改进型冷原子喷泉的研究

本项目中，我们提出了冷原子喷泉的改进设计方案，利用折叠光路和声光调制器伺服移频的办法，有望将光学系统的主激光功率降低到100毫瓦以下，同时将光路大幅简化，提高了其可靠性和稳定性，同时我们提出了吸收法探测飞行时间信号的方案，有望将信号强度提高1-2个数量级。本项研究将大幅降低原子喷泉的研制门槛及它对环境的要求，促进以喷泉为平台的许多领域，如原子喷泉钟、原子干涉仪、空间冷原子钟的发展。

本项研究提出并实现了原子喷泉的多项改进技术，目的是降低喷泉的复杂性、对环境的要求，提高喷泉的可靠性，为实现连续的商业化喷泉钟及喷泉干涉仪突破关键技术。研究中我们实现了折叠光路对光学系统的改进，利用两束激光多次反射的办法实现了对冷原子的俘获、冷却与上抛，探测原子数（1E7，上抛高度90cm）、冷原子温度（0.0025mK）等技术指标达到了标准喷泉的水平，它大大降低了原子喷泉对激光功率的要求（降低了60%以上， 180mW以下），简化了光路（元器件和光路面积减小了1/3以上），借助光纤电光调制器，我们实现了利用简单的电光调制系统代替了复杂的激光器产生再泵浦激光，从而实现单半导体激光器驱动整个喷泉，使喷泉的可靠性大大增加。我们研制了喷泉钟微波系统，使喷泉的稳定度指标达到5E-13tau^(-1/2)，这是Dick效应决定的晶振（OSA公司8607优选）的噪声极限。我们实现了利用声光调制器产生深度转移光谱对激光器稳频及移频，不过由于器件及调制解调技术的限制，快速移频（<1ms）有一定的难度。我们提出了“健康护卫”的想法并将其应用于解决激光器失锁和激光功率起伏对可靠性的影响，通过改进，使相关单元总故障率达到小于1次/100天的水平。上述一些技术突破真正达到了简化喷泉，提高装置可靠性和环境宽容性（鲁棒性）的目的，部分技术已经被其它小组采用或者正在讨论使用，例如折叠光路相关技术、微波系统被某空间项目所采用，作为其光学设计的基础。