Разработка и исследование физических принципов прецизионной лазерной спектроскопии с использованием холодных атомов и ионов для оптических стандартов частоты и времени (оптических часов) нового поколения

Разработан универсальный однопетлевой метод формирования сигнала ошибки для стабилизации частоты атомных часов на основе протокола рамсеевской спектроскопии часового перехода, использующий опрос атомной системы для двух разных темных периодов и формируемый специальным образом комбинированный сигнал ошибки (КСО). Использование КСО позволяет радикально подавить полевые сдвиги и их флюктуации. Выполнен анализ влияния микродвижения иона в нескомпенсированной радиочастотной ловушке на характеристики спектроскопического сигнала. Показано, что небольшие смещения иона от центра радиочастотной ловушки порядка более 2 мкм не контролируются имеющимися методами, но приводят к существенному подавлению как амплитуды сигналов, так и классической динамики осцилляций Раби в результате роста эффектов, связанного с микродвижением иона в ловушке. Проведенный анализ указал на необходимость поиска альтернативных методов контроля ловушки, что было реализовано экспериментально в рамках работ по созданию оптического стандарта частоты на одиночном ионе иттербия-171. Реализован метод кросс-корреляции, позволяющий контролировать и подавлять вклады нескомпенсированного микродвижения иона в ловушке. Точность компенсации смещения иона с помощью указанного метода составила порядка 30 нм, что меньше параметра Лэмба - Дике и является достаточным для устранения влияния линейного эффекта Доплера на «часовой» переход. Разработана 2-я лазерная система для возбуждения часового перехода иона иттербия; получены прямые оптические биения двух «часовых» лазеров; определены факторы, влияющие на уширение регистрируемого спектра оптических биений, и начаты работы по минимизации их влияния. Проведены исследования с целью повышения стабильности магниевого стандарта частоты. Полученная относительная нестабильность оптического стандарта частоты на основе охлажденных и локализованных в магнитооптической ловушке атомов магния составила величину ∆ν/ν = 6,6 · 10⁻¹⁶ за время усреднения 600 с при кратковременной относительной нестабильности ∆ν/ν = 4,7 · 10⁻¹⁵ за время 1 с. Создан источник излучения на 457 нм на основе полупроводникового лазера для спектроскопии атомов магния. Возможности нового источника продемонстрированы в экспериментах по прецизионной спектроскопии холодных атомов магния, локализованных в магнитооптической ловушке. Получена запись резонансов Рамси - Борде в разнесенных во времени полях с использованием нового часового лазера. Созданный источник излучения имеет меньшие габариты, значительно меньшую стоимость и существенно проще в эксплуатации по сравнению с лазерной системой на основе титан-сапфирового лазера, использовавшейся ранее. Показана возможность прецизионного измерения частот запрещенных переходов в атоме гелия и водорода c помощью вынужденного комбинационного рассеяния.