（测试计量技术及仪器专业论文）cpt原子钟、星载钟及时频测控领域的新技术研究.pdf

摘要 摘要 基于c p t ( c o h e r e n tp o p u l a t i o nt r a p p i n g ，相干布居囚禁) 现象的原子钟是近 年来国际国内的一个研究热点。基于c p t 现象可以开发出两种不同的原子钟即 c p t m a s e r 型原子钟和被动型c p t 钟，前者的特点是结构复杂但是准确度和稳定 度却很高，后者的特点是结构非常简单，是可以实现微型化的原子钟之一。 在描述了i 妯c p tm a s e r 原子钟的工作原理，三个子系统的功能，设计及测 试等内容后，对电路子系统中的有关内容进行重点研究和实现。 c p t - m a s e r 钟中频率链电路的作用是联系用户频率( 通常是5 m h z 和1 0 m h z ) 和调制激光器的频率( 通常是原子基态超精细能级跃迁频率的一半) 。在高性能原 子钟中都采用低噪声频率合成技术。在c p t - m a s e r 钟中设计和实现了用户频率到 1 0 0 m h z 锁相式倍频电路和1 0 0 m h z 到3 4 1 7 g h z 频综电路，该频综电路的性能达 到了国内先进水平。 c p t - 1 v i a s e r 原子钟是通过检测c p t m a s e r 信号的功率变化来实现锁定的，而 c p t m a s e r 信号通常在9 0 d b m 以下，频率约为6 8 3 4 g h z ，因此设计了外差式接 收机和检波电路实现功率检测。该电路中对检波分辨率，温度稳定性有很高的要 求，通过选择高性能的器件来解决上述问题。分析说明了这部分电路与整机闭环 后输出的频率准确度和稳定度之间存在的关系。 伺服电路将检波电路输出的误差信号处理成本振的控制电压。设计和实现了 主要由a d ，单片机，d a 构成的数字伺服，它的主要优点是利用软件便能完成 调试和具有一些传统模拟伺服原子钟不具有的功能例如软件补偿和扩捕功能。针 对1 0 以3 的频率准确度和稳定度，理论分析了数字伺服的设计方法。 原子钟的频率温度系数是一个重要参数，目前国外星载铷钟的该参数已达 1 0 以4 量级，而c p t m a s e r 的为1 0 。1 2 量级。设计和实现了基于软件补偿频率温度 系数的方法。扩捕电路能解决传统的原子钟中出现的当本振频率偏出原子钟的捕 获带时环路不能锁定的问题。设计和实现了c p t m a s e r 原子钟扩捕电路。 围绕被动型c p t 钟的微型化设计了适宜于微型化要求的整机设计方案，它在 细节上它具有以下四个特点：一是采用了v c s e l 激光器；二是采用了小型化的 频率链电路；三是采用了数字式的锁激光器和锁本振电路；四是利用一个铷泡的 输出同时实现锁激光器和锁本振。 基于d d s ，单片机，锁相环芯片等研制了一个适应于小型化c p t 钟或其它 小型化原子钟的频综电路。它借助了高速数字化器件，简化了频综设计，具有数 字化，输出频率可高精度软件调节，软件产生f s k 调制和同时可输出同步解调信 号等优点。 c p t 原子钟、星载钟及时频测控领域的新技术研究 研究了被动型c p t 钟的智能化和数字化，理论上数字化原子钟具有便于生 产，测试，软件补偿等优势，对频率温度系数的补偿，原子钟的非实时控制，基 于相位重合点检测实现的锁频环等内容作了实验研究。 阐述了星载钟设计的特点，国外星载钟的主要性能和主要研究单位，我国星 载钟的研制水平和国外的差距，国外星载钟研制的技术细节等内容，同时提出了 一些有望提高我们星载钟研制水平的建议。 时频测试设备的研制和新型时频信号处理技术是时频领域的另一个研究方 向。 时间量化技术是很多测试设备的一个基础，目前对其分辨率的要求已达p s 量级。基于c m o s 门延迟的时间量化技术实现起来比较复杂，继续采用该技术提 高分辨率将会很困难。研究了利用信号在介质中传输时会出现延迟这种现象来进 行时间量化的可行性及其特点。首先分析采用该技术的进行时间量化时理论上的 分辨率和误差，及各种影响稳定度的因素，然后对导线延迟的分辨率，准确度， 线性度做了实验验证，并对温度，信号衰减和色散等量对延迟稳定度的影响做了 实验研究。分析和实验表明，基于传输延迟的时间量化技术是一种新的可以获得 高分辨的时间量化技术，同时指出了该方法的一些特点及其应用。 设计了一种新的时钟插入技术以实现高分辨率的时间间隔测量仪。该时钟插 入技术利用信号在传输时会有稳定的、规律的延迟特性，用一段传输线对时钟信 号延迟，在传输线上根据设计分辨率的大小设置一些离散的检测点，用d 触发器 完成对延迟后的时钟信号与被测时间间隔开始或者结束信号的重合检测，根据重 合点出现的位置推算出时钟信号与被测时间间隔开始或者结束信号的时差大小。 采用f p g a 芯片e p 2 c 5 q 2 0 4 和上述时钟插入技术实现了一个高精度时间间隔测 量仪实现的时间间隔测量仪具有分辨率高，稳定性好等优点。 目前对稳定度测试设备有较大的需求量。主要基于d d s 技术和测差频周期法 研制了一个稳定度测量仪器。它的本底稳定度优于4 5 1 0 d 3 l s ，1 5 1 0 d 3 1 0 s ，它 的测量范围是l m h z 到3 0 m h z 。与国外的主要产品比较，它主要具有低成本高分 辨率的优点。 目前的时间比对中通常采用时间间隔测量仪作为测量仪器，在这种条件下时 间间隔测量仪的分辨率制约时间比对的分辨率。分析了时间比对过程中的时间比 对和频率源比相之间的关系，提出了利用频率源比相测量间接完成时间比对的思 路并完成了验证上述思路的实验，同时指出了这种间接测量的优势。 分析了双频信号的相对相位变化特点，提出了一种新的秒信号的产生方式即 利用两个频率信号的周期性的相位重合点作为标准时间信号。完成了利用双频信 号的相位重合点获得标准时间信号的说明及初步实验，结果是该方法能用来产生 秒信号且产生的秒信号稳定性优于2 0 0 p s 。阐述了新方法在授时过程中的优势并 摘要 指出了进一步研究内容。 采用目前广泛应用的锁相环技术来实现两频率间的锁定时，由于它们的频率 关系往往不相关以至于实现时必须借助于频率变换电路，将两不相关频率信号处 理成具有同频或者是有整倍数的关系的信号。两任意频率信号间会出现周期性的 相位重合现象且相位重合周期和两频率信号的频率关系密切联系，基于此原理实 现了一种新型的锁频环。它较一般的锁相环的优点是原理先进，输出频率调整容 易。对该方法做了理论说明和实验研究，实验结果与理论预期相符。文中同时叙 述了有关电路的工作原理和设计。 关键词：c p t 钟星载钟传输延迟相位重合点时间间隔测量锁频环 a b s 仃a c t 5 a b s t 聪i c t t h ea t o m i cc l o c kb a s e do nt h ec p tp h e n o m e n o nh a sb e e naf o c u so ft 1 1 ed o m e s t i c 硼di n t e m a t i o n a lr e s e a r c hi nr e c e my e a r s t 、o 咖e so fa t o m i cc l o c k sc p t - m a s e r 觚d p a s s i v ec p t a t o i i l i cc l o c kc a l lb ed e v e l o p e da c c o r d i n gt 0 恤ec p tp h e n o m e n o n t h e f o m e rh a sm ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hp r c c i s i o na i l ds t a b i l i t ) ，b u t 埘t hav e r yc o m p l i c a t e s 仉l c t u r e h o w e r v e r ，o n eo u t s t a n d i n gf e a t u r eo ft h el 甜e ri st l l es i m p l es t m c t u r e ，w h i c h i so n e 幻h do fa t o m i cc l o c k sc a l lb em i n i a _ t i l r j z e d a r e rab r i e fd i s c r i p t i o no ft 1 1 e 、v o r k i n gp r i n c i p l eo ft l l er bc p t - m a s e ra t o m i c c l o c k ，f h n c t i o n so fm et h r e es u b s y s t e m s ，a n dt h e i rd e s i g n锄d m e a s u r e m e n t m e t l l o d s ，t l l es t u d yo ft ：h ep 印e rp l a c e s 锄p h a s i so nt l l e s u b c i r c u i ts y s t e ma i l di t s r e a l i a z a t i o n ， t h ea c t i o no ft 1 1 ef r e q u e n c ys y n t l l e s i z ec i r c u i to ft h ec p tm a s e rc l o c ki st om a l r e al i n k a g eo ft h eu s e r 五陀q u e n c y ( n o 肌a l l y5 m h za i l dlom h z ) t ot 1 1 el a s e rm o d u l a t i o n 舶q u e n c y t h el o wn o i s e 缸q u e n c ys y n t h e s i z et e c h n o l o g ) ，i s u s e di i lt h el l i 曲 p e 面m a n c ea t o m i cc l o c k t h eu s e r 疳e q u e n c yt 0m e1 0 0 m h za i l d1 0 0 m h zt 0t h e 3 4l7 g h z 舶q u e n c ys ) ，i l m e s i sc i r c u i t sl 刖eb e e nd e s i 弘e da n dr e a l i z e di 1 1 龇 c p 7 i - m 嬲e rc l o c k 锄dt h ep e r i o 咖a i l c eo fm e s e 舶q u e n c ys ) r i l m e s i sc i r c u i t sh 删e a c t l i e v e da na d v a n c e dl e v e l 1 1 1 el o c k i n go ft h ec p t - m a s e ra t o m i cc l o c ki sr e a l i z e d b yd e t e c t i n gt h ec h a i l g eo f 舭p o w e ro f 恤c p t - m a s e rs i 髓a 1 a st l l e c p t - m a s e rs i g i l a lh a sap o w e ru s u a n y b e l o w 9 0d b ma n da 毹q u e n c y 印p r o x i m a t e l y6 8 3 4 g h z ，t h eh e t e r o d y n er e c e i v e ra n d p o 、e rd e t e c t i o nc 如u i ta r ed e s i g n e d 砌du s e dt od e t e c tt h ep o w e r t h e r ei s al l i 曲 r e q u e s tt 0t h ed e t e c t i o nr e s o l u t i o no ft h ep o w e rd e t e c t i o nc i r c u i ta i l dt om et e m p e r a ：t u r e s t a b i l i 够o ft h ew h o l ec i r c u i t s 7 i h ea b o v ep r o b l e m sa r em a i n l ys o l v e db yu s i n gl l i g l l q u a l i t ) rc o m p o n e n t si nt h ec i r c u i t t h e o r ya n a l y s i se x p l a i l l st h er e l a t i o n s h i pb 印e e nt h e o u t p u t s 丘e q u e n c y sp r e c i s i o na i l ds 讪i l i t ) ，t ot l l ep e r f o 肌a l l c eo fm e s ec i r c u i t s r h es e r v oc i r c u i tp r o c e s s e sm eo u 印me n d rs i g l l a lo ft h ep o w e rd e t e c t i n gc i r c u i t st o m ec o n 向r o lv o l t a g eo ft l l el o c a lo s c i l l a t i o n ad i g i t a ls e r v oc i r c u i t ，m 咖l yc o i n s i s to fa n a d ，a 凼po fm o n o l i t l l i ci n t e g r a t e dc i r c u i ta i l da d ai sd e s i 鲫e d ，w h i c hh a sq u a l n y m a tt l l ed e b u gi se 硒i e ra n ds o m e 劬c t i o n st h a tt r a d i t i o n a la i l a l o gs e o sa t o m i cc l o c k d o e sn o th a v es u c h t 1 1 e 肫q u e n c yt e i n p e r 狐l r ec o e 衔c i e n tc a i lb ei m p r 0 v e da n dt h e l o c k i n gb e n c 锄b ee x p a l l d e db yp r o c e d u r e s 2 c p t 原子钟、星载钟及时频测控领域的新技术研究 a t o m i cc l o c k f sf r e q u e n c yt e m p e r a ：t u r ec o e f n c i e n ti s0 1 1 eo fn l ek e yp a r 锄e t e r s t h eo v e r s e 嬲r u b i d i 啪s p a c ea t o m i cc l o c k st e m p e r 锄删：丘e q u e n c yc o e 硒c i e n th a s r e a c h e dlo 。1 4l e v e la tp r e s e n t ，b u tc p t - m a s e ri so i d ya t10 1 2l e v e l am e t l l o do fu s i n g t 1 1 es o n 期鹏p r o c e d u r et oc o m p e n s a t e 疔e q u e n c yt e m p e 胁m ec o e 伍c i e n ti sp r o p o s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti i l d i c a t e dt l l a tf k q u e n c yt e m p e r a ：t i l r ec o e 伍c i e n tc a nh o p e m u y r e a c h10 - 14l e v e li i lm ec p t - m a s e rc l o c kb yu s i n gt h cm 甜l o dm e n t i o n e da b o v e t h ec i r c u i tf o re x p a u l d i n gt 1 1 e1 0 c 虹n gb e l to ft h ec p t - m a s e ra t o m i cc l o c ki s d e s i g n e da l l dr e a l i z e d ，w h j c hc a ns o l v em eu i l l o c b n gp r o b l e mc a u s e db ym ed e v i a t i o n o ft h el o c a lo s c i l l a t i o n sf - r e q u e n c yf 1 o mt 1 1 el o o l 【i n gb e l to ft l l ea t o m i cc l o c k t h e o r e t i c a l l y ，n l ed i g i t a la t o m i cc l o c kh a st l l ea d v a n t a g e si i lp r o d u c i n g ，m e a s u r i n g 锄ds o 小a r ec o m p e n s a t i o n t h ee x p e r i m e n t so ft h ec o m p e n s a t i o no ft l l ef r e q u e n c y t e i n p e r a t u r ec o e 伍c i e mb yp r o c e d u r e s ，u r u e a lt i m ec o m r o lo f l ea t o m i cc l o c k 锄d l o c l ( i n gf r e q u e n c yc i r c l eb a s e do nt 1 1 ep h a s ec o i n c i d e n tp o i n td e t e c t i o na r ec a r r i e do u t t 0v a l i 胁em ed e s i 弘m e a l l w l et h ed i g i t a l i z a t i o na n di n t e l l i g e n t i z a t i o no fm ea t o m i c c l o c ka r es t u d i e di i l l i sp a p e r t h ed e s i g l lf e a t u r e so ft h es p a c ea t o m i cc l o c l 【s ，廿1 em a i l lc l l a r a c t e r so ft h e ma n d t ：h em a i nr e s e a r c hd e p 砒m e n t s ，m ec u r r e n tc h a r a c t e r so fo u rs p a c ea t o m i cc l o c k s ，t h e g a po ft e c l l l l o l o g i e s b e 铆e e no u rc o u i l 仃ya 1 1 d 吐坨f o r e i 弘c o u i l t r i e s ，t 1 1 ed e t a i l e d t e c h l l i q u e so fm es p a c ea t o m i cc l o c kd e v e l o p e db yt l l ef o r e i 鲷c o 州e sa r ed e s c 舶e d s o m ep r o p o s a lt l l a tm a yh o p e 如1 1 yi i l l p r 0 v eo u rs p a c ea t o m i cc l o c kt e c l l l l o l o g i e sa r e a l s od e s c r i b e di nm ep a p e r t h ed e v e l o p m e n to ft l l et i i n e - 丘e q u e n c ym e 嬲u r e m e n ti n s 觚e n t sa l l dt h er l o v e l t i i i l e f k q u e n c ys i 弘a 1p r o c e s s i n gt e c m q u e sa r ea n o t h e rr e s e a r c hb 舢c hi nt h e t i i i l e 一舶q u e n c yf i e l d t i m e t o - d i g i t a li saf o m l 胁i o no fm a i l yk i n d so fm e a s u r e m e me q u i p m e n t sa i l d t 1 1 ed e m a l l do fi t sr e s 0 1 u t i o ni st 0p i c o s e c o n dl e v e la t p r e s e n t p r e s e n tc m o s t i m e - t o d i g i t a lc o n v e n e r 谢t hp i c o s e c o n dl e v e lr e s o l u t i o ni sd i 伍c u l 够t 0r e a l i z e 锄d 1 ed i m c u l 够、析ub em u c h 笋e a t e rw h e ni 1 1 l l i g h e rr e s o l u t i o nc 弱e s i g i l a l 、析l lb e d e l a y e d w h e n仃a i l s m i s s i o na l l dl i s p a p e rs t u d yw h e m e r ah i 曲 p r e c i s i o n t i m e - t o - d i g i t a lc o n v e n e rc a l lb ew o r k e do u tb 嬲e do nt l l i sp h e n o m e n a f i r s t 恤 r e s o l u t i o na 1 1 dp r e c i s i o na r ep o i n t e do u tt l l e ns o m ee x p e r i m e n t sa r ed o n et 0t e s tt h e 锄m y s i sa i l dt h er e s u l t sa r ee x c i t i n g a n a l y s i s 觚de x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt l l a tt h j s t e c h n o l o g ) ri san e w 姐d c a l lb eu s e di 1 1m em 蛐go fa h i g hr e s o l u t i o nt i m e - t 0 - d 硒t a l c 0 i e n e r c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o i l sa r ea l s op o i m e do u ti i lt h i sp 印e r an o v e lc l o c k 硫e 印o l a t i o nt e c h n o l o g ) r i s p r o p o s e db yu t i l i z i n g t l l e a b s t 阳d 3 c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss 诎l i l i z a t i o na i l dr e 刚撕t yo ft h et r a n s m i s s i o nd e l a yt oi m p r o v e t h em e 嬲u r e m e n tp r e c i s i o no fat i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n tm o d u l e ( t i m m ) al e n g t l l o f 觚1 s i i l i s s i o nl i n ei su s e dt od e l a yt l l ec l o c ks i g i l a lo fm et i m m m a i l yo fd e t e c t i o n p o i n t sa r es e ta l o n gt h et r a n s m i s s i o n1 i 1 1 e t h edt r i g g e r sa r eu s e dt od e t e c tm ep h a s e c o i n c i d e n c eb e t w e e nm ed e l a y e dc l o c ks i g n a la l l dt h eb e g i r u l i n go re n d i n gs i g n a lo ft h e t 妇ei i l t e r v a l f i i l a l l y ，t ：h et i m ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mc a nb ed e d u c e db a s e do nt l l e p o s i t i o no ft l l ep h a s ec o i n c i d e n c e ah i 曲p r e c i s i o nt i m ei n t e r v a l m e a s u r e m e n t i i l s 们l m e n ti s d e s i g n e db yu s i n gt h ef p g ac h i pe p 2 c 5 q 2 0 4a n d t l l ec l o c k 缸e 印0 1 a t i o nt e c h n o l o g yp r o p o s e da b o v e 锄d 舭c o r r e s p o n d i n gt i m mh 嬲舭 a d v a n t a g e so fs i n l p l er e a l i z a t i o n ，g o o di i ls 讪i l i t ya n ds oo n t h e r ei sab i gd e m a n dt ot h es 切b i l i t ) ，r n e 硒u r e m e n ti n s 仇m l e n t sa tp r e s e n t i nt l l i s a n i c l e ，a ni 1 1 s t r u m e n tf o rm e a s u d n ga l l e nd i v i s i o ni sd e s i g n e db a s e do n 也e ：d d s t e c l l l l o l o g ya sw e l la sal l i 出p r e c i o u s 丘e q u e l l c ym e a s u r e m e n tm e t h o dt h a tm e a s u r e 吐圮 d i 虢r e n c e 仔e q u e n c y sp e r i o do f 也eu n d e rt e s t 舶q u e n c ya n dm er e f e r e n c e t h e i n s t n 】m e m ，s b a c k g r o u i l ds t a b i l 时s u 印a s s e s4 5 1 0 。1 3 1 s ，1 5 1 0 。1 3 1 0 s 趾d i t s m e a u s u r e m e n tr 趾g ei sf o m1m h zt 03 0 m h za tp r e s e n t nm a i l l l yh 嬲l o wc o s tl l i 曲 a c c l l r a c ym e mc o m p a r e dw i t l lt h eo v e r s e 嬲m a j np r o d u c t s a tp r e s e n tat i m ei n t e a lc o u n t e ri sa l w a y su s e dw h e nd o i n gt i m ec o m p a r i s o n a i l dt h et i m ei l l t e a lc o u n t e r sp r e c i s i o nr e s t r i c tt h et i m ec o m p 撕s o n sp r e c i s i o n t l l i s p a p e r 觚a l y z e st h ea 伍l i a t i o nb e t 、e e nt ：h ep h a s ec o m p a r i s o n 锄d t l l et i m ec o m p a r i s o n a n dg e tac o n c l u s i o nm a t 也et i m ec o m p a r i s o nr e s u l tc a l lb eg e t 丘o mt h e 舶q u e n c y c o m p 撕s o nr e s u l tu r l d e rs o m ec o n d i t i o i l s a ne x p e r i m e n ti sd o n et op r o v et h a t t h e a d v a n t a g e so ft h i si n m r e c tm e 舔l 】r e m e n ta r ea l s os h o w n t h ec h a i l g el a wo ft l l ep h a l s ed i 舒e r e n c eb e t 、e nt 、v o 丘e q l l e n c ys i g i l a l s i s 锄【a l y z e d 龇l dan e wm e t h o dt 0g e ts t a n d a r dt i m es i g n a l 、) 7 1 h i c hi su s e di np r o m u l g a t i n g t i m ei sp u tf b 删a r d t h e o r yo fm en e wm e m o di sf o u i l d e da i l ds o m eb a s i ce x p e r i m e n t s h a v eb e e nd o n c 1 ke x p 耐m e n t sr c s u l t sm e e t 廿l et l l e o 巧a n das e c o n ds i g n a lw h o s e s 切b i l i t ) ，i sb e t t e rn l a n2 0 0 p si sg o t t e nb yt h i sm e m o d a d v a n t a g e so ft h em w m e m o d a r ea l s op u tf 0 r 吼，a mi nt l l i sp a p e r w h e nu s et h ep l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) t e c h n o l o g yl o c ko n e 舭q 婶n c yt oa n o t h e r ， 嬲t h et 、) 旧行e q u e i l c i e sa r eu s u a l l yu n - c o n e l a t e d ，行e q u e n c yt r a l l s f o m l a t i o nc i r c u i t sa r e l i s u a l l yn e e d e dt 0p r o c e s sm e 锕。骶q u e n c i e st 0m a k et l l e mh a v e 肌e q u a lo r 她 i i l t e 伊a 1m u l t i p l er e l a t i o n s n l e r ei sap e r i o d i cp h a s ec o i n c i d e n c ep h e n o m e n o n b e t 、) r e e n “0 舶i 打a r y 缸q u e n c ys i 朗a l sa l l d 恤p e r i o do f 舭p h a s ec o i n c i d e n c e i sr e l a t i o n 埘t l l l e f 诧q u e n c yf e l a t i o no ft h o s et 、os i g r 谢s b a s e d o nt l l i sp r i n c i p l eai l e wf l l ( 丘e q u e n c yl o c k e dl o o p ) i sr e a l i z e d c o m p a r e d 、 r i mt h e 仃a d i t i o np l l ，t 1 1 i sf l l h a s l e a d v a n t a g e st h a ti t sa d v a i l c e di l lp 血l c i p l e ，m ec i r c u i ti ss i m p l ew h e nr e a l i z i n ga r l di s e a s yt 0a d j u s t 恤o u t p u t 仔e q u e n c yo f 恤l o o p 1 1 1 e o r ) r 锄l y s e s a 1 1 de x p e r i m e 删 s 硼i e sa r ed o n ei i l 舭p a p e r ，m ee x p e r i m e n tr e s u n sa r ec o i l f i m e d 诵m 恤t l l e o r y 锄a l y s i s t h er e l a t e dc i r c u i t s w o r k i i l gp r i n c i p l e s 锄dr e a l i z a t i o nm e t h o d sa r ea l s o p r o p o s e di nm i sp 印e l k e y w o r d ：c p tc 1 0 c ks p a c ea t o m i cc l o c k t r 锄s m i s s i o nd e l a y p h a s ec o i n c i d e n c et i m e i n t e r v a lm e 鹊u r e m e n tf r e q u e n c yl 0 c k e dl o o p 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 原子频标的应用以及发展意义及最新进展 原子频标俗称原子钟，它是利用原子和分子内部能级间的量子跃迁谱线作为 参考，通过伺服环路将晶体振荡器( 或者是激光源) 的频率锁定到该原子或分子 的跃迁频率之上，使晶体振荡器( 或者是激光源) 的频率具有和原子或分子跃迁 频率相同的频率稳定度【l j 。原子频标是量子物理学与电子学高度结合的产物，也 是波谱学在技术上应用的突出成就之一【2 j 。以它为基础的时频测量的准确度和分 辨率高达1 0 一6 和l o _ 1 4 数量级，而且还在不断提高，远远超过了其它物理量的测量 精度【3 】o 原子频标( 钟) 的应用领域包括建立国际原子时、通讯、导航、定位、基础 研究等方面【4 j 。建立国际原子时是对原子钟研究的继续，广义地讲，它还属于原子 钟研究。它是以世界各地相当多的原子钟为样本，通过一定算法建立的国际原子 时是世界统一的时间标准。通过这一标准，可以评估体系内任何一台原子钟的工 作状态，并由此得到它作时间频率标准使用时对用户的影响1 5 1 。通讯、导航、定位 是原子钟利用最广泛的领域1 6 j ，这些领域都是既具有非常重要的国防应用价值，又 具有极高的商业价位。通常它们的高端对应国防需求，中低端作民用或商业使用。 这些领域中商业化的小铯钟、紧凑铷钟的市场非常大，特殊用途的原子钟一直是 一个研究热点，同时这些领域对更高准确度的原子钟有非常迫切的需求i | 。 从原子频标的应用可以看出，原子频标在国防和民用领域都具有极高的价值， 重要性不言而喻，也正因此它又是一个非常敏感的产品。现在美国只对我们开放 低端的商用小铯钟、小铷钟，对于高端的产品，特殊用途的产品( 例如用于星载或 弹载的原子钟) 则采取非常严格的禁运【8 】，所以我们必须走自主研制、自主开发的 道路。 从我国对原子钟的需求看，我国在计算机系统、广播电视系统、电话和信息 交流系统等领域需要大量民用的原子钟，我国的卫星定位系统需要高性能的星载 钟，我国地面站的原子钟的性能有待进一步提高，同时我国的未来的空间实验室 也需要从现在开始就研制高性能的空间原子钟。总而言之，我国对各个层面的原 子钟都有非常迫切的需求l l 训。 从我国的原子钟发展看，我国在原子频标领域曾经走过一段弯路，8 0 年代以 前在原子钟的研制方面基本与世界同步，8 0 年代以后许多研究停滞下来，这使得 2 c p t 原子钟、星载钟及时频测控领域的新技术研究 现在我国原子钟的水平落后于世界先进水平。在以讨论重大前瞻性、战略性课题 为内容的香山会议上，专家已得出这样的共识：“现在原子钟比原子弹更重要” 【9 】 o 1 2c p t _ m a s e r 原子频标的研究意义 近十年来，c p t ( c o h e r e l l tp o p u l a t i o nt r a p p i i l g 相干布居囚禁) 现象在原子频 标中的应用研究受到了较多的关注1 1 0 1 2 。c p t 现象指的是用两相干激光将原子基态 的两超精细能级耦合到一个共同的激发态时，如果两激光的频率差等于原子基态 两超精细能级间的频率差，原子会被抽运到基态两超精细能级的一个相干叠加态， 即相干暗态，此时激发态上没有原子，原子被“囚禁 在基态的两超精细能级上， 会在其荧光光谱中出现一个尖锐的共振暗线，同时出现电磁诱导透明现象，即原 子对激发它的激光无吸收，当激光频率差相对于原子跃迁频率具有一定的失谐量 时，荧光或吸收信号强度与激光频率差相对于原子跃迁频率的失谐量有关，探测 这些光信号强度，经过处理后可作为误差信号来控制和锁定与电光调制器驱动信 号有关的本振频率，用此原理可实现被动型c p t 原子钟【1 2 。5 1 。发生c p t 现象时， 相干囚禁在两个基态子能级上的原子系统具有宏观磁偶极矩，在微波腔中能探测 到微波辐射，即相干微波辐射，辐射微波的功率与激光频率差相对于原子跃迁频 率的失谐量有关，用探测相干辐射微波功率的方法可实现主动型c p t 频标【1 2 1 6 1 。 c p t - m a l s e r 原子频标理论上具有结构简单，体积小，频率准确度和稳定度高等 特点，具备了极高的应用前景【1 6 。2 0 】。7 r bc p t - m a s e r 原子频标用于星载的实验研究 是基于近年来国际上对相干布居囚禁现象的研究提出的一个探索性的课题。 关于c p t - m 嬲e r 原子钟的主要研究内容是优化其实现方法以实现高性能的 c p t _ m a s e r 原子钟、研制适合星载的c p t - m a s e r 钟、研究影响其性能的各种因素、 影响的大小、减小这些影响的方法和技术手段等等。 与主动型c p t 钟相比较，被动型c p t 钟有可以微型化的特点。被动型c p t 钟 是目前从原理