RU2541051C1

RU2541051C1 - Method for reference resonance formation at hyperfine transitions from normal state of alkali-metal atom

Info

Publication number: RU2541051C1
Application number: RU2013144065/07A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Литвинов
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-02-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: method for reference resonance formation at hyperfine transitions from normal state of alkali-metal atom based on effect of coherent population trapping in bichromatic laser field envisages selection of the excitation mode by laser having emission bandwidth "Г_L" on the assumption that "Г_L" ≤γ, where γ is value of excitation spontaneous decay. The suggested method for reference resonance formation allows using cells without antirelaxation coating and buffer gas.

EFFECT: cheapening of the method for reference resonance formation at hyperfine transitions from normal state of alkali-metal atom.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в метрологии для определения частоты и времени, может найти применение в атомных стандартах частоты и атомных часах.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in metrology to determine the frequency and time, can find application in atomic frequency standards and atomic clocks.

Известен способ формирования высококонтрастного резонанса на сверхтонких переходах основного состояния атома щелочного металла в бихроматическом поле, в котором частотные компоненты одинаково линейно поляризованы. При этом полные угловые моменты сверхтонких компонент в основном состоянии имеют значения F=1 и F=2 для атомов ⁸⁷Rb, а возбуждение осуществляется через сверхтонкую компоненту с полным угловым моментом F′=1. Обязательным является условие спектрального разрешения сверхтонкой структуры возбужденного состояния. Среди щелочных металлов перечисленные условия в обычных условиях выполняются для атомов ⁸⁷Rb. Резонанс когерентного пленения населенностей (КПН) может формироваться как на 0-0 переходе, так и на частотах переходов атомов ⁸⁷Rb: F=2, m=1↔F=1, m=-1 и F=2, m=-1↔F=1, m=1, где F - квантовое число полного углового момента атома, m - квантовое число проекции полного углового атома на направление магнитного поля [RU патент №2312457]. Недостатком этого способа является его сложная техническая реализация.A known method of forming high-contrast resonance at ultrathin transitions of the ground state of an alkali metal atom in a bichromatic field in which the frequency components are equally linearly polarized. In this case, the total angular momenta of the hyperfine components in the ground state are F = 1 and F = 2 for ⁸⁷ Rb atoms, and the excitation is carried out through the hyperfine component with the total angular momentum F ′ = 1. An obligatory condition is the spectral resolution of the hyperfine structure of the excited state. Among alkali metals, the listed conditions are usually satisfied for ⁸⁷ Rb atoms. The resonance of coherent population trapping (CPT) can be formed both at the 0–0 transition and at the transition frequencies of ⁸⁷ Rb atoms: F = 2, m = 1↔F = 1, m = -1 and F = 2, m = -1 ↔F = 1, m = 1, where F is the quantum number of the total angular momentum of the atom, m is the quantum number of the projection of the total angular atom in the direction of the magnetic field [RU patent No. 2312457]. The disadvantage of this method is its complex technical implementation.

Известен способ формирования опорного резонанса на сверхтонких переходах основного состояния атома щелочного металла для стабилизации частоты генератора электромагнитных колебаний, основанный на эффекте когерентного пленения населенностей в бихроматическом лазерном поле, выбранный за прототип. Два сонаправленных лазерных поля с частотами ω₁и ω₂, действующие в Л-конфигурации на разрешенные электродипольные переходы F=3<->F′=3 и F=4<->F′=3 (F - квантовое число полного углового момента атома, m - квантовое число проекции полного углового момента атома на направление магнитного поля), создают долгоживущую непоглощающую суперпозицию состояний сверхтонких подуровней атомов ¹³³Cs, находящихся в ячейке с буферным газом [Ж. Кичинг, С. Кнэйп и Л. Холлберг. «Журнал прикладной физики». Том 81, стр. 353, 2002 г.]A known method of forming a reference resonance at ultrathin transitions of the ground state of an alkali metal atom to stabilize the frequency of an electromagnetic oscillation generator, based on the effect of coherent population trapping in a bichromatic laser field, selected as the prototype. Two co-directional laser fields with frequencies ω ₁ and ω ₂ acting in the L configuration on the allowed electric dipole transitions F = 3 <-> F ′ = 3 and F = 4 <-> F ′ = 3 (F is the quantum number of the total angular momentum atom, m is the quantum number of the projection of the total angular momentum of the atom on the direction of the magnetic field), create a long-lived non-absorbing superposition of states of the hyperfine sublevels of ¹³³ Cs atoms located in a cell with a buffer gas [J. Quiching, S. Kneip, and L. Hallberg. "Journal of Applied Physics." Volume 81, p. 353, 2002]

Недостатком является необходимость покрывать ячейку антирелаксационным стеночным покрытием или вводить буферный газ, что ведет к удорожанию способа.The disadvantage is the need to cover the cell with an anti-relaxation wall coating or to introduce buffer gas, which leads to an increase in the cost of the method.

Задачей является удешевление способа формирования опорного резонанса.The objective is to reduce the cost of forming a reference resonance.

Для решения задачи предложен способ возбуждения для формирования опорного резонанса на сверхтонких переходах основного состояния атома щелочного металла, основанный на эффекте когерентного пленения населенностей в бихроматическом лазерном поле, в котором резонанс возбуждают лазером, имеющим ширину спектра Г_L≤γ, где γ - величина спонтанного распада возбужденного состояния. Ширина лазера является ключевым параметров при формировании резонанса КПН.To solve the problem, an excitation method has been proposed for the formation of a reference resonance at ultrathin transitions of the ground state of an alkali metal atom, based on the effect of coherent population trapping in a bichromatic laser field in which the resonance is excited by a laser having a spectrum width Г _L ≤γ, where γ is the value of spontaneous decay excited state. Laser width is a key parameter in the formation of CPT resonance.

Способ может быть реализован как для lin||lin, так и для lin^⊥lin конфигураций бихроматического лазерного поля при возбуждении резонанса КПН.The method can be implemented for both lin || lin and lin ^⊥ lin configurations of the bichromatic laser field upon excitation of the CPT resonance.

При возбуждении лазером с «узким» спектром излучения (т.е. когда выполняется условие Г_L≤γ) в лазерном поле взаимодействуют только атомы из одной скоростной группы - "медленные" атомы, которые в основном участвуют в формировании резонанса когерентного пленения населенностей. Поэтому уширение резонанса КПН за счет столкновений со стенками ячейки имеет незначительный вклад и зависимость ширины резонанса КПН от размеров ячейки практически отсутствует. Таким образом, если работать только с "медленными" атомами, то столкновительное уширение со стенками ячейки несет незначительный вклад, что позволяет не покрывать ячейку антирелаксационным стеночным покрытием или вводить буферный газ. Следовательно, отличительный признак является существенным и достаточным для решения задачи.When excited by a laser with a “narrow” emission spectrum (that is, when the condition Г _L ≤γ is fulfilled), only atoms from the same velocity group interact in the laser field — “slow” atoms, which are mainly involved in the formation of the resonance of coherent population trapping. Therefore, the broadening of the CPT resonance due to collisions with the cell walls has an insignificant contribution and there is practically no dependence of the width of the CPT resonance on the cell size. Thus, if we work only with “slow” atoms, then collisional broadening with the cell walls makes an insignificant contribution, which allows us not to cover the cell with an anti-relaxation wall coating or introduce buffer gas. Therefore, the distinguishing feature is essential and sufficient to solve the problem.

Способ формирования опорного резонанса на сверхтонких переходах основного состояния атома щелочного металла осуществляют следующим образом. Возьмем ячейку без антирелаксационного стеночного покрытия, в которую помещены атомы цезия ¹³³Cs при температуре 55°C. Поместим ячейку в магнитное поле 0,02 Гс. На данные атомы направим бихроматическое лазерное поле в ∧-конфигурации, которое резонансно переходам F=3<->F′=3 и F=4<->F′=3 и имеет ширину спектра 4,57 МГц. Величина спонтанного распада для атомов ¹³³Cs на переходе F′=3<->F=3, F′=3<->F=4 составляет 4,57 МГц. Следовательно, выполняется условие Г_L≤γ. Лазерное поле имеет интенсивность 1 мкВт.The method of forming the reference resonance at ultrathin transitions of the ground state of an alkali metal atom is as follows. Take a cell without anti-relaxation wall coating, which contains ¹³³ Cs cesium atoms at a temperature of 55 ° C. Place the cell in a magnetic field of 0.02 G. We direct these atoms to a bichromatic laser field in the ∧-configuration, which is resonant to the F = 3 <-> F ′ = 3 and F = 4 <-> F ′ = 3 transitions and has a spectrum width of 4.57 MHz. The value of spontaneous decay for ¹³³ Cs atoms at the transition F ′ = 3 <-> F = 3, F ′ = 3 <-> F = 4 is 4.57 MHz. Therefore, the condition Γ _L ≤γ is satisfied. The laser field has an intensity of 1 μW.

Результаты численного расчета амплитуды p резонанса когерентного пленения населенностей в ∧-конфигурации от двухфотонной отстройки Ω для различных длин ячеек для случая ячейки без антирелаксационного стеночного покрытия предсталены на фиг.1. Сплошная кривая соответствует ячейке длиной 0,825 см, точечная 1,65 см, пунктирная 2,475 см, штрихпунктирная 3,3 см. Из фиг.1 видно, что не наблюдается какой-либо существенной зависимости ширины резонанса когерентного пленения населенностей от размеров ячейки.The results of a numerical calculation of the amplitude p of the resonance of coherent population trapping in the ∧-configuration from the two-photon detuning Ω for different cell lengths for the case of a cell without anti-relaxation wall coating are presented in Fig. 1. The solid curve corresponds to a cell 0.825 cm long, dotted 1.65 cm, dotted 2.475 cm, dash-dotted 3.3 cm. It can be seen from FIG. 1 that there is no significant dependence of the resonance width of the coherent population trapping on the cell size.

Возьмем ячейку без антирелаксационного стеночного покрытия, в которую помещены атомы рубидия ⁸⁷Rb при температуре 55°C. Поместим ячейку в магнитное поле 0,05 Гс. На данные атомы направим бихроматическое лазерное поле в ∧-конфигурации, которое резонансно переходам F=1<->F′=2 и F=2<->F′=2 и имеет ширину спектра 2 МГц. Величина спонтанного распада для атомов ¹³³Cs на переходе F′=2<->F=1, F′=2<->F=2 составляет 5,74 МГц. Следовательно, выполняется условие Г_L≤γ. Лазерное поле имеет интенсивность 2 мкВт.Take a cell without anti-relaxation wall coating, which contains ⁸⁷ Rb rubidium atoms at a temperature of 55 ° C. We place the cell in a magnetic field of 0.05 G. We direct these atoms to a bichromatic laser field in the ∧-configuration, which is resonant to the F = 1 <-> F ′ = 2 and F = 2 <-> F ′ = 2 transitions and has a spectrum width of 2 MHz. The value of spontaneous decay for ¹³³ Cs atoms at the transition F ′ = 2 <-> F = 1, F ′ = 2 <-> F = 2 is 5.74 MHz. Therefore, the condition Γ _L ≤γ is satisfied. The laser field has an intensity of 2 μW.

Результаты численного расчета амплитуды ρ резонанса когерентного пленения населенностей в ∧-конфигурации от двухфотонной отстройки Ω для различных длин ячеек для случая ячейки без антирелаксационного стеночного покрытия представлены на фиг.2. Сплошная кривая соответствует ячейке длиной 2,2 см, пунктирная 3,3 см, точечная 4,4 см. Из фиг.2 видно, что не наблюдается какой-либо существенной зависимости ширины резонанса когерентного пленения населенностей от размеров ячейки.The results of a numerical calculation of the amplitude ρ of the resonance of coherent population trapping in the ∧-configuration from the two-photon detuning Ω for different cell lengths for the case of a cell without anti-relaxation wall coating are presented in Fig. 2. The solid curve corresponds to a 2.2 cm long cell, dashed 3.3 cm, and 4.4 cm dotted. It can be seen from FIG. 2 that there is no significant dependence of the resonance width of the coherent population trapping on the cell size.

Предложенный способ формирования опорного резонанса на сверхтонких переходах основного состояния атома щелочного металла позволяет использовать ячейки без антирелаксационного покрытия, что ведет к удешевлению способа формирования опорного резонанса на сверхтонких переходах основного состояния атома щелочного металла.The proposed method of forming a reference resonance at ultrathin transitions of the ground state of an alkali metal atom allows the use of cells without anti-relaxation coating, which leads to a cheaper method of forming reference resonance at ultrathin transitions of the ground state of an alkali metal atom.

Claims

A method of forming a reference resonance at ultrathin transitions of the ground state of an alkali metal atom, based on the effect of coherent population trapping in a bichromatic laser field in a cell, characterized in that:
the resonance of coherent population trapping is excited by a laser having a width Г _L of the radiation spectrum Г _L ≤γ, where γ is the value of the spontaneous decay of the excited state.