論文の概要: Wavefront Curvature in Optical Atomic Beam Clocks

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2212.00308v1
• Date: Thu, 1 Dec 2022 06:57:23 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-01-09 19:19:02.173663
• Title: Wavefront Curvature in Optical Atomic Beam Clocks
• Title（参考訳）: 光原子時計における波面曲率
• Authors: A. Strathearn, R. F. Offer, A. P. Hilton, E. Klantsataya, A. N. Luiten, R. P. Anderson, and T. M. Stace
• Abstract要約: 熱原子線を用いた小型光時計の最近の実証では、10-16ドルという短期的な分数周波数不安定性が達成されている。 小型の時計に固有の深刻な課題は、必然的に小さな光ビームであり、これは尋問波面の急激な変動をもたらす。 ここでは、曲面波面を持つ光学場を用いたラムゼー・ボード干渉計のモデルを開発する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Atomic clocks provide a reproducible basis for our understanding of time and frequency. Recent demonstrations of compact optical clocks, employing thermal atomic beams, have achieved short-term fractional frequency instabilities in the $10^{-16}$, competitive with the best international frequency standards available. However, a serious challenge inherent in compact clocks is the necessarily smaller optical beams, which results in rapid variation in interrogating wavefronts. This can cause inhomogeneous excitation of the thermal beam leading to long term drifts in the output frequency. Here we develop a model for Ramsey-Bord\'e interferometery using optical fields with curved wavefronts and simulate the $^{40}$Ca beam clock experiment described in [Olson et al., Phys. Rev. Lett. 123, 073202 (2019)]. Olson et al.'s results had shown surprising and unexplained behaviour in the response of the atoms in the interrogation. Our model predicts signals consistent with experimental data and can account for the significant sensitivity to laser geometry that was reported. We find the signal-to-noise ratio is maximised when the laser is uncollimated at the interrogation zones to minimise inhomogeneity, and also identify an optimal waist size determined by both laser inhomogeneity and the velocity distribution of the atomic beam. We investigate the shifts and stability of the clock frequency, showing that the Gouy phase is the primary source of frequency variations arising from laser geometry.
• Abstract（参考訳）: 原子時計は、時間と周波数を理解するための再現可能な基盤を提供する。 近年、原子線を用いた小型光時計のデモは、10-16ドルという国際周波数標準と競合する短期的な周波数不安定性を達成している。 しかし、コンパクトクロックに固有の深刻な課題は、必然的に小さな光ビームであり、これは尋問波面の急激な変動をもたらす。 これにより、熱ビームの不均質な励起が出力周波数の長いドリフトに繋がる可能性がある。 ここでは,湾曲波面を有する光学場を用いたラムジー・ボード・エ干渉計のモデルを開発し,[olson et al., phys. rev. lett. 123, 073202 (2019)] で記述された$^{40}$caビームクロック実験をシミュレートする。 オルソンらの結果は、尋問中の原子の反応における驚きで説明できない行動を示した。 本モデルは, 実験データと整合する信号を予測し, 報告されたレーザ形状に対する感度を考慮できる。 また,不均一性を最小限に抑えるため,問合せゾーンでレーザーが非合体した場合の信号対雑音比を最大化するとともに,レーザー不均一性と原子ビームの速度分布の両方で決定される最適なウエストサイズを同定した。 クロック周波数の変動と安定性について検討し,レーザー幾何から生じる周波数変化の主源はグーイ位相であることを示した。

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