Синглетная перекачка и глубокие потенциалы оптической решетки в стронциевых стандартах частоты тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ГУРОВ МИХАИЛ ГЕННАДЬЕВИЧ

СИНГЛЕТНАЯ ПЕРЕКАЧКА И ГЛУБОКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ ОПТИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ В СТРОНЦИЕВЫХ СТАНДАРТАХ ЧАСТОТЫ

Специальность 01.04.05 - ОПТИКА

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

1 АПР 2015

005566543

Томск - 2015

005566543

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет» (НГТУ)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Дмитриев Александр Капитонович

Официальные оппоненты: Юднн Валерий Иванович, доктор физико-

математических наук, профессор, Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, главный научный сотрудник

Черепанов Виктор Николаевич, доктор физико-математических наук, доцент, Национальный исследовательский Томский государственный университет, заведующий кафедрой оптики и спектроскопии

Ведущая организация: Институт физики полупроводников

им. академика A.B. Ржанова СО РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится 15 мая 2015 года в 16 ч 00 м на заседании диссертационного совета Д 003.029.01 в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СОР АН по адресу: 634055, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СОР АН, http://vvww.iao.ru/files/iao/theses/thesis68/text.pdf

Автореферат разослан «_Ц» ОЪ 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

Веретенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Современное общество невозможно представить без инструментов синхронизации событий. Основным элементом, который позволят нам утверждать, что одно событие произошло раньше другого - часы или таймер. Часы - это инструмент для измерения потока времени в некоторых единицах. Для измерения времени можно использовать поступательные, вращательные и периодические колебания, единицы измерения которых - расстояние, угол или число колебаний соответственно. В существующем мире, всегда требовалась какая-то мера, которая позволяла бы универсально дискретизировать требуемую величину. Применительно к системе СИ такой величиной для времени является секунда. Стремление к унификации, привело к тому, что измерения многих величин уже сведены к простому измерению временных интервалов между событиями, что привело к необходимости повышения точности измерения времени и отрезков времени как таковых. В 1955 году первичный стандарт времени на l33Cs для определения секунды в СИ был рекомендован Международным Астрономическим Сообществом (MAC). В данном нематериальном представлении секунда это 9 192 631 770 колебаний сверхвысокочастотного генератора, необходимого для выделения сверхтонкого расщепления и стабилизации по атомному реперу. И хотя неопределенность представлений стандартов достигла 10"|4-10"15 этого уже недостаточно для проведения метрологических измерений. Параллельная разработка физических экспериментов в сфере манипулирования атомами: замедлении и захвате атомов и разработка навигационного оборудования, сподвигла ученых искать новые более прецизионные решения определения времени. Одно из предлагаемых решений -использование намного более высоких частот, чем частоты сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона - оптические частоты. На сегодняшний день существует много разработок на основе нейтральных Mg, Sr, Hg атомов и ионов Hg+, Sr+, Yb+ оптических стандартов. В основном эти стандарты подразделяются по типу используемых лазеров и параметров ловушек.

Две характеристики любых атомных и не атомных часов, которые помогают сравнивать различные часы - стабильность и точность. Вкратце, стабильность - это

параметр, который определяется тем, как долго часы должны функционировать для того, чтобы достигнуть некоторого значения точности, или еще более простыми словами, чем меньше частотные «скачки» позиции значения оптического резонанса, тем лучше стабильность. Точность атомных часов - это также основная характеристика, как и стабильность. Если мы будем усреднять в течение некоторого времени значения резонансной частоты, которая получена в часах, то мы получим некоторое среднее значение частоты /¡. Точность -неопределенность в различии между природным положением резонанса /о и /¡. Другими словами, чем лучше мы знаем разницу между /о и /¡, тем лучше точность часов. Точность некоторых оптических часов достигает 10~17 и, возможно, после некоторых их доработок может достигнуть Ю-18. В этой работе проведены эксперименты, вычисления и модификации оборудования (оптических часов), создано новое электронное оборудование и другие исследования для улучшения стабильности и точности оптических часов на основе 873г. Показано и даны объяснения, почему эти часы могут использоваться как возможное переопределение секунды в СИ. Оптические часы на основе холодных атомов уже имеют точность и стабильность лучше, чем СВЧ-стандарт на фонтане атомов. Стронциевые оптические часы с оптической решеткой - хорошая альтернатива переопределения секунды.

Целью данной работы является улучшение стабильности стронциевых оптических часов, увеличение времени неприкасаемой работы часов, достижение воспроизводимости результатов, увеличение времени непрерывной работы часов, проверка дрейфа фундаментальных констант, разработка методов улучшения динамических параметров магнитооптических ловушек и уменьшение фундаментальных систематических сдвигов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1 определить оптимальные режимы одночастотной генерации лазера;

2 разработать метод улучшения динамических параметров магнитооптических ловушек;

3 исследовать влияние различных физических факторов на сдвиг частоты;

4 снизить влияние различных факторов на систематические сдвиги.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 использование дополнительной синглетной группы (5s4d)'D2- (5sl2p)'Pi приводит к увеличению числа атомов, захваченных в стронциевую магнитооптическую ловушку в два раза;

2 при помощи оптических усилителей реализована оптическая решетка с глубиной 5000ЕГ;

3 глубокие ловушки (5000ЕГ) позволяют улучшить стабильность стронциевых оптических часов до 3.0-10"15.

Научная новизна:

1 предложена и экспериментально реализована перекачка атомов стронция через высшие синглетные уровни на основной с увеличением числа атомов магнитооптической ловушки в два раза;

2 получены динамические характеристики МОЛ с учетом коэффициентов столкновительных потерь (two-body losses);

3 впервые продемонстрирован захват атомов в оптическую решетку при глубине потенциала на уровне 5000Ercto,ls;

4 достигнута стабильность частоты стронциевого стандарта на уровне 3.0-10"15.

Научная и практическая ценность диссертационной работы обуславливается практической полезностью всех устройств, расчетов и схем, которые могут использоваться для дальнейшей разработки оптических часов и смежных приложений.

В результате модернизации установок в целом повышены сроки непрерывной работы и снижена погрешность 87Sr стандарта.

В ходе решения поставленных задач при работе над стронциевым стандартом разработана оптоэлектронная схема усиления и распределения оптического узкополосного излучения для системы стронциевых часов на основе оптических цепей с фазовой компенсацией возмущений в оптоволоконных линиях. Данная система может применяться в любых системах распределения оптического сигнала от сверхвысокодобротных лазерных систем.

Разработаны аналоговые системы автовосстановления для высокочастотных цепей обратных связей: лазера магической длины волны 813 нм, сток-лазера 689 нм и часового лазера 698 нм; для систем стабилизации оптических решеток: Паунда-Древера-Холла и Хэнша-Койо, системы синхронного детектирования.

В целях унификации и расширения возможностей обхода недостатков системы стабилизации разработаны микроконтроллерные схемы с применением адаптивного алгоритма работы. Данные схемы доказали свою работоспособность и полезность в цепях стабилизации оптических стронциевых часов для продления функционирования и правильной идентификации положения точки стабилизации в условиях расстроек оптических схем.

Для перехода систем стабилизации на более высокочастотные аналоги реализована цепь обратной связи с системой восстановления для сверхвысокостабильного резонатора часового лазера. Данная схема позволила реализовать более быстрый отклик на различного рода возмущения, возникающие в процессе стабилизации частоты. Эти меры позволили увеличить надежное непрерывное функционирование часов до >40 тысяч секунд (-12 часов), при этом увеличивая число снимаемых данных, например, в девиации Алана до 2500 измерений на одну точку характеристики и могут быть применены в любых аналогичных системах в целях обеспечения неприкасаемости оптической части во время работы.

В ходе работ по изучению влияния теплового излучения на часы и часовой резонанс разработана система сбора информации о температурном поле вакуумной камеры, окружающей облако атомов стронция. Данная система позволила наблюдать распределение температуры вакуумных камер часов, что

дало возможность оценить влияние неравномерности теплового излучения на атомный резонанс.

К практической ценности также можно отнести создание новых лазеров магической длины волны на 813 нм (ведущий лазер излучения оптической решетки) и ведущего лазера для системы получения излучения для магнитооптической ловушки 922 нм. Данные лазеры сделаны на основе интерференционных фильтров и не имеют неприятного эффекта изменения направления выходного пучка при перестройке длины волны, что положительно сказывается на настройке оптических схем, особенно с оптическими усилителями.

Собранная информация и реализованный расчет населенностей уровней в атоме стронция позволяет прослеживать динамику наполнения любого уровня, входящего в систему и оценивать поведение системы при различном числе и комбинациях лазеров (синглетных и триплетных лазеров перекачки). В качестве перекачки разработаны и созданы лазеры с длинной волны излучения соответствующей переходам в синглетной области на 407, 532 и 717 нм. Впервые в лаборатории продемонстрирована устойчивая работа полупроводниковой перекачки на 407 нм, собранного по схеме с внешним резонатором (схемой Литрова).

Методом Монте-Карло пересчитана катушка замедлителя Зеемана с намоткой тонким медным проводом (2 мм вместо 3 мм), что позволило реализовать более плавный и точный к теоретически рассчитанной зависимости магнитного поля профиль, что, во-первых, позволило уменьшить выделяемую тепловую мощность и, во-вторых, увеличить число захваченных в МОЛ атомов примерно в 6 раз.

В продолжении работ по изучению влияния теплового сдвига спроектирована вакуумная двойная криогенная камера и проведено моделирование температурных полей внутри деталей камеры. Спроектирован и промоделирован механический прерыватель атомного пучка, встраиваемый внутрь вакуумной трубы, не имеющий подвижных сочленений и не имеющий контакта с внутренностями вакуумной трубы с пучком атомов. Данная разработка может быть полезна для всех реализаций оптических и микроволновых стандартов.

Достоверность полученных результатов определяется отличным согласием теоретических и экспериментальных результатов, полученных в результате исследования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

Конференции ЕРТР-2011 в городе Сан-Франциско, США, 2011.

Конференции СРЕМ-2012 в городе Вашингтон, США, 2012.

Конференции ЕРТР-2012 в городе Гётеборг, Швеция, 2012.

Конференции 1СОЬ8-2012, в городе Палазё, Франция, 2012.

Конференции ЕРТР-2013 в городе Прага, Чехия, 2013.

Конференции АРЕР-2014 в городе Новосибирск, Россия, 2014.

Конференции ЕЕМ-2014 в городе Новосибирск, Россия, 2014.

Личный вклад. Автор участвовал в работах по измерению стабильности стронциевых часов, обработке и анализу результатов, работах по проверке дрейфа фундаментальных констант, работ по переопределению секунды и сравнению оптических и СВЧ-стандартов (Се, Ш)-фонтанов).

В рамках работы над оптическими стронциевыми часами, реализованы важные элементы оптических часов, такие как оптический распределитель излучения часового лазера, основанный на технологии устранения фазовых возмущений сигнала при помощи акустооптического модулятора, аналоговые и основанные на микроконтроллерах систем автовосстановления обратных связей, в частности, для лазера-наполнителя 689 нм ('Бо^РО, часового лазера 698 нм ('Бо-3Р0) (персонально разработана и внедрена полная система автовосстановления), МОТ резонатора-«бабочки» 922 пш ('Бо-'РО, систем лазерной решетки 813 нм (магическая длина волны) со стабилизацией на основе высокочастотных и безмодуляционных систем обратных связей. Модернизирована система обратной связи второго высокодобротного резонатора часового лазера с медленной системы синхронного детектирования на гораздо более реакционно-способную высокочастотную систему.

Автором проведено исследование вариантов улучшения процессов накопления атомов, по крайней мере, в магнитооптической ловушке. Для этих

целей автором созданы и протестированы лазеры для перехвата атомов из синглетного состояния 'D2 в группу уровней 1Pi. В результате этого разработан метод, позволяющий рассчитывать динамические и статические характеристики населенностей различных уровней (до 18, ограничивается только доступными, на данный момент, характеристиками уровней) в атоме стронция с различными комбинациями действующих лазеров (наиболее пригодных для работы оптических часов). Данный метод позволил увеличить число захватываемых атомов в ~ 2 раза.

В целях борьбы с эффектами, связанными с излучением черного тела, разработана двухслойная камера с равномерным распределением температуры по поверхности (Тсж N2 = 77°К). Из-за конструкционных особенностей замедлителя Зеемана вакуумной системы, принято решение усовершенствовать (уменьшить тепловыделение с сохранением профиля магнитного поля) катушки замедления. Автором рассчитана и изготовлена новая конфигурация Зеемановского замедлителя с тепловыделением, в 10 раз, и весом в 2 раза меньшим, чем предыдущая разработка. Также разработан оригинальный перекрыватель атомного пучка, не имеющий подвижного механического контакта с металлическими частями вакуумной системы. На вакуумные камеры добавлена система получения данных температуры - 6 точек (4 в резерве).

В дополнение к процессу модернизации установок реализованы лазеры с внешним резонатором для образцовых, работающих на магической длине волны 813 нм и источника инфракрасного излучения 922 нм для МОЛ системы, вместо конфигурации Литрова.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 17 печатных изданиях, 7 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК и SCOPUS, 10 тезисов докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и пяти приложений. Полный объем диссертации 158 страниц текста с 68 рисунками и 8 таблицами. Список литературы содержит 148 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований, проводимых в рамках данной диссертационной работы, поднимаются вопросы актуальности научных проблем исследования, формулируется цель, ставятся задачи работы, сформулированы научная новизна и практическая значимость представляемой работы.

В первой главе описываются ц-волновые первичные и вторичные мировые стандарты: водородный, цезиевый, на кристалле сапфира (на принципе «шепчущей галереи»). В главе содержится описание стандартов со стабилизацией по веществам в ячейках СОг, 0з04, Не-Ые + СИ» (по нелинейным резонансам), стандартов на ионах металлов и стандартов на нейтральных атомах. Приведены теоретические основы работы часов в режиме использования потенциала стоячей волны для дополнительного замедления атомов после использования магнитооптической ловушки (МОЛ). Дан обзор современных разработок оптических часов: на нейтральных атомах и ионах, рассмотрены возможности и сложности переопределения секунды в СИ. Практически все данные о радиочастотных и оптических стандартах систематизированы.

Во второй главе приводится описание методики перекачки и теоретические расчеты динамики магнитооптической ловушки. Предложены каналы перекачки в атоме стронция в синглетной области. Описывается экспериментальная работа по улучшению рабочих физических параметров МОЛ. Проведено увеличение числа атомов в МОЛ путем перехвата утечек атомов с промежуточных уровней (рисунок 1) атомной структуры специальными лазерами (рисунок 2). В схеме эксперимента использовались два выходных луча схемы Литрова. Один использовался для контроля длины волны. Второй направлялся в вакуумную камеру на МОЛ.

Приведен расчет населенностей уровней и экспериментально получено двукратное увеличение числа атомов МОЛ при различных комбинациях лазеров. Рассчитаны населенности наиболее часто используемых энергетических уровней. Также объяснена физика динамики загрузки МОЛ с учетом различных потерь, с использованием элементов теории столкновений. Предложен способ детального

учета столкновительных потерь при расчете поведения МОЛ (рисунок 3).

Главный переход 460 нм, необходимый для создания МОЛ - толстая синяя линия между (582)'8о и (5з5р)'Р1. Часовой переход - красная линия между (Зв2)180 и (5$5р)3Р0 для 873г. Символы (Ыь N2,... и т.д.) около черточек уровней - это введенные для простоты интерпретации расчетов, обозначения уровней

Сравнение МОЛ населенностей в присутствии 461 нм (5а2|Зо-585р1 Р^ + 407 нм (554ё1В2-5812р|Р1) (черная пунктирная линия) и без лазера перекачки (черная непрерывная линия) есть функция от времени. Улучшение числа атомов с дополнительным лазером перекачки составило примерно 1.8-2.0 раза. Все вы-

числения сделаны при допущении, что все интенсивности лазеров больше, чем интенсивности насыщения для всех переходов. Получены теоретические и экспериментальные данные, которые находятся в хорошем согласии и представлены на рисунке 4 и в таблице 1. В таблице 1 значения соотвествуют 100% интенсивности луча Зеемановского замедлителя.

Расчеты сделаны при условии, что коэффициент потерь атомов из МОЛ Р = 1.75-10"12(м3/с). Экспериментальные и теоретические значения имеют некоторые расхождения, преимущественно из-за неустойчивости лазеров с внешним резонатором в очень узкой ширине линии дополнительного перехода. Вследствие чего применена дополнительная модуляция положения длины волны лазера.

Рисунок 2 - Фотография лазера синглетной перекачки на 407 нм (5б4(1| 02-5812р'Р|) (схема Литрова)

Рисунок 3 - Рассчитанные теоретические зависимости поведения населенности уровня N2 МОЛ. Это сравнение проведено при коэффициенте столкновительных потерь для МОЛ р=1.75-10_12(м3/с)

В данной работе основное внимание сконцентрировано на переходах (554с1)1В2 - (бвбрУРь (557р)'Рь (5.ч12р)'Р|, длины волн которых располагаются в трех различных областях оптического спектра, а также переходы ^бв)^] -(5з5р)3Р0 и (бвбв)^! - (5з5р)3Р2 использовались как вспомогательные. Степень загрузки МОЛ контролировалась интенсивностью луча замедлителя Зеемана от О до 100% (Принято, что фотодетектор имеет линейную зависимость выходного сигнала мощности от числа атомов).

Также в главе приведены расчеты по замене лазеров в оптических схемах на светодиоды.

0,1 0,2 0,3 0,4 0.5 0,6 0,7 0.8 0,9 1,0

Относительное число атомов в МОЛ

^461^^461 При Зееман.Макс.

Рисунок 4 - График сравнения экспериментальных и теоретических данных расчета населенностей «синей» МОЛ в присутствии различных комбинаций лазеров перекачки в терминах столкновительных потерь

Таблица 1 - Экспериментальные и теоретические отношения МОЛ атомов в присутствии излучения лазеров перекачки ((585р)'Р1 уровень)

МОЛ лазер, нм Длина волны перекачки, нм Экспериментальное отношение Теоретическое отношение А, (%)

461 - 1.0 1.0 0.0

461 679+707 3.6 3.6 0.0

461 679+707+717 4.1 3.7 11.0

461 707 2.3 2.4 4.0

461 717 1.3 2.0 38.0

461 407 1.9 1.9 0.0

Третья глава содержит описание теории захвата атомов в оптическую ловушку. Описаны физические принципы формирования оптической решетки. В данной главе описываются предпосылки к использованию глубоких решеток совместно с неразрушающим методом детектирования. Приведены оценки применимости глубоких ловушек для совершенствования таких параметров оптических часов как стабильность и точность (девиация Аллана). Описана схема

проведенного эксперимента по реализации глубоких оптических решеток с использованием мощных оптических усилителей. Теоретически и экспериментально оценена глубина реализованной ловушки, которая составляет 5000Егесоц5. Показано качественное согласие теоретических оценок глубин ловушки и значений, полученных при сканировании часового резонанса. Приведено описание эксперимента по определению значения «магической» длины волны при помощи модуляции глубины ловушки.

Четвертая глава содержит описание экспериментов и реализации дополнительных средств модернизации стронциевых оптических часов с оптической решеткой. Приведена схема функционирования оптических часов. Приводятся результаты долговременных измерений оптических часов и атомных фонтанов. Описывается детализированная схема оптических соединений в стронциевых часах, помогающая понять все нюансы захвата атомов и получения спектра несущей и боковых полос в поле стоячей волны. В деталях описываются фазокомпенсированные схемы распределения и усиления излучения часового лазера (рисунок 5) и описывается принцип действия систем восстановления состояния электронных схем (рисунок 6).

Приведены описания основных сдвигов оптических часов: полевой сдвиг, гиперполяризуемость и т.д. Далее в главе приводятся неожиданные эффекты, которые обнаружены в процессе улучшения оптических часов.

Первый эффект - это накопление поверхностного заряда на зеркалах резонатора оптической решетки, что, в свою очередь, вносило в зону оптического резонанса дополнительное электрическое поле и соответствующий сдвиг резонанса до уровня 10"13.

Второй эффект обнаружен при улучшении оптических усилителей для достижения глубины оптической решетки до 5000Егссоп5 влиянием на часовой резонанс фона оптического усилителя. На рисунке 7 схематично указаны положения мощных оптических полупроводниковых усилителей рупорной топологии в цепи резонаторов оптических решеток.

В схеме часов используется общий часовой лазер. Сигнал коррекции генерируется отдельно для каждых часов (сканирующий АОМ). Сравнение

характеризуется разницей этих сигналов коррекции. Гибкость цифровой системы управления через БОБ позволяет корректировать оба сканирующих АОМ корректирующим сигналом в нескольких режимах. Также на блок-схеме на рисунке 7 обозначен новый лазер перекачки на 407 нм, ведущий лазер для оптической решетки 813 нм и т.д. (фиолетовым цветом обозначены части, собранные автором).

На схему

К схеме §

высокодобротного резонатора

На схему БЮ

Фазо компенсированный передатчик

-И

Фазокомпенсированный |_Дт]Р передатчик Г"тч-1

Фазокомпенсированный передатчик

-ы

чРВЭ

,РВЭ

а

Фазокомпенсированный передатчик

К Фемто 1 Комб

К АОМ1 ГУН: -100МГц

«С

\М1х

КАОМ2 ГУН: -80МГц

аяС

\ М|Х

КАОМЗ ГУН: -80МГц

аяС

М!Х

К АОМ4 ГУН: -80МГц

ад О

200 МГЦ 160 МГц 160 МГц 160 МГц

Цифровой синтезатор сигнала: ОЭБ

Рисунок 5 - Изображение схемы усиления и распределителя излучения часового

лазера оптических часов

0т выхода |ВыямительмКомпа |- Цепь

интегратора I---11--—□ задерж!

Цепь Устранитель

задержки смещения

.К накопительному •элементу фильтра

а).

Входной I 1 . С———_ ,———I 1 Коррекция

ситаД~ч ММикроконтроллерН ЦАП |-1--выходного

Устранитель смещения

сигнала

..К накопительному -элементу фильтра

б).

Рисунок 6 - Принципиальная блок-схема системы обратной связи: а) блок-схема простейшей системы автовосстановления системы обратной связи; б) микроконтроллерная схема системы автовосстановления Рассмотрен вопрос и предожены несколько способов обхода влияния теплового излучения на атомы и оптический резонанс. Как было выяснено в результате измерений, на этой стадии разработки оптических часов с оптической решеткой основное влияние оказывают тепловой сдвиг и столкновительный сдвиги. Все расчеты сделаны через термины поляризуемости и неопределенности резонансов. Но пока все решения и рекомендации по обходу или устранению влияния теплового сдвига сводятся к помещению зоны взаимодействия атомного облака с излучением лазеров в криогенную камеру. В ходе данной работы получены два решения по устранению влияния теплового сдвига. Первое из них -это использование камеры (рисунок 8) с перемещаемым металлическим соплом, охлажденного до криогенной температуры, в зону захваченных в оптическую решетку атомов.

Второй способ - это использование второй встроенной неподвижной криогенной камеры с окнами внутри обычной (см. рисунок 9). Неопределенность распределения температуры по поверхности камеры сказывается на неопредлености определения резонанса. В следствие данного условия проведено моделирование распеределения температуры по внутренней поверхности камеры. При обеспечении равномерности по металлической части неравномерность по стеклянной поверхности окон требовала изучения. Использованием метода конечных элементов в специальном программном обеспечении дало распределение, показанное на рисунке 10.

Перекачка: 707 нм

Прерыватель

Луч Оптический

оптической усилитель

±

Лазер магической длины волны :813 нм к РС /

•н

решетки

■ г4в^ Мтх 1т. Тг 60 «Г* I

1.» ' в»

]

Перекачка: 407 нм

ш

Прерыватель

Перекачка: 679 нм

к РС

к МОЛ

Эг1

к РС

Из

БП

■И*

Сток-лазер: 689 нм

гк рс

<^кРС

П

к РС

Эг2

й-

к РС

Удвоитель частоты

Часовой лазер: 698 нм

2

| АРМ |

_кгир- | I

|'.[ I Д о 6 р^от>чос т ь :

2

Г я Добротность: ;

25000 [ 1

1«я

Сток-лазер: 688 нм

к РС

4-

Оптический усилитель

Лазер для МОЛ :921 нм

I-"« . ил» ТгвО (Ш Щ

ш I

5=

к РС

^_/

Удвоитель частоты

Оптический усилитель

Рисунок 7 - Схема двух оптических часов. Фиолетовым цветом обозначены элементы, которые выполнены автором. На данной блок-схеме также обозначен новый лазер перекачки на 407 нм

лун МОЛ

а)- б).

Рисунок 8 - Изображения новой камеры для оптических часов: а) общий вид маленькой камеры для криогенного сопла; б) фотография реализованной камеры в

сборе. Первое получение МОЛ и оптической решетки в третьей установке оптических часов для криогенного сопла. Используется улучшенный замедлитель (катушка) Зеемана, реализованный автором

перекачка

"синий" луч МОЛ

Минимум температуры располагается около краев, где стекло соприкасается с металлическими частями при 77°К. Максимум температуры, вызванный излучательным потоком тепла с внешней камеры с температурой поверхности 300°С, располагается в центре внешней поверхности окна. Также в рамках работы по уменьшению лишнего тепловыделения и столкновительного сдвига, расчитан (рисунок 11) и создан новый замедлитель Зеемана с меньшим на порядок тепловыделением (рисунок 12), чем предыдущие разработки в данной лаборатории, и специальный оригинальный вакуумный прерыватель атомного пучка, который не имеет механически трущихся деталей (рисунок 13).

Данный прерыватель, который показан выше, также необходим для заслона теплового излучения от 600°С печки - источника атомов.

камера

Внешняя камера

Луч оптической

решетки

Лучи магнито-оптической

Рисунок 9 - Общий вид сдвоенной криогенной камеры. Внутренняя камера имеет канавки для жидкого азота (Т0=77°К). Неоднородность температуры определяется в основном неоднородностью распределения температуры на окнах из стекла ВК-7 (К-8) и имеет разброс АТ=(82-77)°К=5°К

Температура, К

77.00 77.57 78.14 78.71 79.28 79.95 80.42 80.99 81.56 82.13 82.70

Рисунок 10 - Распределение температуры по объему стекла ВК-7 (К-8) во внутренней камере в охлажденном устоявшемся состоянии

Рисунок 12 - Изображение катушки замедлителя Зеемана с трубой водяного охлаждения. Длина конструкции 30 см. Рассеиваемая тепловая мощность катушки

не превосходит 25 Вт

Рисунок 11 - Оптимальный градиент (профиль) магнитного поля зеемановского

замедлителя вдоль центральной оси. Длина катушки замедлителя = 30 см,

оптическая мощность пучка замедления Р,= 30 мВт

Рисунок 13 - Модель прерывателя с постоянными магнитами

Так например, обеспечение беспрерывной работы в течение 12 часов позволили провести полугодовой эксперимент, в ходе которого получены данные о дрейфе фундаментальных констант. Данные более 40 измерений приведены на рисунке 14. Данные результаты оставили альтернативное мнение о дрейфе данных констант.

20

=т

_- 15

со

§10 О

О с ГО Ь У

0

1 о

Ф X

о

5 -5 ь

о

1

ь

3

♦ 1 2 1

г+

1 вУИТЕ

2. ЛЬА

3. Токуо

4. РТВ

5. №СТ

Окончание

измерений

Начало апрель 2011

измерений_

октябрь 2010

30 х 1015 20 х 1015 10 х 1015 -0 х 10° " -10 х 10'15«. -20 х 10'15

_ -30 х 10'15

56000

MJD

Рисунок 14- К теме фундаментальных исследований об определении вероятности изменения фундаментальных констант. Набор экспериментальных данных измерений на оптических стронциевых часах - мировая статистика абсолютных частот часов

Результаты сравнения оптического и СВЧ-диапазонов позволили уже сейчас предложить Бг, как замену Се стандарту без потери точности. Стабильность и точность часов - это основные параметры, которые необходимо делать такими малыми, как это возможно. После проведенных мероприятий по

модернизации получено, что оптические часы неразличимы вплоть до уровня 10"17 (рисунок 15). Грубо характеристику сравнения часов можно разделить на три части. В первой из них до 10 секунды преобладает эффект высокочастотного шума часового лазера. В средней преобладает фликер шум и тепловой шум зеркал резонатора на уровне ~ 8-10~15. И в третьей части после 1000 секунд нелинейный дрейф высокодобротного резонатора. В результате эксперимента итоговое значение частоты перехода составило 429228004229873.10 Гц. Также описаны в данной главе и эффекты, которые возмущают данное значение.

1Е-13

1Е-14

ъ &

го т

¡5 1Е-15 о

0

1 -О

с

го

6 1Е-16

• Sr1vsPe3 —Sr2vsPe3

• Sr2 - Sri

• Sr1vsF01 ■ Sr1vsF02

• SrlvsFOM

100

Время t, сек

1000

10000

Рисунок 15 - Девиация Аллана при сравнениях Sr vs Sr и Sr vs Cs-фонтанов. Красные и синие точки девиация частоты между оптическими часами и высокодобротным резонатором. Черные точки - это стабильность частоты между Sri и Sr2. Относительная стабильность частоты Sri vs Sr2 оптических часов на

графиках имеет разрешение на уровне Г10" после 1000 секунд измерений

В таблицу 2 собраны итоговые данные измерения частоты оптических часов с СВЧ-часами на фонтане атомов. Квадратики и треугольники различных оттенков синего - это данные сравнения Sri и «фонтанов» (FOI, F02, FOM). Лучшая

стабильность смешанного фонтана находится на уровне - 4.1-10"14 на 1 секунде.

Таблица 2 - Данные сравнения Sr vs Cs стандартов: 429 228 004 229 873.18 (0.08) Гц

Фонтаны Sr частота (Гц) Статист. Систематич.

FOl(Cs) F02(Cs,Rb) FOM (Mobile) 429228004229873,11 429228004229873,07 429228004229873,22 1,7 х Ю"16 2,3 х Ю"16 2,3 х 10"16 4,3 х Ю"16 2,6 х Ю"16 8,0 х Ю"16

Среднее значение 429228004229873,10 1,2 х Ю"16 2,6 х 10"16

Итог* 3,1 х Ю"16

*- при неопределенности оптических часов = 1,1 х 10"16

В заключении приведены основные результаты работы, которые заключаются в следующем:

1. использование дополнительной синглетной группы (5s4d)'D2 (5sl2p)'Pi позволяет повысить число атомов, захваченных в стронциевую магнитооптическую ловушку в два раза;

2. при помощи оптических усилителей возможна реализация оптической решетки с глубиной 5000ЕГ;

3. глубина ловушки 5000ЕГ позволяет достигнуть погрешности стронциевых оптических часов на уровне 1.0-10"16 при стабильности 3.0-10"15.

Публикации автора в журналах по теме диссертации

1. Gurov M.G. Observation and cancellation of a perturbing dc Stark shift in strontium optical lattice clocks / J. Lodewyck, M. Zawada, L. Lorini, M.G. Gurov, P. Lemonde // IEEE Transactions on UFFC. — Vol. 59. — 2012. — C. 411 - 415.

2. Gurov M.G. Optical Lattice Clocks as Candidates for a Possible Redefinition of the SI Second / M.G. Gurov, J. J. McFerran, B. Nagorny, R. Tyumenev, Z. Xu, Y. Le Coq, R. Le Targat, P. Lemonde, J. Lodewyck, and S. Bize // IEEE Transaction on instrumentation and measurements. — Vol. 62(5). — 2013. — JUNE. —Pp. 1568- 1573.

3. Gurov M. G. Experimental realization of an optical second with strontium lattice clocks / R. Le Targat, L. Lorini, Y. Le Coq, M. Zawada, J. Guena, M. Abgrall, M.G. Gurov, P. Rosenbusch, D.G. Rovera, B. Nagorny, R. Gartman, P.G. Westergaard, M. E. Tobar, M. Lours, G. Santarelli, A. Clairon, S. Bize, P. Laurent, P. Lemonde, J. Lodewyck//Nature Communications. — Vol. 4. — July, 2013. —P. 1-6.

4. Гуров М.Г. Перекачка атомов стронция в магнитооптической ловушке на синглетных переходах / М.Г. Гуров, Е.Г. Гурова, А.К. Дмитриев // Известия Высших учебных Заведений. Физика. — № 8. — 2014. — С. 120-128.

5. Gurov M.G. Investigation of the improvement method of number of atoms in the magneto-optical trap / M.G. Gurov, E.G. Gurova // Life Science Journal. — V. 1 l(12s). — 2014. — P. 620-623.

6. Гуров М.Г. Влияние тепловых полей на сдвиг оптических стандартов частоты / М.Г. Гуров, Е.Г. Гурова, А.К. Дмитриев // Известия Высших Учебных Заведений. Физика. — № 12. — 2014. — С. 83-88.

7. Gurov М. G. Optical Clocks and Thermal Fields Impact / M.G. Gurov, E.G. Gurova 11 Applied Mechanics and Materials. — V. 698(2015). — 2014. — P. 561-565.

Публикации тезисов конференций

1. Lodewyck J. Trapping induced frequency shifts by comparison of two Sr optical lattice clocks at the 10~17 level / J Lodewyck, P. G. Westergaard, M.G. Gurov et al. // Frequency Control and the European Frequency and Time Forum (FCS), 2011 Joint Conference of the IEEE International / IEEE. — 2011. — P. 1-1.

2. Gurov M. G. Comparison of two state-of-the-art Strontium optical lattice clock / M.G. Gurov, J. Lodewyck, B. Nagorny, L. Lorini, P. Lemonde, R. Le Targat // Proceedings of the ICAP-2012 Palaiseau: Ecole Polytechnique. — 2012. — P. 289.

3. Gurov M.G. Hyper-polarizability in Sr optical lattice clock / M.G. Gurov, M. Zawada, L. Lorini, R. Gartman, P. Lemonde, R. Le Targat, and J. Lodewyck // Proceedings of the EFTF-2012 Gothenburg, Sweden: Chalmers University of Technology. — 2012. — P. 172.

4. Gurov M.G. Strontium and mercury optical lattice clocks at LNE-SYRTE / M.G. Gurov, J.J. McFerran, B. Nagorny, R. Tyumenev, Z. Xu, Y.L. Coq, R.L. Targat, P. Lemonde, J. Lodewyck, S. Bize // Proceedings of the Conference of Precision Electromagnetic Measurements (CPEM-2012) Washington DC: Gaylord National Resort. — 2012. — P. 184.

5. Gurov M.G. Comparison of two Strontium optical lattice clocks in agreement at the 10"'6 level / R. Le Targat, L. Lorini, M.G. Gurov, M. Zawada, R. Gartman, P. Lemonde, and J. Lodewyck, Y. Le Coq, M. Abgrall, J. Guena, S.Bize, P. Rosenbusch, D. Rovera , P. Laurent // Proceedings of the EFTF-2012 Palaiseau: Ecole Polytechnique. — 2012. — P. 9.

6. Gurov M.G. Comparison of two Strontium optical lattice clocks in agreement at the 10"16 level / R. Le Targat, M.G. Gurov, P. Lemonde, J. Lodewyck, R. Gartman, B. Nagorny, M. Zawada, L. Lorini // Proceedings of the IFCS-2012. — 2012,—P. 62-65.

7. Gurov M. G. Comparison of Sr optical lattice clocks / Chunyan Shi, U. Eismann, M.G. Gurov, R. Le Targat, J. Lodewyck // Proceedings of the EFTF- 2013 Prague, Czech Republic. — 2013. — P. 153.

8. Gurov M.G. Comparison of Sr optical lattice clocks at the 10"16 level / J. Lodewyck, Chunyan Shi, U. Eismann, M.G. Gurov, R. Le Targat, Y. Le Coq, J. Guena, M. Abgrall, P. Rosenbusch, D. Rovera, S. Bize, P. Laurent // Proceedings of the EFTF-2013 Prague, Czech Republic. — 2013. — P. 443.

9. Гуров М.Г. Способ увеличения числа атомов в магнитооптических ловушках / М.Г. Гуров, Е.Г. Гурова, А.К. Дмитриев // Сборник тезисов Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения - 2014». — Новосибирск, Россия. — 2014. — С. 20-24.

10. Гуров М.Г. Возможность оценки тепловых полей в установках оптических часов / М.Г. Гуров, Е.Г. Гурова, А.К. Дмитриев // Сборник тезисов Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения - 2014». — Новосибирск, Россия. — 2014. — С. 25-30.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г.Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Тел./факс (383) 346-08-57 Формат 60 х 84/16. Объем 1.75 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 405. Подписано в печать 11.03.2015 г.