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一种精确测量原子喷泉冷原子团温度的方法

施俊如 王心亮 管勇 阮军 刘丹丹 白杨 杨帆 张辉 余凤翔 范思晨 张首刚

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一种精确测量原子喷泉冷原子团温度的方法

施俊如, 王心亮, 管勇, 阮军, 刘丹丹, 白杨, 杨帆, 张辉, 余凤翔, 范思晨, 张首刚

A method of accurately determining temperature of cold atomic cloud in atomic fountain

Shi Jun-Ru, Wang Xin-Liang, Guan Yong, Ruan Jun, Liu Dan-Dan, Bai Yang, Yang Fan, Zhang Hui, Yu Feng-Xiang, Fan Si-Chen, Zhang Shou-Gang
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  • 冷原子团的高斯半径和温度是用来描述冷原子团, 反映冷原子特性的主要参数. 本文提出了一种新型的测量冷原子团高斯半径和温度的方法, 采用过饱和近共振激光束照射冷原子团, 原子由于吸收了光子动量偏离原来的运动轨道, 而不能被探测系统所探测. 根据冷原子团的原子分布规律, 理论上构建了物理模型, 通过改变作用于冷原子团的推除光的尺寸来控制被推除的冷原子数目, 计算得到了不同高斯半径的冷原子团剩余原子数目与推除光尺寸的关系. 以国家授时中心铯原子喷泉为实验平台, 利用横向偏置的刀口光阑在不同下落高度控制作用于冷原子团的推除光尺寸, 测量出不同高度的剩余原子数目随推除光尺寸的变化情况. 应用理论公式拟合实验数据, 最终得到冷原子团在磁光阱中心正下方10 mm和160 mm处的高斯半径分别为(1.54 ± 0.05) mm和(3.29 ± 0.08) mm, 进一步计算得到冷原子团温度为(7.50 ± 0.49) μK. 为了验证刀口法的准确性和可重复性, 在同一实验条件下用刀口法和飞行时间法对冷原子团温度进行了测量与对比, 最终得到两种方法的测量结果基本一致.
    The Gaussian radius and temperature of cold atomic cloud are important parameters in describing the state of cold atoms. The precise measuring of these two parameters is of great significance for studying the cold atoms. In this paper, we propose a new method named knife-edge to measure the Gaussian radius and temperature of the cold atomic cloud. A near-resonant and supersaturated laser beam, whose size is controlled by a knife-edge aperture, is used to push away the cold atoms in the free falling process of cold atomic cloud. By detecting the intensity of fluorescence signal, the numbers of residual atoms under different-sized near-resonant beams can be obtained. According to the characteristic of cold atoms′ distribution, we construct a theoretical model to derive the Gaussian radius of cold atomic cloud from the recorded residual atom number and near-resonant beam size. Since the Gaussian radius and temperature of cold atomic cloud are associated with each other, we can finally obtain the temperature of cold atomic cloud through the recorded residual atom number and beam size. By using this method, we successfully measure the Gaussian radii of cold atomic cloud at the heights of 10 mm and 160 mm below the center of 3D-MOT (three dimensional magneto-optical trap) to be (1.54 ± 0.05) mm and (3.29 ± 0.08) mm, respectively. The corresponding temperature of cold atomic cloud is calculated to be (7.50 ± 0.49) μK, which is well consistent with the experimental result obtained by using the time-of-flight method under the same condition. This experiment is conducted on the platform of Cesium atomic fountain clock of National Time Service Center, China.
      通信作者: 王心亮, wangxl@ntsc.ac.cn
    • 基金项目: 国家重点研发计划(批准号: 2016YFF0200202)资助的课题
      Corresponding author: Wang Xin-Liang, wangxl@ntsc.ac.cn
    • Funds: Project supported by the National Key R&D Program of China (Grant No.2016YFF0200202)
    [1]

    王义遒 1998 物理 27 131Google Scholar

    Wang Y Q 1998 Physics 27 131Google Scholar

    [2]

    詹明生 2002 中国科学院院刊 17 407

    Zhan M S 2002 BCAS 17 407

    [3]

    张少良 2010 博士学位论文(合肥: 中国科学技术大学)

    Zhang S L 2010 Ph. D. Dissertation (Anhui: University of Science and Technology of China) (in Chinese)

    [4]

    Liu H, Zhang X, Jiang K L, Wang J Q, Zhu Q, Xiong Z X, He L X, Lv B L 2017 Chin. Phys. Lett. 34 020601Google Scholar

    [5]

    Bauch A 2005 Metrologia. 42 S43Google Scholar

    [6]

    卢向东, 李同保, 马艳, 汪黎栋 2009 物理学报 58 8205Google Scholar

    Lu X D, Li T B, Ma Y, Wang L D 2009 Acta Phys. Sin. 58 8205Google Scholar

    [7]

    Zhuang Y X, Shi D T, Li D W, Wang Y G, Zhao X N, Zhao J Y, Wang Z 2016 Chin. Phys. Lett. 33 040601Google Scholar

    [8]

    Liu K K, Zhao R C, Gou W, Fu X H, Liu H L, Yin S Q, Sun J F, Xu Z, Wang Y Z 2016 Chin. Phys. Lett. 33 070602Google Scholar

    [9]

    Liu C, Zhou S, Wang Y H, Hou S M 2017 Chin. Phys. B 26 113201Google Scholar

    [10]

    林弋戈, 方占军 2018 物理学报 67 160604Google Scholar

    Lin Y G, Fang Z J 2018 Acta Phys. Sin. 67 160604Google Scholar

    [11]

    Wang Y B, Yin M J, Ren J, Xu Q F, Lu B Q, Han J X, Guo Y, Chang H 2018 Chin. Phys. B 27 023701Google Scholar

    [12]

    王谨, 詹明生 2018 物理学报 67 160402Google Scholar

    Wang J, Zhan M S 2018 Acta Phys. Sin. 67 160402Google Scholar

    [13]

    吴长江, 阮军, 陈江, 张辉, 张首刚 2013 物理学报 62 063201Google Scholar

    Wu C J, Ruan J, Chen J, Zhang H, Zhang S G 2013 Acta Phys. Sin. 62 063201Google Scholar

    [14]

    阮军, 王叶兵, 常宏, 姜海峰, 刘涛, 董瑞芳, 张首刚 2015 物理学报 64 160308Google Scholar

    Ruan J, Wang Y B, Chang H, Jiang H F, Liu T, Dong R F, Zhang S G 2015 Acta Phys. Sin. 64 160308Google Scholar

    [15]

    王义遒, 王庆吉, 傅济时, 董太乾 1986 量子频标原理(北京: 科学出版社) 第552页

    Wang Y Q, Wang Q J, Fu J S, Dong T Q 1986 Principle of Quantum Frequency Standard (Beijing: Science Press) p552 (in Chinese)

    [16]

    王义遒 2007 原子的激光冷却与陷俘(北京: 北京大学出版社) 第171页

    Wang Y Q 2007 Laser Cooling and Trapping of Atoms (Beijing: Peking University Press) p171 (in Chinese)

    [17]

    韩燕旭, 王波, 马杰, 校金涛, 王海 2007 量子光学学报 13 30Google Scholar

    Han Y X, Wang B, Ma J, Xiao J T, Wang H 2007 Acta Sin. Quant. Opt. 13 30Google Scholar

    [18]

    吴艳 2005 硕士学位论文(杭州: 浙江大学)

    Wu Y 2005 M. S. Thesis (Hangzhou: Zhejiang University) (in Chinese)

    [19]

    Chu S, Hollberg L, BjorkholmJ E, Cable A, AshkinA 1985 Phys. Rev. Lett. 55 48Google Scholar

    [20]

    Lett P D, Watts R N, Westbrook C I, Phillips W D, Gould P L, Metcalf H J 1988 Phys. Rev. Lett. 61 169Google Scholar

    [21]

    程成, 曾凤, 程潇羽 2009 光学学报 29 2698

    Cheng C, Zeng F, Cheng X Y 2009 Acta Opt. Sin. 29 2698

    [22]

    陈帅 2004 博士学位论文(北京: 北京大学)

    Chen S 2004 Ph. D. Dissertation (Beijing: Peking University) (in Chinese)

    [23]

    Walhout M, Sterr U, Orzel C, Hoogerland M, Rolston S L 1995 Phys. Rev. Lett. 74 506Google Scholar

    [24]

    耿涛, 闫树斌, 王彦华, 杨海菁, 张天才, 王军民 2005 物理学报 54 5104Google Scholar

    Geng T, Yan S B, Wang Y H, Yang H J, Zhang T C, Wang J M 2005 Acta. Phys. Sin. 54 5104Google Scholar

    [25]

    王心亮 2017 博士学位论文(北京: 中国科学院大学)

    Wang X L 2017 Ph. D. Dissertation (Beijing: University of Chinese Academy of Sciences) (in Chinese)

    [26]

    Wynands R, Weyers S 2005 Metrologia 42 S64Google Scholar

    [27]

    Brzozowski TM, Maczyńska M, Zawada M, Zachorowski J, Gawlik W 2002 J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 4 62Google Scholar

  • 图 1  刀口法测量冷原子团温度模型

    Fig. 1.  The model of measuring the temperature of cold atomic cloud by knife-edge method.

    图 2  不同高斯半径的剩余原子数与刀口位置关系

    Fig. 2.  The residual atom number versus knife-edge position with different Gaussian radii.

    图 3  刀口法测量冷原子团温度实验装置简图

    Fig. 3.  The schematic diagram of experimental setup for measuring cold atomic cloud´s temperature by knife-edge method.

    图 4  磁光阱中心正下方10 mm (a)和 160 mm (b)处的剩余原子数与刀口位置关系

    Fig. 4.  The residual atom number versus knife-edge position at height 10 mm (a) and 160 mm (b)under the center of magneto-optical trap.

    图 5  冷原子团自由下落飞行时间信号

    Fig. 5.  The cold atomic cloud´s time-of-flight signal in free falling process.

    图 6  刀口法与飞行时间法测量冷原子团温度对比

    Fig. 6.  The comparison between knife-edge and time of flight methods in measuring cold atomic cloud´s temperature

  • [1]

    王义遒 1998 物理 27 131Google Scholar

    Wang Y Q 1998 Physics 27 131Google Scholar

    [2]

    詹明生 2002 中国科学院院刊 17 407

    Zhan M S 2002 BCAS 17 407

    [3]

    张少良 2010 博士学位论文(合肥: 中国科学技术大学)

    Zhang S L 2010 Ph. D. Dissertation (Anhui: University of Science and Technology of China) (in Chinese)

    [4]

    Liu H, Zhang X, Jiang K L, Wang J Q, Zhu Q, Xiong Z X, He L X, Lv B L 2017 Chin. Phys. Lett. 34 020601Google Scholar

    [5]

    Bauch A 2005 Metrologia. 42 S43Google Scholar

    [6]

    卢向东, 李同保, 马艳, 汪黎栋 2009 物理学报 58 8205Google Scholar

    Lu X D, Li T B, Ma Y, Wang L D 2009 Acta Phys. Sin. 58 8205Google Scholar

    [7]

    Zhuang Y X, Shi D T, Li D W, Wang Y G, Zhao X N, Zhao J Y, Wang Z 2016 Chin. Phys. Lett. 33 040601Google Scholar

    [8]

    Liu K K, Zhao R C, Gou W, Fu X H, Liu H L, Yin S Q, Sun J F, Xu Z, Wang Y Z 2016 Chin. Phys. Lett. 33 070602Google Scholar

    [9]

    Liu C, Zhou S, Wang Y H, Hou S M 2017 Chin. Phys. B 26 113201Google Scholar

    [10]

    林弋戈, 方占军 2018 物理学报 67 160604Google Scholar

    Lin Y G, Fang Z J 2018 Acta Phys. Sin. 67 160604Google Scholar

    [11]

    Wang Y B, Yin M J, Ren J, Xu Q F, Lu B Q, Han J X, Guo Y, Chang H 2018 Chin. Phys. B 27 023701Google Scholar

    [12]

    王谨, 詹明生 2018 物理学报 67 160402Google Scholar

    Wang J, Zhan M S 2018 Acta Phys. Sin. 67 160402Google Scholar

    [13]

    吴长江, 阮军, 陈江, 张辉, 张首刚 2013 物理学报 62 063201Google Scholar

    Wu C J, Ruan J, Chen J, Zhang H, Zhang S G 2013 Acta Phys. Sin. 62 063201Google Scholar

    [14]

    阮军, 王叶兵, 常宏, 姜海峰, 刘涛, 董瑞芳, 张首刚 2015 物理学报 64 160308Google Scholar

    Ruan J, Wang Y B, Chang H, Jiang H F, Liu T, Dong R F, Zhang S G 2015 Acta Phys. Sin. 64 160308Google Scholar

    [15]

    王义遒, 王庆吉, 傅济时, 董太乾 1986 量子频标原理(北京: 科学出版社) 第552页

    Wang Y Q, Wang Q J, Fu J S, Dong T Q 1986 Principle of Quantum Frequency Standard (Beijing: Science Press) p552 (in Chinese)

    [16]

    王义遒 2007 原子的激光冷却与陷俘(北京: 北京大学出版社) 第171页

    Wang Y Q 2007 Laser Cooling and Trapping of Atoms (Beijing: Peking University Press) p171 (in Chinese)

    [17]

    韩燕旭, 王波, 马杰, 校金涛, 王海 2007 量子光学学报 13 30Google Scholar

    Han Y X, Wang B, Ma J, Xiao J T, Wang H 2007 Acta Sin. Quant. Opt. 13 30Google Scholar

    [18]

    吴艳 2005 硕士学位论文(杭州: 浙江大学)

    Wu Y 2005 M. S. Thesis (Hangzhou: Zhejiang University) (in Chinese)

    [19]

    Chu S, Hollberg L, BjorkholmJ E, Cable A, AshkinA 1985 Phys. Rev. Lett. 55 48Google Scholar

    [20]

    Lett P D, Watts R N, Westbrook C I, Phillips W D, Gould P L, Metcalf H J 1988 Phys. Rev. Lett. 61 169Google Scholar

    [21]

    程成, 曾凤, 程潇羽 2009 光学学报 29 2698

    Cheng C, Zeng F, Cheng X Y 2009 Acta Opt. Sin. 29 2698

    [22]

    陈帅 2004 博士学位论文(北京: 北京大学)

    Chen S 2004 Ph. D. Dissertation (Beijing: Peking University) (in Chinese)

    [23]

    Walhout M, Sterr U, Orzel C, Hoogerland M, Rolston S L 1995 Phys. Rev. Lett. 74 506Google Scholar

    [24]

    耿涛, 闫树斌, 王彦华, 杨海菁, 张天才, 王军民 2005 物理学报 54 5104Google Scholar

    Geng T, Yan S B, Wang Y H, Yang H J, Zhang T C, Wang J M 2005 Acta. Phys. Sin. 54 5104Google Scholar

    [25]

    王心亮 2017 博士学位论文(北京: 中国科学院大学)

    Wang X L 2017 Ph. D. Dissertation (Beijing: University of Chinese Academy of Sciences) (in Chinese)

    [26]

    Wynands R, Weyers S 2005 Metrologia 42 S64Google Scholar

    [27]

    Brzozowski TM, Maczyńska M, Zawada M, Zachorowski J, Gawlik W 2002 J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 4 62Google Scholar

  • [1] 余泽鑫, 刘琪鑫, 孙剑芳, 徐震. 基于二维磁光阱的增强型199Hg冷原子团制备. 物理学报, 2024, 73(1): 013701. doi: 10.7498/aps.73.20231243
    [2] 曹颖逾, 郭建友. 原子核电荷半径的研究. 物理学报, 2020, 69(16): 162101. doi: 10.7498/aps.69.20191643
    [3] 高明, 邓永和, 文大东, 田泽安, 赵鹤平, 彭平. 快凝Pd82Si18合金原子团簇的演化特性及遗传机制. 物理学报, 2020, 69(4): 046401. doi: 10.7498/aps.69.20190970
    [4] 鹿博, 韩成银, 庄敏, 柯勇贯, 黄嘉豪, 李朝红. 超冷原子系综的非高斯纠缠态与精密测量. 物理学报, 2019, 68(4): 040306. doi: 10.7498/aps.68.20190147
    [5] 圣宗强, 樊广伟, 钱建发. 关于原子核电荷半径的研究. 物理学报, 2015, 64(11): 112101. doi: 10.7498/aps.64.112101
    [6] 张春艳, 赵清, 傅立斌, 刘杰. 飞秒强激光场中氢原子团簇的各向异性膨胀. 物理学报, 2012, 61(14): 143601. doi: 10.7498/aps.61.143601
    [7] 林民东, 朱娟娟, 王伟, 周邦新, 刘文庆, 徐刚. 核反应堆压力容器模拟钢中富Cu原子团簇的析出与嵌入原子势计算. 物理学报, 2010, 59(2): 1163-1168. doi: 10.7498/aps.59.1163
    [8] 郑晓军, 张俊, 黄忠兵. 扩展哈伯德模型中原子团簇的结构和热力学性质研究. 物理学报, 2010, 59(6): 3897-3904. doi: 10.7498/aps.59.3897
    [9] 林秋宝, 李仁全, 文玉华, 朱梓忠. Wn(n=3—27)原子团簇结构的第一性原理计算. 物理学报, 2008, 57(1): 181-185. doi: 10.7498/aps.57.181
    [10] 王彦华, 杨海菁, 张天才, 王军民. 用吸收法对铯原子磁光阱中冷原子数目的测量. 物理学报, 2006, 55(7): 3403-3407. doi: 10.7498/aps.55.3403
    [11] 沈全洪, 裴 京, 徐端颐, 马建设, 齐国生, 李莉华. 蓝光高密度光盘驱动器中聚焦误差特性分析. 物理学报, 2006, 55(8): 4132-4138. doi: 10.7498/aps.55.4132
    [12] 翟国庆, 张邦俊, 叶高翔. 具有排斥相互作用的原子团簇非平衡系统研究. 物理学报, 2005, 54(4): 1557-1563. doi: 10.7498/aps.54.1557
    [13] 朱频频, 刘建胜, 徐至展. Ar原子团簇与飞秒强激光相互作用产生的高能离子计算. 物理学报, 2004, 53(3): 803-807. doi: 10.7498/aps.53.803
    [14] 叶子燕, 张庆瑜. 低能Pt原子团簇沉积过程的分子动力学模拟. 物理学报, 2002, 51(12): 2798-2803. doi: 10.7498/aps.51.2798
    [15] 林景全, 张杰, 李英骏, 陈黎明, 吕铁铮, 滕浩. 原子团簇对飞秒激光的吸收. 物理学报, 2001, 50(3): 457-461. doi: 10.7498/aps.50.457
    [16] 罗成林, 周延怀, 张 益. 镍原子团簇几何结构的紧束缚方法模拟 . 物理学报, 2000, 49(1): 54-56. doi: 10.7498/aps.49.54
    [17] 欧阳敏, 侯士敏, 林 琳, 刘惟敏, 薛增泉, 吴全德, 夏宗矩, 邹英华. 埋藏于有机介质中金属原子团的结构研究(I). 物理学报, 1998, 47(5): 802-806. doi: 10.7498/aps.47.802
    [18] 欧阳敏, 侯士敏, 林 琳, 刘惟敏, 薛增泉, 吴全德, 夏宗矩, 邹英华. 埋藏于有机介质中金属原子团的电学、光学特性研究(II). 物理学报, 1998, 47(5): 829-834. doi: 10.7498/aps.47.829
    [19] 黎军, 仝晓民, 李家明. 钴原子团簇电子结构的理论研究. 物理学报, 1995, 44(11): 1727-1733. doi: 10.7498/aps.44.1727
    [20] 石双合, 王绪威, 陈金昌. 原子团Fe4B的电子结构. 物理学报, 1992, 41(6): 929-936. doi: 10.7498/aps.41.929
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-22
  • 修回日期:  2019-07-05
  • 上网日期:  2019-10-01
  • 刊出日期:  2019-10-05

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