铯原子钟速度分布的计算机模型

引　言

近年来,在迅猛发展的原子频率标准的理论和实验研究中,铯原子钟以其自身的优越性,得到了最为成熟的发展,被广泛应用在许多科学和技术领域。高准确度高精度的时间频率标准在卫星、导弹的发射,各种现代化武器装备的同步、数字通信等现代国防和现代科技中发挥着重要的作用。我国目前基本上是依靠进口美国的小型铯原子钟或使用GPS。为摆脱在时间频率计量上对美国的长期依赖,保证我国时间的独立性,北京大学铯束频标实验室10多年来在光抽运的新型小铯钟研究方面,已做了许多创造性的工作,使北京大学小铯钟的研究处于世界先进水平,但目前其背景激光噪声和微波相关频移较大。存在于铯原子钟的各种频移很小,即使对于小型的原子钟,相对频移量一般在10-12数量级以下,因此,在实验研究的过程中,每次测量一组数据需要几天至几周的时间,甚至更长。例如测量腔相差引起的频移,需要多次将原子束倒转,在高真空系统上做这样的工作是非常繁琐而花时间的事。所以,如果有可以快速给出数值或仿真结果的原子钟计算机模型系统,对于分析研究铯原子钟存在的各种频移和具体的小型原子钟的设计将有很重要的意义。通过数值仿真,避免了巨大的实验消耗和需要的长时间测量,可以快速分析铯原子钟存在的各种频移等现象。国外对磁选态铯原子钟和汽室铷原子钟做过建模和仿真工作。笔者也曾结合北京大学的激光抽运小型铯原子钟结构[1,2],初步建立了光抽运小型铯原子钟计算机模型系统[3]。利用该计算机模型系统,已对光抽运小型铯原子钟在一些极端条件下的情形进行了研究,如在抽运激光功率偏低,有效原子的速度分布特别窄,微波功率远大于最佳微波功率等条件下,得到了一些有意义的结果[3]。

1　铯原子钟微波频谱的数学模型

所建立的光抽运铯原子钟的计算机模型系统在以往的文章中已经作过介绍[3],并可参考相关的文献[1,2]。在此着重介绍的是此模型中的微波频谱数学模型。

如图1所示,在根据Ramsey分离场的方法建立的原子钟装置中,从原子炉发射的铯原子束经光抽运后经过两次振荡场区(长度为l)和一个漂移区(长度为L),经这两次间断的相互作用,最初处于m态的原子可跃迁到n态,其跃迁几率是:

　　上式所得到的结果就是铯原子钟的检测区测量到的铯原子微波频谱信号。

2　初步结果及分析

对于(5)式所表示的微波频谱信号,需要特别注意的是,由(2)式所表示的是理想的热原子束的速率分布,而实际情形却远非如此。例如对于磁选态铯原子钟的原子速度分布,情况更加复杂,经过细致深入的实验研究以后发现原子速度分布是一种出乎意料的双峰分布。因此,利用铯原子钟的计算机模型系统来研究铯束原子速度分布对原子钟微波频谱的的影响有着重要的实际意义。