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中央大學首個超冷原子
光梳雷射實驗室 S4-415, 2023 05 / 22 早上 6:49
「光學頻率梳雷射作為當代最具魅力的光源之一，同時在飛秒尺度與光學時鐘等級上提供極高的解析度，兼具寬頻與高相干性的雙重優勢，因此為我們打開了一扇全新的大門，使我們得以在科學這座美麗的花園中自由探索與揮灑。」
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關於我們
本實驗室從事所謂的 AMO（原子、分子與光學科學）領域研究，特別著重於高精度量測。我們自行建構了用於將雷射穩定至原子躍遷頻率的雷射系統，這也是為什麼本實驗室的學生普遍具備雷射物理與電子學方面的知識。從我們近期的論文發表可以看出，我們已能將雷射頻率進行 offset lock，並將穩定度控制在次毫赫（sub-milli-Hz）等級，同時也具備建構次級光學時鐘的能力。
光學頻率梳雷射技術曾於 2005 年獲得諾貝爾獎委員會的肯定，是本實驗室在台灣的獨特研究特色。近期我們亦與日本的重力波觀測站 KAGRA 合作，進行「光子校準器（photon calibrator）」相關計畫，並採用光學頻率梳雷射技術來實現該研究。
雷射系統
M.S: 余欣鴻(Hsin-Hung Yu)、Undergraduate Students:鄧宇辰
本論文嘗試為實驗室發展一種偏移頻率鎖定（offset-frequency locking）技術，我們稱之為脈衝偏移頻率鎖定技術（pulse offset frequency locking technique），使一般的鎖模雷射也能透過光學頻率梳雷射，間接追溯至銫原子鐘。其核心概念在於：利用具備自參考系統（self-reference system）的光學頻率梳雷射，作為其他無法自行量測載波–包絡偏移頻率（carrier-envelope offset frequency, CEO）的鎖模雷射之頻率參考。
此技術主要應用於研究銫–銣（Cs–Rb）混合原子的直接頻率梳光譜學（direct frequency-comb spectroscopy），重點探討以下階梯式雙光子躍遷：Cs 的 6S₁/₂ → 6P₃/₂ → 8S₁/₂，以及 Rb 的 5S₁/₂ → 5P₃/₂ → 5D₅/₂。其中，Rb 的光譜線為國際度量衡局（BIPM）所建議的頻率標準之一。本研究有助於發展利用光學頻率梳雷射與 Cs–Rb 混合原子池來建構光學時鐘的實驗技術。
過去實驗室所使用的鎖模雷射，必須透過與其他已穩定之單頻雷射拍頻（beat frequency），才能獲得其載波–包絡偏移頻率；然而，我們的穩定單頻雷射無法直接提供絕對頻率。當時實驗室的學長發現，量測得到的 Cs 光譜與理論計算相比，存在約 200∼300 kHz 的誤差。為了彌補實驗中無法直接給出絕對頻率的缺陷，我利用脈衝偏移頻率鎖定技術將鎖模雷射進行鎖定，並以此雷射掃描原子光譜線。我們再次確認了約 300 kHz 的誤差，並發現其來源為原子池中磁場所造成的塞曼位移（Zeeman shift）。進一步嘗試修正此誤差後，初步驗證了脈衝偏移頻率鎖定技術在原子光譜掃描上的可靠性。
根據以往對 Cs：6S₁/₂ → 8S₁/₂ 直接雙光子躍遷的實驗經驗，我們原先認為該躍遷對磁場並不敏感；然而，透過本研究發現，若為階梯式雙光子躍遷（stepwise two-photon transition），其對磁場可能具有高度敏感性。本文將從基礎原子物理的角度，說明這兩種雙光子躍遷機制之差異。
關鍵詞：光學頻率梳、偏移頻率鎖定、脈衝同步、直接頻率梳光譜學
https://hdl.handle.net/11296/44wue2
https://comblaser.phy.ncu.edu.tw/index.php/comblaser-brief-english/
M.S:石宇哲(SHIH, YU-JHE)、祝麒翔(Chi-Hsiang Chu)、Undergraduate Students:林宜廷
本計畫為一項光學時鐘研究，係與中華電信研究院合作進行。
在本論文中，我們量測了銣原子的時鐘躍遷。首先，利用亥姆霍茲線圈建立可控的差動塞曼位移，並測得 ⁸⁷Rb 5S₁/₂(F = 2) → 5D₅/₂(F = 4) 躍遷之塞曼位移係數為 −48.9 ± 2.6 kHz/G。接著，在真空腔體系統中量測了銣原子的自碰撞位移（self-collision shift），其線性係數為 −120 ± 70 Hz/µTorr。
另一方面，對於頻率穩定化雷射的穩定度評估，其 Allan 偏差在 1000 秒積分時間內可達 3 × 10⁻¹³。最後，我們量測了銣原子 5S₁/₂(F = 3) → 5D₅/₂(F′ = 1 ∼ 5) 的躍遷頻率，所得結果與國際度量衡委員會（CIPM）所建議之標準值相比，差異僅為 ±5 kHz。
https://hdl.handle.net/11296/842d4d
Postdoc:(Taro mashimo)真下太郎、PH.D:陳伯煒 、Undergraduate Student:朱致頡
在製備冷銫原子的過程中，冷卻雷射的頻率調諧至 D2 譜線（由基態 F = 4 躍遷至激發態 F′ = 5）。然而，原子仍有可能從 F = 4 躍遷至 F′ = 4，並隨後衰變至 F = 3 态，導致 F = 4 態中的原子數逐漸流失。為了避免此情況，我們使用一束額外的雷射，稱為再抽運雷射。該雷射共振於基態 F = 3 至激發態 F′ = 4 的躍遷，將處於 F = 3 態的原子重新泵回冷卻循環之中。
Ph.D:陳可翰(Ko-Han Chen)、M.S:張峻堯(Chun-Yu Chang)
目前，光子校準器（photon calibrator）已被用作 LIGO、VIRGO 與 KAGRA 等重力波干涉儀的主要校準工具。光子校準器建立了雷射輻射壓與干涉儀反射鏡位移之間的對應關係，而該位移資訊正是用以推得重力波性質（例如距離與方向）的關鍵量測。然而，國際間不同實驗對雷射功率的量測結果仍存在顯著差異。
由於光功率感測元件不可避免的老化效應以及量子效率不一致，傳統雷射光子偵測器無法作為絕對功率標準。為此，我們提出一種以原子光譜作為功率參考的量測方法。透過在銫原子雙光子吸收系統中精確量測 AC-Stark 效應，雷射強度的變化可藉由躍遷頻率位移轉換為可數位化的物理量。
同時，我們建構了一個高精細度（high-finesse）光學共振腔，用以在腔內明確定義雷射光束形狀。藉此可精確計算原子–光子交互作用的有效區域，進而將雷射強度轉換為對應的絕對功率值。
https://comblaser.phy.ncu.edu.tw/index.php/2022/04/28/khan_expriment_profile/
PH.D:吳建明(Chien-Ming Wu)、劉子維(Tzu-Wei Liu)、陳可翰(Ko-Han Chen) M.S: 吳淑蓉(Shu-Rong Wu)、李奇 (Chi Lee)
本研究提出一種替代性方案，用以決定銫（Cs）原子 6S–8S 無都卜勒躍遷的頻率。透過使用單一電光晶體，我們得以同時實現雷射線寬的窄化、雷射頻率的鎖定，以及以逐點掃描的方式解析狹窄的光譜訊號。本文同時給出了此量測方案的誤差預算，並證明在室溫條件、且僅使用單層 μ 金屬磁屏蔽的銫原子池中所量得的躍遷頻率，已非常接近於零碰撞與零磁場條件下的理想值。此外，我們指出，進行高精度的線寬量測可作為選擇合適銫原子池、以提升頻率準確度的重要參考依據。
https://comblaser.phy.ncu.edu.tw/index.php/822nm/
1. C. M. Wu, T. W. Liu, M. H. Wu, R. K. Lee, and W. Y. Cheng, “Absolute frequency of cesium 6S-8S 822-nm two-photon transition by a high-resolution scheme”, Opt. Lett. 38, 3186 (2013)
2. C. M. Wu, T. W. Liu, and W. Y. Cheng, “Quantum interference in two-photon spectroscopy for laser stabilization and cesium cells comparison“, Phys. Rev. A 92, 042504 (2015)
3. K. H. Chen, C. M. Wu, S. R. Wu, H. H. Yu, T. W. Liu, and W. Y. Cheng, “Influence of atmospheric Helium on secondary clocks“, Opt. Lett. 394464
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