上海光機所在噴泉鐘磁場評估與計量研究方面取得系列進展

近期， 中國科學院上海光學精密機械研究所量子光學重點實驗室研究員魏榮課題組在冷原子噴泉鐘的磁場評估與計量研究方面取得系列進展。

電磁場是最基本的物質形態之一。 磁場通過塞曼效應影響粒子的能級， 是影響原子鐘及其它精密測量領域最重要的因素之一。 相關領域通過一階塞曼效應引起能級分裂測試磁場。 科研人員基於受激拉曼躍遷方法， 探索了雙光子躍遷下的選擇定則（不僅有ΔmF=0,±1而且增加ΔmF=±2）， 並結合一階、二階塞曼效應不同的頻率敏感係數， 實現了二階塞曼效應弱磁敏躍遷測試磁場。

它與一階塞曼效應的強磁敏躍遷相結合， 相當於為磁場測量提供了相差500倍的雙量程磁強計， 大大拓展了磁場強度的測試範圍。 利用該方法， 科研人員評估了噴泉鐘整個上拋區域的磁場強度， 在104動態範圍實現高精度磁場測量。 相關研究成果發表於Applied Physics Letters [106,152402(2015)]。

磁場是向量， 這使磁場的方向測量成為一件重要工作。 基於原子能級分裂的塞曼效應磁場測試與普通的基於霍爾效應磁強計有較大區別。 霍爾效應磁強計是測試磁場向量在測試方向的投影， 而塞曼效應引起的能級分裂取決於磁場的大小， 它對粒子的影響是通過C-G係數， 也就是躍遷的強度體現。 通過光場與靜磁場的張量關係描述， 科研人員分析了受激拉曼躍遷的強度與靜磁場的張量關係，

通過測量精密控制偏振的拉曼鐳射引起的不同塞曼能級間的躍遷強度， 測試了噴泉鐘中靜磁場的軸向和徑向投影， 實現了對磁場向量的遠端測量。 測試精度在軸向達到毫弧度量級， 徑向達到0.1弧度量級。 相關研究成果發表於Applied Physics Letters [108,122401(2016)]。

在上述工作的基礎上， 科研人員開展了磁場強度由計量到控制的研究。 噴泉鐘等裝置對冷原子鑒相區域的磁場均勻性有非常嚴苛的要求， 但是由於材料、工藝等原因， 實際完成的裝置不能完全滿足設計期望值的要求。 針對磁場的空間波動， 科研人員提出磁場動態補償的辦法提高原子感受到的磁場均勻性。 該方法解決了磁滯效應等的影響，

並有效抑制了原子飛行時感受的磁場起伏（5nT到0.4nT）， 使得相關效應對噴泉鐘不確定度的貢獻降低約一個數量級。 相關研究成果發表於Review of Scientific Instruments [89,033110(2018)]。

該方法還被推廣到中科院武漢物數所的10m噴泉干涉儀。 該專案獲得中科院戰略性先導科技專項(XDB21030200)資助。

圖1 87Rb基態的受激拉曼躍遷能譜及對應的塞曼分裂

圖2 噴泉鐘磁場向量測量的實驗結果。 左圖為不同線偏振夾角的受激拉曼譜瀑布圖， 右圖譜線隨角度的強度變化及其擬合結果

圖3 受激拉曼法測量磁場軸向和徑向投影的典型資料

圖4 補償前後冷原子飛躍飛行區的磁場強度變化比較