如果你聽說過“原子鐘”掘宪，那很可能了解全qiu有超過80臺高精度原子鐘構成了協調shi界時（UTC）的基礎蛾扇。如今，“原子鐘”已成為“精準”的代名詞魏滚，頂ji光學原子鐘的頻率不確定度已可達到小數點后第19位镀首。
利用Moku時間間隔與頻率分析儀測量囚禁離子的微運動
如果你聽說過“原子鐘”，那很可能了解全qiu有超過80臺高精度原子鐘構成了協調shi界時（UTC）的基礎鼠次。如今更哄，“原子鐘”已成為“精準”的代名詞，頂ji光學原子鐘的頻率不確定度已可達到小數點后第19位腥寇。
為了達到如此高的精度成翩，研究人員必須對各種可能導致頻率漂移的外部擾動因素進行表征和控制，包括電磁噪聲赦役、黑體輻射以及會導致“鐘”原子獲得額外動能的耦合效應捕传。因此，預測并修正這些因素對于保證原子鐘的長期穩(wěn)定性至關重要扩劝。
在科羅拉多州立大學庸论，Christian Sanner 博士的研究團隊正致力于離子囚禁型光學原子鐘的研究 [1] 。對基于離子阱的光學原子鐘進行研究棒呛。他們的部分工作涉及確保所有外部擾動保持在zui低限度聂示。為此，他們采用 Moku:Pro 基于 FPGA的可重構測量平臺簇秒，提供一整套包括15種測試測量儀器功能在一臺硬件設備鱼喉。利用其中時間間隔與頻率分析儀，他們可以精確檢測離子在陷阱中殘余的微運動趋观，并施加補償電場加以抑制扛禽。
挑戰(zhàn)
為了俘獲并囚禁離子，研究人員通常先將中性原子電離成帶電粒子（離子）皱坛。一旦離子化编曼，原子就會因離子阱電極產生的電勢而受到強大的電場力。一種基于時變交流和直流電勢的實驗裝置（即Paul離子阱剩辟，典型的驅動頻率在數十 MHz的射頻范圍內）將其束縛在自由空間中掐场。然后，使用多普勒冷卻方法將離子帶到低于 mK 的溫度贩猎。在這一過程中熊户，離子因受到與速度相關的光力作用，導致凈能量損失吭服。圖 1 展示了被用于多普勒冷卻和熒光檢測的光學元件包圍的離子阱裝置嚷堡。
圖 1：離子阱裝置。照片由科羅拉多州立大學的 Christian Sanner 提供艇棕。
理想情況下蝌戒，離子應該被囚禁在電場完全抵消的陷阱中心串塑。然而，實際上情況是附近的雜散電場都可能使離子偏離理想的離子阱中心瓶颠，使其在陷阱電場中發(fā)生周期性振蕩拟赊，即所謂的“微運動”。這會對系統(tǒng)的性能產生不利影響粹淋。對于光學離子鐘來說吸祟，它會導致不必要的斯塔克頻移和時間膨脹頻移效應，從而降低時鐘的準確性桃移。
由于不可能完全消除雜散電場屋匕，研究人員通常會應用額外的補償場來抵消雜散場引入的擾動。然而借杰，難題就在于一開始就能精確檢測出存在微運動及其程度—這正是 Moku 時間間隔與頻率分析儀發(fā)揮關鍵作用的地方过吻。因此， Christian Sanner 和他的團隊使用了 Moku 的時間間隔與頻率分析儀精確測量囚禁離子的細微運動量蔗衡。
解決方案
過去 30 年來纤虽，科研界發(fā)展出了各種各樣的微動檢測方法。其中一些方法與多普勒冷卻所用的原理相似绞惦。例如逼纸，光子關聯”法[2, 3]可以檢測捕獲-驅動-同步離子熒光調制過程。在雜散場補償不佳的情況下济蝉，離子在多普勒冷卻過程中的散射光會出現這種調制過程杰刽，這是由于細微運動會引起多普勒頻移以及相應的光子散射速率調制。換言之王滤，如果離子在微動半周期內接近激光光束贺嫂，則散射的紅移冷卻激光將會增加，而當原子在另一半周期內遠離激光光束時雁乡，散射將會減少第喳。
圖 2 中可以看到 CSU 團隊為實現這種互相關測量所使用的便捷實驗配置。Moku 時間間隔與頻率分析儀本質上通過反復測量檢測到的散射光子與離子阱驅動射頻信號的下一個過零交叉點之間的時間間隔蔗怠，以此來進行離散光子散射信號的鎖定檢測墩弯。
圖 2: Moku 時間間隔與頻率分析儀的互相關測量實驗示意圖。離子上散射的光子信號經過光電倍增管 (PMT) 后寞射，它會為每個檢測到的光子輸出一個 TTL 脈沖到 Moku 設備的輸入端口。
實驗結果
"Moku直觀的實時反饋锌钮，讓Sanner團隊能夠快速調整補償電場桥温，實時查看調節(jié)效果，直到系統(tǒng)達到優(yōu)的狀態(tài)后梁丘，進入下一階段的原子鐘實驗侵浸。"
通過構建測量到的時間間隔直方圖旺韭，可以揭示捕獲-驅動-同步離子熒光調制過程，從而量化微動幅度掏觉。圖 3 顯示了兩個直方圖示例。如果離子阱中的微動較小，則捕獲-驅動周期內光子事件的分布呈現出相對平坦（圖 3a）的情況炼绘。如果系統(tǒng)發(fā)生較大的微動巫财，則光子探測事件直方圖呈現出分布不均的情況。
Moku 時間間隔與頻率分析儀生成的無損且實時的直方圖使團隊成員能夠持續(xù)觀測離子阱中的微動情況酱塔。他們利用這些信息施加補償電場來抵消雜散電場的不利影響并觀察結果沥邻。當微動幅度被調控到可接受水平時，他們就可以推進到光學離子鐘實驗的下一階段羊娃。
圖 3: Moku 時間間隔與頻率分析儀測量結果顯示唐全。a) 處于細微運動下的離子阱檢測直方圖顯示(修正補償后)。b) 具有較大微動幅度的離子阱檢測直方圖蕊玷，顯示出明顯的捕獲-驅動-同步熒光調制過程邮利。
Christan-Sanner 實驗室計劃在不久的將來將Moku平臺上其他儀器（例如神經網絡）納入其研究中。Moku 神經網絡將和時間間隔與頻率分析儀搭配使用垃帅，可以幫助進一步提高并改善激光冷卻和光學時鐘調控過程的效率延届，進一步提升光學原子鐘的效率與自動化水平。
關于Moku:Pro
Moku:Pro 是澳大利亞 Liquid Instruments 公司推出的多合一可編程測控儀器平臺挺智，將示波器祷愉，頻譜儀，鎖相放大器赦颇，激光穩(wěn)頻等15種儀器功能集成到一臺設備二鳄。此外，Moku:Pro前端采用了信號混合技術媒怯，實現超低本底噪聲與高動態(tài)范圍結合订讼，這為精密光學/光譜測量和量子計算提供了優(yōu)異的解決方案。另外扇苞，Moku:Pro的時間頻率分析功能提供了低至0.78ps的數字分辨率欺殿，使得其可以勝任量子光學、激光雷達等尖端應用領域的要求鳖敷。
參考文獻
[1] Colorado State University Department of Physics. https://www.physics.colostate.edu/christian-sanner/
[2] [1]D. J. Berkeland, J. D. Miller, J. C. Bergquist, W. M. Itano, and D. J. Wineland, “Minimization of ion micromotion in a Paul trap,” Journal of Applied Physics, vol. 83, no. 10, pp. 5025–5033, May 1998, doi: https://doi.org/10.1063/1.367318.
[3] J. Keller, H. L. Partner, T. Burgermeister, and T. E. Mehlst?ubler, “Precise determination of micromotion for trapped-ion optical clocks,” Journal of Applied Physics, vol. 118, no. 10, Sep. 2015, doi: https://doi.org/10.1063/1.4930037.
關于昊量光電：
上海昊量光電設備有限公司是光電產品專業(yè)代理商脖苏，產品包括各類激光器、光電調制器定踱、光學測量設備棍潘、光學元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊亦歉、生物醫(yī)療恤浪、科學研究、國防肴楷、量子光學水由、生物顯微、物聯傳感赛蔫、激光制造等砂客；可為客戶提供完整的設備安裝，培訓濒募，硬件開發(fā)鞭盟，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務瑰剃。
您可以通過我們昊量光電的官方網站www.wjjzl.com了解更多的產品信息齿诉，或直接來電咨詢4006-888-532。
