方面各有优劣，利用多普勒测速法可对两种减速器的减速效率进行测量，可将两种减速器的减速分布曲线累计分布后对比。实验结果表明：两种永磁体塞曼减速器都达到一定减速效果，但环状永磁体塞曼减速器在体积和减速效果上，相较单方向的柱状永磁体塞曼减速器，体积减少了，重量减少了，减速效果部分区域效率高一倍，因此优势更为显著。进一步采用环状永磁体塞曼减速器俘获锶原子的三种同位素，完成了小型化锶原子光钟的一级俘获，满足零功耗、体积小的紧凑化光钟设计需求。关键词：激光技术；塞曼效应；光钟；永磁体；塞曼减速器中图分类号：文献标识码：，（，）（，）：，：；收稿日期：；收到修改稿日期：基金项目：山西省高等学校科技创新项目资助（，）；山西省基础研究计划（自由探索类）（）；晋中学院博士及高层人才科研启动基金资助项目（）；山西省高等学校教学改革创新项目（）；晋中市科技重点研发计划（工业）项目（）作者简介：韩建新（），男，讲师，博士，从事空间光钟方面的分析研究以及相关系统控制。通讯作者：DOI:10.13741/ki.11-1879/o4.2023.02.002引言光学频率标准（以下简称光频标）已成为微波频率标准之后，原子频率标准有力竞争者之一，尤其是具有更加精准频率稳定度和不确定度的锶原子光钟系统，。作为迄今最精确的计时手段之一，高精度冷原子光频标是目前频率准确度最高的原子时间频率标准，在科研、国防、导航、通信、电力等领域应用潜力巨大，成为国际竞争激烈的关键科技领域。作为超高精度仪器设备，实现光频标应用其目标之一是“紧凑化”。相较于已得到广泛应用的微波频标，光频标实验设备仍占据较大体积，并且需要数百瓦功率才能运行。实现光频标系统紧凑化，使其可靠和高精度地运行，具有极高的挑战性和必要性。目前光频标领域以研究光钟性能为主，但国际上诸多研究小组已经开始研究车载光频标和空间应用 光 钟，年 德 国 物 理 技 术 研 究 院（，）研制了一套 基 于 原 子 可 长 距 离 移 动 的 车 载 光钟，稳定 度 达 到 ；年 日 本 研究小组同时研制了两台可移动锶原子光晶格钟，对比结果为稳定度和不确定度达到 量级，并验证爱因斯坦广义相对论，其他小组也在积极研发可移动紧凑化光学原子钟，对光钟紧凑化起到积极推进作用。国内 年中国计量科学院与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院共同研制成功了车载钙离子光钟，实现 运输后，光钟稳定度达 量级；中国科学院国家授时中心也致力于锶原子光钟的实验研究并完成闭环工作，独立研制车载锶原子光钟，不确定度达到 ，为空间光钟的研制提供了重要参考。对于地面中性原子光钟实验系统，一般采用线圈提供塞曼磁场完成原子初级减速工作，其占据光钟物理系统将近一半的体积、功耗数百瓦，因此对于光钟系统的紧凑化和空间化应用，集中于塞曼减速器的体积和功耗方面。由于永磁体具有体积小、重量轻、无功耗以及无热量产生的特点，因此用永磁体代替通电线圈构建塞曼减速器，将是光钟紧凑化发展趋势之一。构建磁场的永磁体有多种类型可供选择：径向充磁的环状永磁体 、轴向充磁的环状永磁体，以及柱状永磁体，等，选择不同类型的永磁体塞曼减速器，得到的减速结果不尽相同。本文将研究其中两种永磁体构建的塞曼减速器：轴向充磁的环状永磁体和柱状永磁体，在塞曼减速器磁场构建、样品分析以及减速效果测量方面进行对比，并得出最终比对结果。同时基于环状永磁体塞曼减速器，进行锶原子同位素一级俘获，为之后不同类型塞曼减速器比对提供一种有效的方式，同时也为光钟紧凑化方面的发展提供一定推进作用。理论分析与磁场设计 原子束塞曼减速中性原子光钟的原子来源于原子炉，而原子炉喷射出的原子速度高达数百米每秒，为开展科学研究装载入磁光阱中需要将原子速度降至几十米每秒。要达 到 减 速 原 子 的 目 的，可 采 用 机 械 减 速法、背景气体碰撞冷却、塞曼减速 等方法。最普遍的方法就是塞曼减速法，获得连续高通量原子束流后，需在原子束喷射反方向射入一束激光，利用自发辐射发射方向的随机性，将原子束平均速度降低。这种方式由于原子速度和激光频率之间存在多普勒效应，被减速的原子极易与对射激光脱离共振，而丧失后续减速效果。解决此问题常见方法是 补偿法，即通过 效应使得原子跃迁频率随位置变化，补偿因多普勒效应造成的频移，进而使喷射原子与对射激光随时保持共振状态。补偿法减速核心是利用光与原子散射力作用，从而使原子速度降低，散射力的一般表示为 （）式中，为对射激光的波数；为所作用原子的光子散射率，对锶原子的减速为 ；为约化普朗克常量；为饱和因子，其中为实验光功率密度，为饱和光功率密度；为有效失谐，式中第一项是激光失谐量 ，为入射激光频率，为原子跃迁频率，第二项为多普勒效应引起的原子跃迁频率变化，最后一项是 效应引起的原子跃迁频移量，其中为有效磁矩，为原子所处磁场。当 时散射力取到最大值，此时作用在原子上加速度最大为 ，而实验原子束所受到加速度与最大加速度之间存在比例系数，这一比例系数定义为，其满足 。在塞曼减速过程中，原子通过散射反向传播激光的光子而减速，设为原子和光传播轴，为使减速过程中原子与减速激光保持共振，将原子放置非均匀磁场（）中，通过塞曼效应造成的频移（）第期韩建新，等：基于多普勒测速法的永磁体塞曼减速器研究来补偿多普勒频移（）的变化。根据上述原理，其中非均匀磁场（）沿方向的变化，可表示为（）（）（）（）式（）即为 减速器轴向磁场的分布要求，以上除（）外其他几个物理量对于锶原子塞曼减速器均为常量，其中（）表示原子在自 处进入场后，速度随轴向位置变化的量。根据式（）可绘制非均匀磁场随位置变化曲线，如图所示。图 减速器轴向磁场分布图中为理想磁场分布曲线，其中模拟原子样品为 ，激光波长为 ，设计减速末速度为，减速器长度 。从式（）和图中实线变化趋势，可以得出所需磁场沿原子束方向磁场数值上递增的结论，这是由于是随正变化，实际轴向磁场强度是由大到小直至为零，之后磁场反向由小到大迅速变化。从磁场分布梯度变化趋势即图中点状曲线所示，磁场强度不是均匀变化，在近原子炉端塞曼减速器磁场强度梯度为 ，而在远离原子炉端磁场变化高达 ，两者相差将近倍。结合分析式（）中，在减速器末端减速的原子速度低，磁场梯度高，实验中因锶原子原子束减速后进入一级 最高俘获速率约为 ，塞曼减速器的末速度并不需要设计成，因此减速器设计末速度可设置为截止速度。柱状磁铁和环状磁铁的磁场构建减速器设计目的是构建合适的磁场，最简单有效的方式是利用线圈构建磁场，实验中也通常使用线圈来构建磁场，但此构建方式存在发热量大、功耗高的缺点，甚至有时候需要水冷系统辅助，因此在光钟空间化应用中尤为不利。而永磁体可以和线圈一样构建磁场，合理选择永磁体的材料和参数设计，也可实现上述功能，同时避免线圈带来的困扰。本文将采用两种永磁铁构建减速所需非均匀磁场：一种是形成类似磁偶极子的柱状永磁体，另一种是轴向充磁的环状永磁体。分析柱状永磁体构建磁场，可以假设放置在，处的单个磁偶极子，因磁场需求轴向方向，因此只分析沿轴磁场分布 为（）（）（）（）式中，为真空磁导率；为轴向位置；是单个磁偶极子的磁矩。由于柱状永磁体构成一对磁偶极子，在轴向不同位置放置一对磁偶极子，即可构建所需磁场。从磁场来源分析，柱状永磁体方向磁场提供沿轴向的分量，因此需要永磁体提供更大磁场，才能得到适宜的磁场。这一磁场设计调节参数共有有三个：一个是磁偶极子轴方向的位置，另一个是磁偶极子在轴向摆放位置，最后是由充磁材料决定的磁偶极子磁矩。环状永磁体包括轴向充磁和径向充磁两种类型，本文采用的轴向充磁环状永磁体磁场来源可以用环状电流理论来解释，其构造较为简单且主磁场方向为轴向沿原子束方向，其表示为（）（）（）（）（）（）式中，为永磁体等效表面电流密度，与充磁材料相关；为各环状永磁体轴向放置位置；为环状永磁体厚度；为磁环内径；为磁环外径。当设定磁铁厚度为固定值时，决定轴向某一位置磁场强度的参数为，和，在拟合参数时作为变量。对比永磁体拟合参数，相较于柱状永磁体，环状永磁体拥有更多调节参数，设计自由度更多，因此同等条件下更容易设计出符合要求的磁场，且设计完成后稳定度相对较高。图塞曼减速器构造示意图光学技术第 卷图是两种塞曼减速器构造示意图，根据磁场分布公式利用软件进行模拟计算构建塞曼减速器，图（）是柱状永磁体采用方向上下成对的形式进行构建，拟合时选定磁矩 的钕铁硼 ，可拟合柱状永磁体离轴参数和轴上投影位置；而图（）环状永磁体塞曼减速器，设计是固定薄片厚度，可拟合参数为环的内径、外径以及轴上投影位置。根据磁场分布曲线和构造示意图，磁场在特定位置需反向，因此永磁体在原子束末端需要进行相应反向放置。测量与分析 两种塞曼永磁体设计根据上面磁场构建分析和相应拟合参数，采用合适磁性材料，可利用仿真软件预先模拟构建，然后定做相应磁性材料，对两种永磁体塞曼减速器进行工程设计，组装搭建样品，最终得到如下两种不同塞曼减速器实物，如图所示。（）柱状永磁体（）环状永磁体图永磁体塞曼减速器的样品其中图（）为柱状永磁体实物样品，长度为 ，重量总计 ，体积 （包括固定件），图（）为环状永磁体减速器样品，其单片磁铁厚度为，永磁体总长度 ，重量为 ，约占体积 。从样品参数上，环状永磁体相较于之前塔状线圈制作塞曼减速器，体积缩减了 左右（线圈绕制体积约为 ），相较于柱状永磁体体积小了约 体积；重量方面，绕制线圈的减速器重量在 左右，两者都大幅减少，但环状永磁体更为轻便，仅为柱状永磁体体积。通过两者对比可以看出环状永磁体构造要简单一点，且质量和体积方面都略占优势，但柱状永磁体可以在系统搭建完毕后依然进行磁场调节，这一优势是环状永磁体塞曼减速器所不具备，因此在设计上两者差别并不明显。为进一步对比两种永磁体的磁场分布，文献 和 中对测量磁场进行简单分析，此处将两组数据放在一起进行对比，如图所示。实线为利图两种永磁体磁场与理想磁场对比图用式（）计算的模拟理想磁场，圆形点状曲线为环状永磁体实验磁场测量曲线，三角点状曲线为柱状永磁体实验磁场测量曲线，从图中可以看出设计样品磁场分布在特定区域与理想设计高度一致，两者与理想磁场的贴合度方面，贴合程度都高于。由于在减速器末端要求磁场迅速减小，在实验情况中两种永磁体均未能在不添加补偿磁场的前提下，满足磁场迅速切断的需求。减速器效果的测量和对比分析减速器的减速效率可通过测量减速后原子速度分布来评估，减速原子的速度测量方法有激光斩波法、多普勒测速法 等方式，尤以本文采用的多普勒测速法进行速度分布测量最为便捷，是一种对减速后原子速度分布结果直观展示方法。这种方法采用如图所示两束激光：一束沿原子束逆方向用于减速，另一束斜入射与原子束相交于原子团中心，利用斜入射光与运动原子产生的多普勒频移，进行减速原子的速度测量。图多普勒测速法示意图在测量两种塞曼减速器实验，入射真空腔内减速光的激光功率均设置为 ，激光作用于原子能级（）（）对 应 中 心 波 长 约 为 ，减 速 光 相 对 于 谐 振 频 率 的 失 谐 为 ，其他实验条件如炉温（）、腔室真空度和测量流程两次测量均保持一致。原子经过减速器和减速光共同作用，在到达腔室中心之前达到减速目的，但减速光在腔室中心由于无磁场补偿与原子脱离共振。在腔室中心，原子速度满足一定速度分布，此时向原子中心以斜入射角射入一束激光即测速光，测速光在中心波长附近扫频，可激发不同速度原子发出荧光，利用探测器收集荧光，从而得到因多普勒效应造成的谱线图。上述得到强度随时第期韩建新，等：基于多普勒测速法的永磁体塞曼减速器研究间变化的谱线图，因扫频操作实际得到