Em 1967, a definição do segundo passou a ser baseada nas propriedades atômicas dos átomos de 133Cs. O instrumento utilizado para reproduzir esta definição é um relógio atômico. Neste trabalho iremos apresentar os progressos feitos no programa brasileiro de metrologia científica de tempo e freqüência. A proposta deste trabalho de dissertação é a caracterização do nosso padrão. Nós estudaremos os deslocamentos presentes em um relógio atômico, como o efeito Zeeman Quadrático, Δ ν/ ν0 =5,4×10-13 o ?Cavity Pulling?, Δ ν/ ν0 = 1,27×10-13 e o ?Rabi Pulling?, Δν/ν0 =1,3×10?13 entre outros, que são induzidas na freqüência hiperfina do césio. Os resultados obtidos neste trabalho podem ser resumidos da seguinte forma: uma incerteza global de 1,44×10-12 e uma estabilidade a curto prazo dada pela raíz quadrada da variância de Allan 1,8×10-10Τ-0,5. Estes resultados foram medidos após as seguintes mudanças efetuadas em nosso padrão: determinamos a potência ótima injetada na cavidade afim de aumentar o sinal e assegurar que os átomos sofram uma transição π/2; melhoramos o controle do campo magnético estático aplicado ao longo da cavidade de interrogação resultando em um campo magnético mais homogêneo; e, diminuímos a temperatura de operação do forno do relógio tal que a velocidade média dos átomos presente no feixo atômico diminui significativamente. Todas estas mudanças resultaram no ganho de uma ordem de grandeza na acuracia e na estabilidade de nosso relógio. / Since 1967, the definition of the second is based on the atomic properties of the 133Cs atom. The device that realises this definition is an atomic clock. In this work, we present the progress made in the last year on Brazilian scientific time and frequency program. The aim of this dissertation work is the caracterization of our standard. We report the major sifts present in our atomic clock due to Quadratic Zeeman effect, Δν/ν0 =5,4×10-13 Cavity Pulling, Δν/ν0 =1,27×10-13 Rabi Pulling, Δν/ν0 =1,3×10-13 and other ones, which induced a shift in the hiperfine levels frequency of the performances: a global uncertainty of 1,44×10-12 and a short term stability of 1,8×10-10Τ-0,5 .The results were obtained after these changes: we have determined the optimum microwave power injected into the cavity in order to increase the signal and assure that the atoms suffer a π/2 pulse; we have also minimizes the field inhomogeneity by improving the control of the static magntic field along the interaction region; we have decreased the temperature of the clock oven in order to obtain a slower atomic beam. All this changes has increased our accuracy and our stability of about one order.

Apresentamos os aspectos mais relevantes para a construção e caracterização de um padrão primário de tempo e frequência compacto. Nesse sistema a amostra de átomos de referência é preparada a partir de uma armadilha magneto-óptica. Após a obtenção de uma amostra significativa de átomos os feixes laser são desligados e, durante a expansão livre, a nuvem atômica é submetida a uma sequência de pulsos de micro-ondas que caracterizam o método de Ramsey. Os pulsos de micro-ondas são aplicados em uma cavidade de micro-ondas, esculpida dentro da câmara de vácuo. Todo o ciclo de funcionamento é implementado dentro dessa cavidade e por esse motivo o padrão é considerado compacto. Quando os átomos são interrogados com pulsos de τ = 1 ms separados por Τ = 8 ms obtemos uma largura a meia altura da franja central de 52 Hz e uma estabilidade a curto prazo de 10-13. Alguns causadores de deslocamentos de frequência foram avaliados. / We present some relevant aspects for the construction and characterization of a compact primary frequency standard. In this system, the atomic ensemble is prepared with a magnetooptical trap. Once a significant number of cold atoms is obtained, the laser beams are turned off and, during the free expansion, the cloud is submitted to a sequence of two microwave pulses, characterizing the well-known Ramsey method. The microwave pulses are applied in a microwave cavity that was sculpted inside the vacuum chamber. All the working cycle takes place into this cavity. When the atoms are interrogated by two pulses of τ = 1 ms separated by Τ = 8 ms, the linewidth of the central fringe is 52 Hz and a short-term stability 10-13 is observed. Some frequency shifts were evaluated.

Esta dissertação descreve os recentes desenvolvimentos do Chafariz Atômico localizado no Instituto de Física de São Carlos. Ele consiste de um aparato experimental que provê uma referência de freqüência (e tempo) de altíssima precisão. Para conseguir tal qualidade metrológica, esse sistema trava a freqüência de um oscilador eletrônico, baseado em um cristal de quartzo, na freqüência relativa a uma transição atômica, de uma amostra de átomos resfriados. O átomo utilizado é o 133Cs e a transição utilizada corresponde aos dois níveis hiperfínos do seu estado fundamental. O ciclo de funcionamento é composto por uma etapa de aprisionamento a laser dos átomos e bombeamento óptico, para que todos os átomos se encontrem num mesmo e determinado nível de energia. Esses átomos são então lançados opticamente contra a gravidade através de uma cavidade de microondas. Em trajetória balística e livre de interferências externas, o conjunto de átomos sofre uma possível mudança de estado, dependendo das características de potência e freqüência do sinal de microondas injetado na cavidade. Esta probabilidade de transição é o sinal de erro utilizado para travar em malha fechada o gerador de microondas que alimenta a cavidade. Os melhores resultados obtidos neste experimento foram uma estabilidade de 5x10-12τ-1/2 resultante de um sinal com 3Hz de largura a meia altura (FWHM) da franja central. Fizemos também uma avaliação preliminar dos principais deslocamentos de freqüência e uma análise de interação espacial dos átomos com o campo de microondas. / This paper describes the recent developments of the Atomic Fountain located at the São Carlos Physics Institute. It provides a very high resolution frequency (and time) reference. This is achieved locking an electronic oscillator, based on a quartz crystal, to an atomic resonance of a cold atomic sample. Our laboratory uses the 133Cs atom, using as the referenced transition that corresponds to the two hyperfine energy levels of the ground state. The operating cycle comprises a stage of laser trapping atoms or optical pumping, so that all atoms are within the same atomic state. These atoms are then launched optically against gravity through a microwave cavity. In ballistic trajectory and free from external interference, the set of atoms undergoes a change of state, depending on the power and frequency of the microwave signal injected into the cavity. This transition probability is the error signal used to lock the microwave generator supplying the cavity in a closed loop. The best result obtained in this experiment was a stability of 5x10-12τ-1/2 resulting from signal with a 3 Hz half width (FWHM) of the central fringe. We also provide a preliminary assessment of the main frequency shifts and an analysis of spatial interaction of atoms with the microwave field.

Apresentamos os aspectos mais relevantes para a construção e caracterização de um padrão primário de tempo e frequência compacto. Nesse sistema a amostra de átomos de referência é preparada a partir de uma armadilha magneto-óptica. Após a obtenção de uma amostra significativa de átomos os feixes laser são desligados e, durante a expansão livre, a nuvem atômica é submetida a uma sequência de pulsos de micro-ondas que caracterizam o método de Ramsey. Os pulsos de micro-ondas são aplicados em uma cavidade de micro-ondas, esculpida dentro da câmara de vácuo. Todo o ciclo de funcionamento é implementado dentro dessa cavidade e por esse motivo o padrão é considerado compacto. Quando os átomos são interrogados com pulsos de τ = 1 ms separados por Τ = 8 ms obtemos uma largura a meia altura da franja central de 52 Hz e uma estabilidade a curto prazo de 10-13. Alguns causadores de deslocamentos de frequência foram avaliados. / We present some relevant aspects for the construction and characterization of a compact primary frequency standard. In this system, the atomic ensemble is prepared with a magnetooptical trap. Once a significant number of cold atoms is obtained, the laser beams are turned off and, during the free expansion, the cloud is submitted to a sequence of two microwave pulses, characterizing the well-known Ramsey method. The microwave pulses are applied in a microwave cavity that was sculpted inside the vacuum chamber. All the working cycle takes place into this cavity. When the atoms are interrogated by two pulses of τ = 1 ms separated by Τ = 8 ms, the linewidth of the central fringe is 52 Hz and a short-term stability 10-13 is observed. Some frequency shifts were evaluated.

Esta dissertação descreve os recentes desenvolvimentos do Chafariz Atômico localizado no Instituto de Física de São Carlos. Ele consiste de um aparato experimental que provê uma referência de freqüência (e tempo) de altíssima precisão. Para conseguir tal qualidade metrológica, esse sistema trava a freqüência de um oscilador eletrônico, baseado em um cristal de quartzo, na freqüência relativa a uma transição atômica, de uma amostra de átomos resfriados. O átomo utilizado é o 133Cs e a transição utilizada corresponde aos dois níveis hiperfínos do seu estado fundamental. O ciclo de funcionamento é composto por uma etapa de aprisionamento a laser dos átomos e bombeamento óptico, para que todos os átomos se encontrem num mesmo e determinado nível de energia. Esses átomos são então lançados opticamente contra a gravidade através de uma cavidade de microondas. Em trajetória balística e livre de interferências externas, o conjunto de átomos sofre uma possível mudança de estado, dependendo das características de potência e freqüência do sinal de microondas injetado na cavidade. Esta probabilidade de transição é o sinal de erro utilizado para travar em malha fechada o gerador de microondas que alimenta a cavidade. Os melhores resultados obtidos neste experimento foram uma estabilidade de 5x10-12τ-1/2 resultante de um sinal com 3Hz de largura a meia altura (FWHM) da franja central. Fizemos também uma avaliação preliminar dos principais deslocamentos de freqüência e uma análise de interação espacial dos átomos com o campo de microondas. / This paper describes the recent developments of the Atomic Fountain located at the São Carlos Physics Institute. It provides a very high resolution frequency (and time) reference. This is achieved locking an electronic oscillator, based on a quartz crystal, to an atomic resonance of a cold atomic sample. Our laboratory uses the 133Cs atom, using as the referenced transition that corresponds to the two hyperfine energy levels of the ground state. The operating cycle comprises a stage of laser trapping atoms or optical pumping, so that all atoms are within the same atomic state. These atoms are then launched optically against gravity through a microwave cavity. In ballistic trajectory and free from external interference, the set of atoms undergoes a change of state, depending on the power and frequency of the microwave signal injected into the cavity. This transition probability is the error signal used to lock the microwave generator supplying the cavity in a closed loop. The best result obtained in this experiment was a stability of 5x10-12τ-1/2 resulting from signal with a 3 Hz half width (FWHM) of the central fringe. We also provide a preliminary assessment of the main frequency shifts and an analysis of spatial interaction of atoms with the microwave field.

Em 1967, a definição do segundo passou a ser baseada nas propriedades atômicas dos átomos de 133Cs. O instrumento utilizado para reproduzir esta definição é um relógio atômico. Neste trabalho iremos apresentar os progressos feitos no programa brasileiro de metrologia científica de tempo e freqüência. A proposta deste trabalho de dissertação é a caracterização do nosso padrão. Nós estudaremos os deslocamentos presentes em um relógio atômico, como o efeito Zeeman Quadrático, Δ ν/ ν0 =5,4×10-13 o ?Cavity Pulling?, Δ ν/ ν0 = 1,27×10-13 e o ?Rabi Pulling?, Δν/ν0 =1,3×10?13 entre outros, que são induzidas na freqüência hiperfina do césio. Os resultados obtidos neste trabalho podem ser resumidos da seguinte forma: uma incerteza global de 1,44×10-12 e uma estabilidade a curto prazo dada pela raíz quadrada da variância de Allan 1,8×10-10Τ-0,5. Estes resultados foram medidos após as seguintes mudanças efetuadas em nosso padrão: determinamos a potência ótima injetada na cavidade afim de aumentar o sinal e assegurar que os átomos sofram uma transição π/2; melhoramos o controle do campo magnético estático aplicado ao longo da cavidade de interrogação resultando em um campo magnético mais homogêneo; e, diminuímos a temperatura de operação do forno do relógio tal que a velocidade média dos átomos presente no feixo atômico diminui significativamente. Todas estas mudanças resultaram no ganho de uma ordem de grandeza na acuracia e na estabilidade de nosso relógio. / Since 1967, the definition of the second is based on the atomic properties of the 133Cs atom. The device that realises this definition is an atomic clock. In this work, we present the progress made in the last year on Brazilian scientific time and frequency program. The aim of this dissertation work is the caracterization of our standard. We report the major sifts present in our atomic clock due to Quadratic Zeeman effect, Δν/ν0 =5,4×10-13 Cavity Pulling, Δν/ν0 =1,27×10-13 Rabi Pulling, Δν/ν0 =1,3×10-13 and other ones, which induced a shift in the hiperfine levels frequency of the performances: a global uncertainty of 1,44×10-12 and a short term stability of 1,8×10-10Τ-0,5 .The results were obtained after these changes: we have determined the optimum microwave power injected into the cavity in order to increase the signal and assure that the atoms suffer a π/2 pulse; we have also minimizes the field inhomogeneity by improving the control of the static magntic field along the interaction region; we have decreased the temperature of the clock oven in order to obtain a slower atomic beam. All this changes has increased our accuracy and our stability of about one order.

Orientador: Flavio Caldas da Cruz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-14T07:51:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 NunezPortela_Mayerlin_M.pdf: 5161095 bytes, checksum: e6a7c2d2eb88d6f484ae5211642dbec1 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Os relógios atômicos são usados na atualidade em um grande número de aplicações científicas e tecnológicas que vão desde experimentos de relatividade e determinação de constantes fundamentais, até sistema de navegação (GPS) e telecomunicações. A proxima geração de relógios atômicos de alta precisão estará baseada em transições ópticas de átomos frios. Neste trabalho foi desenvolvido um laser de estado sólido de Nd:YLF bombeado por um laser de diodo e duplicado em frequência em 657 nm. Este sistema é proposto como oscilador local em um relógio atômico óptico baseado em átomos de cálcio. Comparado com os lasers de diodo, este apresenta uma potência maior no vermelho, um ruído de frequência e amplitude menores e a possibilidade de transferência remota usando obras ópticas no comprimento de onda fundamental de 1314 nm. Duplicação em frequência intra-cavidade é feita usando um cristal de BiBO, com superfícies anti-refletoras, e com um casamento de fase crítico tipo I à temperatura ambiente. Uma potência de 270 mW na saída do vermelho foi obtida para uma potência de bombeamento de 11.6 W. / Abstract: Atomic clocks are used today in a number of scientific and technological applications, ranging from tests of relativity, or variations of fundamental constants, to the use in navigation and telecommunication. The next generation of such high precision devices will be based on optical transitions of suitable laser cooled and trapped atoms. In this work we describe a frequency-doubled, diode-pumped solid-state Nd:YLF ring laser emitting at 657 nm, proposed as a local oscillator in an optical atomic clock based on laser cooled and trapped calcium atoms. Compared to diode lasers, its main advantages include higher power, less intrinsic frequency noise, and the possibility of remote transfer in optical fibers using the fundamental light at 1314 nm. Frequency doubling is performed inside the cavity using a 10 mm long AR-coated BiBO crystal, under type I, critical phase-matching at room temperature. Red output power of 270 mW was achieved for 11.6 W of pumping power. / Mestrado / Física Atômica e Molecular / Mestre em Física

Apresentamos os aspectos mais relevantes para se realizar um chafariz a átomos frios de 133Cs, para operá-lo como um padrão primário de tempo e freqüência para realizar a definição do segundo. O objetivo principal desse trabalho foi a otimização do sistema experimental do chafariz de átomos em duas partes críticas: a região de interação e o sistema de detecção. Além disso, otimizamos as diversas fases da manipulação óptica que fazem parte do ciclo de operação de um chafariz com o intuito de aumentar a relação sinal ruído na região de detecção. Quando os átomos são lançados com uma velocidade de 3,39ms-1, atingem o ápice a 60cm acima da região de captura e passam 360ms na região de vôo livre. A temperatura dos átomos na região de detecção não ultrapassa 15,5K e a diferença de população observada através das Franjas de Ramsey, que são a assinatura característica de um padrão de freqüência atômico, tem a largura a meia altura de 1,4Hz. A largura de linha e a relação sinal ruído da franja implicam em uma estabilidade a curto prazo de 5,18×1012. Alguns causadores de deslocamentos de freqüência como a radiação de corpo negro, o efeito Doppler de segunda ordem, o efeito gravitacional e o efeito Zeeman de segunda ordem foram avaliados. / We present some relevant aspects for the realization of a 133Cs fountain, intended to operate as a primary frequency standard to realize the definition of the second. The main goal of this work is the optimization of the experimental setup of the atomic fountain in its most critical parts: the interaction region and the detection system. Furthermore, the several phases of the optical manipulation which concern the operation cycle of an atomic fountain were also optimized. These procedures allowed us to increase the signal to noise ratio in the detection signal. When the launching velocity is about 3.39 m/s, the atoms reach the apogee about 60 cm above the capture region and spend 360 ms in the free flight zone. The atomic ensemble temperature in the detection region is about 15.5K and the population difference between the two fundamental level is measured through the Ramsey fringe with a linewidth of 1.4 Hz. This linewidth, allied to the obtained S/N resulted in the measured short-term stability of 5.18×1012. Some frequency shift as the black body radiation shift, gravitational shift, second order Doppler shift and second order Zeeman shift were measured.

I describe the construction of a calcium matter-wave interferometer. The interferometer is based on a Ramsey-Borde scheme, and uses a thermal beam of atoms excited by an optical-frequency transition in calcium. In our experiment four pi/2 pulses of light are delivered to the atoms, which split and recombine the wave functions of the atoms. Our experimental design minimizes first-order Doppler shifts, and allows for the cancellation of systematic errors including phase shifts due to rotation and acceleration. I describe the individual components of the interferometer and its assembly. The requirements for the electronics used in the experiment as well as their design and performance are described in great detail. I also give an overview of the techniques used to passively stabilize the laser and optical components. Finally, I report on the current status of the experiment as well as detail future work to be done on the apparatus.

Esta dissertação propõe o projeto e a implementação de um sintetizador de sinal pertencente à banda X, com frequência de 9.192 GHz, para promover a transição atômica do átomo de césio durante o ciclo de operação do padrão atômico de frequência do CePOF/IFSC. Diferente do sintetizador em uso, este provê duas fontes de sinais, a fim de realizar a alimentação simétrica da cavidade de micro-ondas. A alimentação simétrica apresenta uma melhoria em relação à montagem experimental atual e visa atenuar os efeitos de gradiente de potência ao quais os átomos estão expostos enquanto cruzam a cavidade de interrogação. O sintetizador também apresenta um controle de fase em um dos sinais, para que seja possível um ajuste de fase entre eles, permitindo que ambos cheguem à cavidade de interrogação em fase. O método utilizado para a síntese dos sinais é o indireto, onde o sinal de interesse é obtido por meio de osciladores e componentes que possibilitam a manipulação algébrica das frequências, aliados aos circuitos de travamento para controle dos osciladores / This text considers the design and implementation of an X-band signal synthesizer, with a 9.192 GHz frequency, to promote the atomic transition of cesium during the operation process of the CePOF/IFSCs atomic frequency standard. Unlike the current synthesizer, the present one provides two sources of signal, in order to perform the symmetrical feed of the microwave cavity. The symmetrical feed is an improvement compared to the current experimental set up and aims at reducing the power gradient effects to which the atoms are exposed when travelling throughout the interrogation cavity. The synthesizer also has a phase control in one of the signals, in order to ensure that both signals will get into the interrogation cavity in phase. The synthesis method used is the indirect one; the desired signal is formed by means of oscillators and devices that allow the algebraic manipulation of frequencies, combined with lock circuits to control the oscillators