锶原子光钟钟跃迁谱线探测中的程序控制（一）

任洁¹, 刘辉^{1, 2}, 卢本全^{1, 2}, 常宏¹, 张首刚¹    

摘要: 为了实现中国科学院国家授时中心研制的锶原子光晶格钟钟跃迁的自动化探测,设计了完整的自动控制系统。该系统主要由延迟精度与同步精度在μs 量级的时序控制系统和满足要求的激光频率扫描系统组成。两个控制系统均通过LabVIEW软件编程及虚拟仪器控制光场和磁场。完成了锶原子的两级冷却和光晶格囚禁,最终得到了高信噪比载波线宽为180 Hz的锶原子¹S₀-³P₀钟跃迁谱线。谱线展现了高信噪比和窄线宽的特点,表明整个锶原子光钟系统的运行较为稳健,整个控制系统满足实验对于控制精度的需求,实现了锶原子光钟系统的自动化操作与控制。该控制系统具有一定普适性,也可拓展至需要对光场及磁场进行控制的其他系统中。

关键词: 锶原子光晶格钟    时序控制    谱线扫描控制    虚拟仪器    

Program control in transition observation of strontium optical lattice clock

REN Jie¹, LIU Hui^{1, 2}, LU Ben-quan^{1, 2}, CHANG Hong¹, ZHANG Shou-gang¹    

Abstract: To achieve the auto control of transition observation of the Optical Lattice Clock transition developed by the National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, a complete control system is designed. The control system consists of a timing sequence control unit with delay accuracy and synchronizing precision in μs level and a laser spectral scanning control unit. The two units were both realized through the virtual instrument exploited by LabVIEW software programming to control the optical field and magnetic field precisely. The two-level cooling and optical lattice trapping of strontium atoms are implemented and the high signal-to-noise ratio(SNR) clock transition ¹S₀-³P₀ spectral line of strontium atom with a line-width of 180 Hz is obtained. The spectral line with higher SNR and narrower line width indicate that the optical lattice clock can operate in higher stability and whole control system meets the precision requirement of the running of strontium optical clock system. Moreover, the experiment demonstrates that the control system has universality, and can be extended to other systems to control the optical fields and magnetic fields.

Key words: strontium optical lattice clock    sequence control    spectral scanning control    virtual instrument    

1 引 言

时间(频率)是目前测量精度最高的物理量^[1]。现行的时间国际制单位“秒”由铯原子喷泉钟定义^[2]。近年来，有着更高稳定度的光学原子钟取得了快速发展^{[3, 4, 5, 6, 7]}，特别是锶原子光晶格钟^[8, 9, 10]，已经成为了目前世界上稳定度和准确度最高的光学原子钟，未来秒很有可能由光学原子钟来定义^[11, 12]。

锶原子光晶格钟的实现原理是将锶原子通过激光冷却至μK量级的温度并囚禁在光晶格中^[8]，然后用超窄线宽的钟激光探测锶原子的钟跃迁，并将钟激光的频率锁定在钟跃迁线的共振频率上。锶原子光晶格钟的运行是周期性的，每个周期的运行中通过对多个设备或部件的开关来控制光场和磁场。此外，在运行周期中，还需要扫描钟激光的频率并采集相应的钟跃迁信号，得到钟跃迁谱线。因此锶原子光钟系统要具备一个自动化控制系统，以实现系统的运转。

锶原子光钟的控制系统主要分为两个部分：一是控制光场和磁场用于冷原子制备的时序控制系统；二是用于钟跃迁复合测量的谱线扫描系统。时序控制系统的实现难度在于需要做到多路晶体管-晶体管逻辑电平(Transistor Transistor Logic，TTL)时序信号一定精度的同步输出，且包括控制磁场的线性变化的模拟时序控制信号；谱线扫描系统的难点在于如何通过复合测量技术得到精准的高信噪比谱线。

近年来，虚拟仪器技术在光学领域得到广泛应用^{[13, 14, 15]}。本课题组采用基于LabVIEW 的虚拟仪器方法^[16]，设计并实现了延迟精度与同步精度在 μs 量级的时序控制系统和满足要求的钟激光频率扫描与钟跃迁信号采集处理系统。本文利用该系统成功地进行了锶原子的两级冷却和光晶格囚禁实验，并得到了高信噪比的钟跃迁谱线。

2 实验装置及程控需求

图 1为锶原子光钟整体实验装置及光路示意图。光与原子发生相互作用的场所为磁光阱(Magnetic Optical Trap，MOT)，经加热锶原子由锶炉喷出，再经过二维准直到达塞曼减速器，再经过塞曼减速器和461 nm减速激光的共同作用，原子达到磁光阱中心区域时原子的最可几速率由500 m/s减为50 m/s左右。减速后的原子进一步被转入到以461 nm为俘获光的蓝磁光阱，完成原子的第一级冷却，此时原子温度为mK量级^[17]。为了使蓝磁光阱原子冷却中能级封闭，再加入679 nm、707 nm重泵浦光，从而提高俘获效率。整个一级冷却过程中，激光处于打开状态，当进行到二级冷却阶段则需要利用时序信号将一级冷却光和重泵浦光关闭。

二级冷却分为宽带冷却和窄带冷却两个步骤。经过一级冷却的原子速度分布较大，需要先进行宽带冷却，利用声光调制器(Acoustic Optical Modulator，AOM)将689 nm激光频带展宽，并使频带负失谐于原子共振频率；再改变AOM的调制频率，用单频光进行窄带冷却，将原子冷却到μK量级^[18]。从一级冷却到二级冷却的过程中，磁光阱上下两个窗口的反赫姆霍兹线圈产生梯度变化的磁场，通过线性变化的时序信号控制线圈电流得以实现。

813 nm激光输出后经过一组透镜和0°全反镜往返对射形成光晶格，移动透镜位置将光晶格束腰放在磁光阱中心，通过单模保偏光纤实现对激光模式的空间滤波及偏振控制。实验中二级冷却激光关断后，打开813 nm激光，将原子囚禁在光晶格中，即将原子限制在Lamb-Dicke区^[19]，消除一阶多普勒效应、反冲效应和碰撞效应，利用重力场消除相邻晶格间的原子隧穿效应，提高锶光钟信号的精确度。

钟跃迁谱线扫描前需要将698 nm钟激光锁定在高稳腔上从而使其线宽达到赫兹量级，按锶光钟的运行周期同步扫描钟激光的频率，实现钟跃迁谱线的探测。

图 2为锶原子光晶格及探测系统示意图。其中一级与二级冷却激光合光后分三束从空间3个垂直方向注入MOT并原路返回；813，698，461 nm 探测光合束后与一束冷却光共用一个窗口注入MOT。在垂直于原子束的水平方向上放置光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)(滨松H11526-20-NF)和电子倍增电荷耦合器(Electron Multiplying Charge Coupled Device，EMCCD)(Andor iXon Ultra 897)进行荧光探测和冷原子团的图像监测。其中，通过商用光学镜头(Nikon ED AF MICRO NIKKOR 200 mm 1:4D)将MOT在EMCCD上成像；通过滤光片、光阑和透镜组将冷原子团成像在PMT上。

图 3是锶光钟实验中各个单元运行的时序图。其中，461 nm探测光(第四部分有详细叙述)和PMT的探测时间都是几十μs，故这里要求时序控制系统的延迟精度至少应达到μs量级。

整个实验过程中，控制系统包括时序控制系统和钟跃迁谱线扫描系统，如图 4所示，它们都由软件和相应的数据采集硬件装置组成。控制对象主要包括光场、磁场以及复合测量系统。其中，光场、磁场的具体受控单元为：461 nm激光(五束激光：一束减速光、三束俘获光和一束探测光)、689 nm 激光(一束激光两路控制：宽带和窄带冷却光)、679 nm和707 nm重泵浦激光、813 nm激光和698 nm 钟激光，通过AOM(MT250-B100A0.5-VIS)和机械开关(SRS470)控制；磁场线圈(通过磁光阱控制电路和继电器控制)和原子束(通过机械开关控制)。复合测量的具体受控单元为PMT、EMCCD以及信号发生器。其中PMT和EMCCD自带有触发接口，可直接接收时序触发信号，信号发生器通过GPIB控制器与工控机(研华IPC-610)通信。

3 时序控制系统

时序控制系统为整个光钟控制系统的核心，它主要由时序控制软件和虚拟仪器硬件构成，主要包括NI PCI6713八通道模拟输出卡(含两路计数器通道)、NI PCI6723三十二通道模拟输出卡(含两路计数器通道)和RTSI总线一根(用于PCI6713和PCI6723的联接，进行时间同步)。

3.1 原子束与激光的时序控制

通过机械开关对原子束进行关断，在真空系统内部放入专门的机械开关(美国Vincent公司的NS15B1T0L)，通过外部电极连接时序信号进行控制。

在光路中加入AOM可以同时实现对激光的关断、移频和调制。但AOM无法彻底地关断操作激光，这里所用AOM的关断延迟为160 ns，衰减为33 dB，剩余的射频会引起少量的衍射光进入MOT区，导致光晶格寿命的减短。需要在光路中加入可以彻底关断激光的机械开关来配合操作。图 5为AOM和机械开关联合控制光开关的示意图。

首先在信号源和功放之间加一个高度隔离开关(图 5中的开关，Mini Circuits公司ZSWA-4-30DR)，给开关输入相应的时序信号以进行AOM的关断控制。再在衍射光路径上安装一个机械开关(关断延迟500 μs)，以保证激光的彻底关断。在关闭光源时，先关AOM，再关机械开关；在打开光源时，先打开机械开关，再打开AOM。

另外，二级冷却光源689 nm激光宽带到窄带冷却的转换实现原理如图 6所示。

利用两组不同的射频信号作为689 nm宽带与窄带激光的调制信号，分别输入两个开关(如图 6中的开关1和开关2)，再使用信号合路器(Mini Circuits公司ZSC-2-1+)，将两组信号合并，再经功放将信号连接到AOM。这样，在689 nm激光通过AOM时，由两组时序信号控制两个开关，即可自由控制宽带激光与窄带激光的切换与开关。