汞原子光晶格的装载和光谱研究

Optical lattice is widely applied in the research on ultracold atoms. Optical lattice has not only extended the interaction time of atom gases, but also effective manipulated the ultracold atomic gases. Especially, the application of optical lattice results in the research of quantum simulation and optical lattice clock. The optical lattice clock has the highest stability, and reached the uncertainty with E-18 level. Neutral mercury atom is one candidate of optical lattice clock, which can more easily reach the uncertainty with E-18 level at room temperature, due to its insensitivity of black body radiation. Study of the loading the mercury atom into optical lattice, and research of the high precision narrow line-width spectroscopy in it, are the important steps for mercury optical lattice clock. Based on our new developed high-power deep-UV cooling laser and new designed physics system, we will enhance the loading rate with two dimensional magneto-optical trap, develop a high power lattice laser, and add a build-up lattice cavity. We will load the cold mercury.atom into the optical lattice, and observed the narrow linewidth clock spectroscopy of neutral mercury atom, study the influences of parameters of optical lattice and the environment to the clock transition, and high precisely determine the magic wavelength of optical lattice clock. This work will provide a powerful technical means and physics fundamental to realization of mercury lattice clock with E-18 uncertainty.

光晶格囚禁在超冷原子气体的研究中已经得到了广泛的应用。通过光晶格囚禁，不仅能延长原子样品的作用时间，还能对超冷原子进行有效的操控。特别是光晶格的应用，导致了量子模拟和光晶格钟等研究方向的诞生。光晶格钟既具有最高的稳定度，还具有E-18水平的不确定度。汞原子是光晶格钟的候选元素之一，由于其对黑体辐射不敏感的特点，可以较容易的实现室温下E-18的不确定度。研究汞原子的光晶格装载，并在其中研究汞原子的高精度窄线宽光谱，是实现汞原子光晶格钟的重要阶段。本项目拟在前期实现的大功率紫外冷却激光和新设计的物理系统基础上，通过二维磁光阱提高原子的装载效率，研制大功率光晶格激光系统，增加光晶格增益腔，从而实现汞原子的光晶格装载。在光晶格中测量汞原子的钟频跃迁光谱，研究光晶格参数和外部环境对钟频跃迁的影响，高精度的确定汞原子的魔术波长，为进一步实现E-18水平的汞原子光晶格钟提供物理基础和实验手段。

光晶格钟的稳定度提高要依赖于冷原子的制备率和光晶格的装载率的提高，因此发展相关的激光冷却关键技术和方法十分重要。尽管汞原子具有黑体辐射频移低的优势，但是用于激光冷却和囚禁的紫外激光具有挑战，汞原子激光冷却的方法需要创新。本项目从研究汞原子激光冷却和光晶格囚禁的激光技术入手，以建立一套汞原子光晶格钟为目标，开展了一系列的研究工作。.首先，新建了一套用于汞原子光晶格钟的真空系统，使其具备二维磁光阱和光晶格的窗口，光晶格腔的真空度可以达到2E-10 Torr。研制了紧凑实用而稳定的253.7nm紫外冷却激光系统，提高了激光输出的频率稳定性和功率稳定性。建立了两套用于汞原子激光冷却的紫外激光系统，并提出和实现了一种采用光锁相环技术的紫外激光的稳频和调谐方案，提高了冷却激光实验的稳定性。首次实现了二维磁光阱增强的汞原子源，采用二维磁光阱技术将冷原子装载率提高了8倍。新建第三套紫外冷却激光系统，进一步改进紫外激光的稳频和调谐方案，完成了新软件系统设计，提高了实验效率和稳定性。系统研究汞原子的激光冷却，并提出多频率推送光的二维磁光阱方案，在实验上得到初步验证，可进一步提高冷原子装载率。.研制了用于光晶格囚禁的光晶格激光系统，提出一种新的采用长波过滤型的腔镜的钛宝石腔注入锁定技术，获得了1W的单频725nm激光，为当时国际上最短波长的钛宝石注入锁定，倍频获得200mW的362.5nm激光。设计完成了光晶格增强腔的结构，初步验证了增强腔的实现方案。.改进了钟频激光系统，为1062.5nm超稳激光增加了一个光纤激光放大器，并改进了分配光路，提高了1062.5nm超稳激光的输出功率。同时改进了倍频系统，第二级倍频改为布角入射的BBO晶体，避免紫外激光对增透膜的损伤。研制抽运激光系统，设计了转移腔稳频方案。.这些工作为下一步的实验研究奠定了良好的基础，后续将尽快建立光晶格增强腔，实现光晶格中的冷原子装载，实现汞原子窄线钟频光谱的探测。