（测试计量技术及仪器专业论文）cpt87rbmaser星载钟相关电子系统研究.pdf

摘要 摘要 基于s 7 r b 的o p t - m a s e r 原子频标，是在传统原子钟技术的基础上，基于近年来国 际上关于相干布居囚禁( c o h e r e n tp o p u l a t i o n t r a p p i n g ) 的研究进展，提出的一个探索性 的课题，具备结构简单，体积小，频率稳定度高等特点。目前，国际上对于c p t 原子 钟的研究尚属于起步阶段。由于c p t - m a s e r 星载钟方案在重量、功耗、使用寿命等方面 具有优势，因此被指定为伽利略计划下一代星载用钟。本文主要论述了“新一代星载原 子钟c p t - m a s e r 试验装置”的相关电子系统的设计与测试，主要包含微波谐振腔设计与 性能参数测试、半导体外腔激光器电子稳频系统和基于p l l 的的噪声倍频器三个方面。 在c p t - m a s e r 星载钟实验装置的研究中，我们根据实际需要，设计了以金属铝为材 料的1 8 1 1 模式圆柱形谐振腔，并设计实验方案对其相关的谐振频率、品质因数等性能 参数进行测试。测试结果表明，其腔长与谐振频率的关系符合理论计算，品质因数在2 5 0 0 到3 2 0 0 之问，基本满足实验要求，但还具有较大改进空问；半导体外腔激光器稳频对 于c 阡m a s e r 星载钟非常重要，是获取稳定c p t 激励的基础，我们一方面设计了精密 恒温控制电路将温度控制在0 0 1 的范围，以减少温度对于激光器输出频率的影响， 另一方面设计了基于l o c ki n 技术的主动稳频电子系统，通过对于激光器电流控制和改 变p z t 的长度锁定激光器的输出频率；倍频器是频率链路的主要部分之一，其噪声对整 个原子频标性能有较大影响，通过对锁相环各个部分的噪声所产生的影响进行分析，采 取了一定的噪声优化方法，实现了基于锁相环技术从1 0 m h z 到1 0 0 m h z 的低噪声倍频 器，从而得到了更为稳定的频率输出。 目前，国内的研究机构主要集中研究的仍然是传统的原子钟，个别单位在有关部门 的资助下开展了c p t 被动型原子钟的研究工作，但基于c p t - m a s e r 技术的原子钟研究 在国内其他单位尚没有开展。本论文主要内容均为“新一代星载原子钟c p t - m a s e r 试验 装置”研究的重要组成部分，并取得了阶段性进展。为研制基于相干布居囚禁脉泽原子 钟工程样机奠定坚实的理论和实验基础。 关键词：c p t 原子频标微波腔p l l 稳频 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h e i rl i n e - w i d t h s ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dr o b u s t n e s s ，c o h e r e n tp o p u l a t i o n t r a p p i n g ( c e t ) r e s o n a n c e sh a v eb e e nu n d e rc o n s i d e r a t i o na sf r e q u e n c yr e f e r e n c e sf o rm a n y y e a r s t h ei n s t i t u t i o ne l e c t r o n i c sn a t i o n a li ni t a l ya n dn a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g yi nu s a e t ch a v ec a r r i e do u te x p e r i m e n ti nf r e q u e n c ys t a n d a r df i e l db a s e do nt h e c o h e r e n tp o p u l a t i o nt r a p p i n g b a s e do nt h ea d v a n t a g e so fc p ta n dt h ep r o g r e s si nf r e q u e n c y s t a n d a r d s ，c p tm a s e rv a p o rc e l lf r e q u e n c ys t a n d a r dw i l lb eac a n d i d a t ef o rs a t e l l i t e s p a c e p o s i t i o n i n g i nt h i sp a p e rw ew i l ld i s c u s st h ed e s i g na n dt e s to fe l e c t r o n i cs y s t e m si n c p tm a s e rf o rs a t e l l i t e ，f o c u s i n go nt h ed e s i g na n dp a r a m e t e r so fm i c r o w a v ec a v i t y , t h e s t a b i l i z a t i o ne l e c t r o n i c so fe x t e r n a lc a v i t yd i o d el a s e ra n dl o wn o i s em u l t i p l i e rb a s e do np l l i nt h er e s e a r c ho fc p t - m a s e ra t o m i cc l o c kf o rs a t e l l i t e ，w ed e s i g n e dc o l u m n e d m i c r o w a v ec a v i t yw o r k i n ga tt h em o d eo ft e 0 1 1 ，w h i c hd e p e n d i n go na c t u a lr e q u i r e m e n t t h e nw em e a s u r e di t sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ri n c l u d i n gs y n t o n i cf r e q u e n c ya n dov a l u ee t c a st h er e s u l ts h o w n ，i t sf r e q u e n c y - c a v i t yl e n g t hr e l a t i o ni si d e n t i c a lw i t ht h ec a l c u l a t e dr e s u l t a n di t sov a l u ei sa m o n g2 5 0 0t o3 2 0 0 , w h i c hi su pt or e q u i r e m e n to ft h ee x p e r i m e n t sb u t s t i l lh a v eag r e a ts p a c et oi m p r o v e e x t e r n a lc a v i t yl a s e rd i o d ei sv e r yi m p o r t a n tt ot h ec p t f r e q u e n c ys t a n d a r d ，s t a b l ef r e q u e n c yo fw h i c hi st h eb a s i co fg e t t i n gc p t m a s e r f o ro n eh a n d ， w ed e s i g n e dp r e c i s et e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gc i r c u i tt or e d u c et h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e v a r i a n c e t h i ss y s t e mc o u l dl i m i tt h ev a r i a n c ei nt h er a n g eo f 0 0 1 。c f o ra n o t h e rh a n d w e d e s i g n e das y s t e mb a s e do nl o c k - i np r i n c i p l et os t a b i l i z ef r e q u e n c yo u t p u to ft h el a s e r f r e q u e n c ym u l t i p l i e ri sa l li m p o r t a n tp a r to ff r e q u e n c yc h a i no fc p t c l o c k i t sn o i s el e v e lh a s a r e l a t i v e l yl a r g ei n f l u e n c eo np e r f o r m a n c eo ft h ec p t c l o c k w ea n a l y s i st h en o i s eo fe a c h p a r to fp h a s el o c k e dl o o p , a n da d o p t e ds o m em e t h o dt oo p t i m i z et h en o i s e ，c o m p l e t e dt h e l o wn o i s ep l lf r e q u e n c ym u l t i p l i e rf r o m1 0 m h zt o1 0 0 m h z g o tam o r es t a b l ef r e q u e n c y o u t p u t a tp r e s e n t ，d o m e s t i cr e s e a r c hi n s t i t u t e sf o c u so nt h er e s e a r c ho ft r a d i t i o n a la t o mc l o c k ， s o m eo fw h i c hh a v el a u n c h e ds t u d i e so np a s s i v ec p ta t o m i cc l o c k ，f u n d e db yr e l a t e d d e p a r t m e n t s h o w e v e f ，r e s e a r c ho na t o mc l o c kw h i c hi sb a s e do nc p t - m a s e rp r i n c i p l eh a s n o tb e e ni n v o l v e dy e t a sa n i m p o r tp a r to f e x p e r i m e n t a ld e v i c eo fn e wg e n e r a t i o n c p t - m a s e ra t o mc l o c kf o rs a t e l l i t e ”，w o r k i n gm e n t i o n e di np r e s e n tp a p e rh a v em a d eg r e a t i m p r o v e m e n ta n dl a i dt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lg r o u n d w o r kf o rt h ed e v e l o p m e n to f c p tm a s e ra t o mc l o c kp r o j e c ts a m p l ef o rs a t e l l i t e a b s t r a c t t h eb a l a n c eo ft h i sp a p e ri so r g a n i z e d 雒f o l l o w s i nc h a p t e ri a ni n t r o d u c t i o no f d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fa t o mf r e q u e n c yc l o c k i ss h o w n i nc h a p t e ri i ，t h ep r i n c i p l e s a n ds t r u c t u r e so fe x p e r i m e n t a ld e v i c eo fn e wg e n e r a t i o nc p t - m a s e ra t o mc l o c kf o rs a t e l l i t e i sd i s c u s s e d c h a p t e ri i ip u t se m p h a s i so nm i c r o w a v ec a v i t y , w ea n a l y z ei tt h e o r e t i c a l l ya n d p r o v i d et h et e s t i n gr e s u l t s o fr e l a t e dp a r a m e t e r s i nc h a p t e r s t a b i t i f y n gf r e q u e n c y e l e c t r o n i cs y s t e mo fe x t e r n a lc a v i t yl a s e rd i o d ei sd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g a n da c t i v ef r e q u e n c yl o c k e dc i r c u i t t h ed e s i g na n dt e s t i n gr e s u l t so fl o wn o i s ef r e q u e n c y m u l t i p l i e rb a s e do np l l i ss t a t e di nc h a p t e rv f i n a l l y , as u m m a r i z a t i o no fp r e s e n tp a p e ri s g i v e ni nc h a p t e r a n ds o m ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e re x p l o r a t i o na r ed i s c u s s e d k e y w o r d ：c p t a t o m i cc l o c km i c r o w a v ec a v i t y p l l s t a b i l i f yf r e q u e n c y 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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，本人承担一切的法律责任。 本人签名日期鲨2 ：l 膳 西安电子科技大学 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。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。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文羼乎保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 堑日期兰12 ：! ! ，g 第一章绪论 第一章绪论 时间频率是最基本的物理量之一，目前在长度、质量、时间、电流、温度、光度、 摩尔等七个基本物理量当中，复现单位精度最高的是时间单位l lj 。时间基准，作为人类 生产生活的一个标准尺度，在社会发展中起着非常重要的作用。 随着社会进步与科学技术的飞速发展，人类对于时间计量的准确度和精密度的要求 越来越高。传统的以地球自转和公转为依据的时间基准越来越难以满足人类生产生活的 需要。2 0 世纪5 0 年代，第一台原子钟在美国国家标准局研制成功，为时间计量带来了 革命性的突破。在1 9 6 7 年的第1 3 届国际计量大会上通过决议：秒时间的定义为铯原子 1 3 3 c s 两个基态超精细能级跃迁辐射振荡9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 周所持续的时间为一秒，该定义一 直沿用至今【2 】。自此，时频领域的科学研究进入了一个崭新的阶段。 1 1 原子频标的发展与应用 1 1 1 原子频标的发展历史 直到上世纪二十年代末，最准确的时钟还必须依靠钟摆有规律的摆动。后来它们便 被依靠石英晶体有规律振动的钟表所替代，后者的误差小于每天千分之一秒。但随后的 量子理论和射频波谱学的发展使人们了解到某些原子和分子能念间的跃迁谱线非常窄， 中心频率极其稳定，而且很少受外界的干扰。利用这些谱线作为参考，锁定一般的信号 发生器的频率，将大幅提高输出频率信号稳定性和准确度。 在第二次世界大战以前，关于原子钟的基础研究就开始了。1 9 3 8 年拉比( r a b i ) 在 哥伦比亚大学发明了分子束磁共振技术。他和他的同事们将磁共振原理应用到对原子和 分子的基础研究上。第一次使用分子束成功地进行了磁共振实验，从实验上观察到铯原 子超精细能级跃迁，并提出了利用铯原子共振跃迁谱线可以用来制作原子频标的想法， 拉比于1 9 4 4 年由于其卓越贡献被授予诺贝尔奖。 1 9 4 9 诺曼兰姆赛在哈佛大学发现了分离振荡场的共振原理，为此而获得1 9 8 9 年诺 贝尔奖。杰罗德扎奇罩亚斯建议采用诺曼兰姆赛发现的原理制造铯原子束钟，以此来 精确度量重力红移现象。 同年，第一台以氨分子为样品的原子钟在美国国家标准局问世，输出频率为2 3 8 吉赫兹。1 9 5 5 年英国国家物理实验室的首先成功的实现了用铯束谱线控制振荡器频率， 得到了实用的原子频标装置。到1 9 6 0 年，拉齐姆( n r c m s a y ) 等人建立了以氢为样品 的原子钟，通常被人们称为氢微波激射器。此后，原子频标的研究在全世界引起了广泛 2 c p t ”r b m a w r 星载钟相关电子系统研究 的兴趣，在各个国家的实验室迅速发展吼 1 9 6 7 年，在第十三届国际计量大会上，通过了无干扰的1 3 3 c s 原子基态超精细跃迁 辐射周期的9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 倍的持续时问为一秒的决定，这就是原子秒的定义。从1 9 7 2 年 起，各国己普遍采用了建立在原子秒定义基础上的原子时，电台开始播发原子时的时间 信号。 我国也在该领域展开了相关的研究，中国科学院、中国计量科学研究院，北京大学 等科研单位已经成功地研制出多款不同种类的原子频标。据报道，中国国家计量科学研 究院的n i m 4 铯原子喷泉钟在2 0 0 5 年的新一轮系统频率偏差鉴定中，不确定度达到了 1 0 e - 1 5 1 4 i 1 1 2 原子频标的应用 原子频标问世以来，广泛应用于计量科学、导航定位、通讯、大地测绘、精密仪器 仪表、电网调节、基础科学研究等众多领域，极大地改变了人类的生产生活。 在时闻计量和授时领域，一方面，原子钟提供了最基本的时间计量基准，并通过时 日j 比对保证了各级基准计量之间的可溯源性；另一方面，提供了授时服务的时间基准， 包含时刻信息、精密时间间隔和标准频率。我国授时的基准由中国科学院国家授时中心 ( n t s c ) 保持，其拥有氢原子钟钟组和铯原子钟钟组，通过卫星双向比对法和g p s 共 视比对与世界其他国家的时间尺度和国际标准相联系，建立并保持了我国的原子时( 1 a ) 和协调世界时( u t c ) ，并不断地通过短波无线电、长波无线电、电视、网络等方式向 全国发送授时信号。比如，c c t v 的时阃信息就溯源于n t s c 的原子钟时间基准。 在导航定位方面，最为典型的应用是g p s ( 美国全球导航定位系统) 。它从1 9 7 3 年 开始研制发展，如今成为全球应用价值最高，受用面最广的空间信息资源【5 】。g p s 系统 由空间卫星、地面测控、用户接收设备三大部分组成。空间部分为g p s 卫星星座，由2 4 颗导航星组成，均匀配置于6 个轨道平面上，地面测控部分由五个地面监测站、三个数 据注入站和一个主控站组成。导航星和测控站均装备高性能原子钟作为控制核心。早期 阶段，星载原子钟只有铷原子钟充任，以后加入了铯原子钟，且数量逐渐增加，近期发 射的导航卫星，其星载钟含2 个铷钟，2 个铯钟。稍后发射的导航星，则计划使用2 个铷 钟和1 5 个铯钟，使用氢原子钟作为星载钟正在进一步试验之中。由于高性能星载钟在 该系统的使用，实时导航定位准确度优于l c m ，大地测量事后处理的定位准确度达毫米 量级，测速准确度优于0 o i m s ，时间传递或时间同步准确度达l n s ( 1x1 0 9 s ) 。与g p s 相 对应，前苏联也发展了其自主拥有的g l o n a s s 定位系统，欧盟也在积极地发展主要用 于民用领域的伽利略( g a l i l e o ) 系统，中国参与了该计划的研究，成为该计划的第一个 第一章绪论 3 非欧盟成员国。另外，我国也在积极地发展自主运营的北斗导航系统。 在基础科学研究领域，早在1 9 7 2 年，美国海军天文台就曾组织了环球飞机搬运铯原 予喷泉钟的飞行实验，以验证爱因斯坦相对论。之后，随着物理学和新技术的发展以及 原子频标性能的不断提高，其在基础科学研究领域的应用也越来越广泛。比如物理参数 的确定、原子与分子特性，时空结构与引力场研究，高精度的大地测绘和海洋环境的研 究等【6 】。 另外，原子频标在电网调节，通讯基站建设，高精度雷达，数字成像，精密仪器仪 表等工程领域也有着普遍应用。随着对原子频标的进一步研究，在其高性能、小型化、 成本控制方面都取得了不断突破。原子频标应用价值不断提高，对人类社会发展的贡献 将会越来越大。 1 2 论文的主要内容及成果 基于8 7 r b 的c p t - m a s e r 原子频标实验装置，是在传统原子钟技术的基础上，基于 近年来国际相干布居囚禁( c o h e r e n t p o p u l a t i o n t r a p p i n g ) 的研究进展，提出的一个探索 性的课题。由于其具有结构简单，体积小，影响频率稳定度高等特点，具备了极高的应 用前景。 目前，国际上对于c p t 原子钟的研究尚属于起步阶段。在欧洲，依托于伽利略计 划，意大利电子研究所( i e n ) 刀= 展了这方面的研究。近期已经获得了秒稳8 l f f ”的 实验结果，但距离理论测算值还有一定的差距。i e n 计划在近一两年内实现工程样机， 该方案的星载原子钟在重量、功耗、频率指标等各方面都具有较高的优越性，已经被指 定为伽利略计划下一代的星载钟。美国的海军天文台，美国k c r n c o 公司( g p s 星载原 予钟提供商) ，德国的波恩大学，法国的巴黎天文台等世界著名研究机构都展开了相关 的研究。 从国内的情况看，原子钟研究机构主要集中研究的仍然是传统的原子钟。目前的 星载钟都处于实验室状态，尚不能完全满足星载钟的空间要求。国内的几家单位如上海 光机所，中科院武汉数学与物理研究所，华中理工大学等也都开始了c f r 的一些基础 物理研究，观测到了一些相应的物理现象。最近，中科院上海微系统与信息研究所和武 汉数学物理研究所在有关部门的资助下开展了c p t 被动型原子钟的研究工作，但基于 c p t - m a s c r 技术的原子钟研究在国内其他单位上没有开展。 在c p t - m a s c r 星载钟实验装置的研究中，我们根据实际需要，设计了以会属铝为材 料的t e 0 1 1 模式圆柱形谐振腔，并设计实验方案对其相关的谐振频率、品质因数等性能 参数进行测试。测试结果表明，其腔长与谐振频率的关系符合理论计算，品质因数在2 5 0 0 4 c p t8 7 r b m a s e r 星载钟相关电子系统研究 到3 2 0 0 之间，基本满足实验要求，但还具有较大改进空间；半导体外腔激光器稳频对于 c p t - m a s e r 星载钟非常重要，是获取稳定c p t 激励的基础，我们一方面设计了精密恒温 控制电路将温度控制在0 0 1 。c 的范围，以减少温度对于激光器输出频率的影响。另一 方面设计了基于l o c k i n 技术的主动稳频电子系统，通过对于激光器电流控制和改变p z t 的长度锁定激光器的输出频率。倍频器是频率链路的主要部分之一，其噪声对整个原子 频标性能有较大影响，通过对锁相环各个部分的噪声所产生的影响进行分析，采取了一 定的噪声优化方法，实现了基于锁相环技术从1 0 m h z 到1 0 0 m h z 的低噪声倍频器，并 以正交鉴相法对倍频器的1 0 0 m h z 输出相位噪声结果进行测试，以b v a 8 6 0 0 型恒温高 稳晶体振荡器作为参考源，在1 h z 频偏处相位噪声达到了1 0 5 d b c ，优于实验要求的一9 5 d b c ，在从而得到了更为稳定的频率输出。 本论文第一章为绪论，主要介绍原子频标的发展与应用以及论文的主要内容成果； 第二章介绍了c p t - m a s e r 星载钟实验装置的原理和主要结构；第三章为微波谐振腔相关 内容，从理论上对其分析并给出了参数的测试结果；第四章论述半导体外腔激光器电子 稳频系统，包含温度控制和主动锁频两部分电路；第五章论述基于p l l 的低噪声倍频器 的设计及测试结果；第六章为总结论文的工作，并探讨需要进一步深入研究的问题和接 下来的工作计划。 第二章相干布居凶禁原子频标 第二章相干布居囚禁原子频标 原子钟是空间导航定位系统的核心。为了满足空间环境和使用的要求，星载原子钟 需要具备体积小、重量轻、低功耗，并且能够在空| 日j 环境中长期可靠运行等特点。美国 的g p s 系统携带了1 0 0 多颗星载钟，欧洲的伽利略计划，俄罗斯的g l o n a s s 系统使用的 星载钟也都是本土生产。考虑到国防安全性和科技自主性，自主研制星载原子钟对于发 展我国的卫星导航事业。具有极高的国防及民用价值。 基于8 7 r b 的c p t - m a s e r 星载钟，是在传统原子钟技术的基础上，基于近年柬国际相 干布居囚禁( c o h e r e n tp o p u l a t i o nt r a p p i n g ) 的研究进展，提出的一个探索性的课题。它 的物理机理完全不同于以往的原子钟，巧妙的利用了相干布居囚禁现象，采用原子与激 光、电子系统的结合，代替了传统的原子与微波的二能级系统。结构上集原子态制备和 电磁场结构于一体。从而大大降低了原子钟的体积和重量，提高了其可靠性。 新一代星载原子钟“c p t - m a s e r ”实验装置系统是集量子物理部分，激光部分和电 磁与电子系统于一体的综合系统。通过电磁与电子系统实现激光稳频和环境伺服，获得 相干布居囚禁现象，并将该现象中得到的原子谱线逐级锁定转化为实用标准频率。该实 验装置瞄准相关领域国际前沿，为研制基于相干布居囚禁脉泽原子钟工程样机奠定坚实 的理论和实验基础。 本章第一节简要介绍传统原子频标和目前原子频标研究的几个方向；第二节从理论 上分析相干却居囚禁现象在原子频标当中的应用：第三节介绍c p t - m a s e r 星载原子钟实 验装置整体方案以及相关光学、物理、电子各子系统的结构框图；第四节总结c p t - m a s e r 星载原子钟的特点和应用i i i 景。 2 1 原子频标种类介绍 伴随着对原子频标研究的不断发展，原子频标的应用领域也越来越广泛。在科技进 步和市场需求的双重驱动下，其研究和产品的种类日渐丰富。以获得跃迁谱线的元素种 类上划分，可以分为氢( h ) 、锂( l i ) 、铷( r b ) 、铯( c s ) 、钙( c a ) 等种类；以原子 频标的用途划分，可以分为基准钟、商品钟、星载钟等；通常从原子频标技术发展的角 度，可以分为传统型原子频标和新型原子频标。 6 c p ts t r b - m a s e r 星载钟相关电子系统研究 2 1 1 传统原子频标 目前国际上使用较多的传统原子频标多为铯、氢、铷原子频标，这些种类频标的研 究和发展也取得了许多进展。比较常见且具有典型意义的频标有c s 原子束频标、泡式 r b 原子频标和氢激射器频标等。 c s 原子束频标整个系统置于 真空罩中，如图2 1 。c s 炉中的金 属铯加热到一定温度后，就会有c s 蒸汽束喷出。从c s 炉中喷出的原 子束经过非均匀磁场a 选态，原子 束中处于一种超精细结构状态的原 子将进入微波作用区。微波相互作 用区由磁场较弱的c 场和微波谐振 腔组成，原子在该作用区发生跃迁。 m 籼r h - _ 图2 1 铯束管简图 经过帽互作用的原子再进入与b 磁场内，发生跃迁有状态变化的原子与未发生跃迁的原 子将沿不同轨迹前进。将探测器置于原子运动的特定轨迹，利用探测到的原子数量和外 加微波频率的关系来鉴别是否达到共振，从而起到鉴频的作用。通过电子线路逐级锁定 到标准频率输出。 与c s 原子束频标，泡式r b 原 子频标的准确度和稳定度较差，但 其结构简单，便于制作且成本低廉， 所以应用非常广泛。 最简单的铷原予频标的结构就 是在微波谐振腔中加上8 7 r b 的吸 收泡，腔中输入6 3 8 5 m i - i z 的微波 信号，利用微波探测装置可以获得 8 7 r b 的吸收谱线，利用这条谱线锁 定频率信号。 基态能级中的f = i ，m t = 0 和 f = 2 ，m r = 0 这两个能级之间跃迁频 图2 2 铷原子频标结构图 率的精确值为6 8 3 4 6 8 2 6 1 4 1 m h z ( 外磁场h = 0 时) 。这个频率也就是8 7 r b 原子频标中量 子部分提供的标准频率。但在常温( 约3 0 0 k ) 下，气态的8 7 r b 密度非常小，而两个能 级粒子数差别不大。因此需要光抽运技术将8 7 r b 的原子制备到f = i ，m t = o 能级上去。 8 7 r b 原子频标的结构简图如2 2 左侧就是8 7 r b 灯，中间为8 5 r b 的滤光泡，右侧是吸收 第二章相干布居囚禁原子频标 7 泡。 氢原子钟也是种广泛使用的原子频标，它属于微波激射型。早期的对原子频标产 生较大影响的氨分子激射器也属于这种类型。氢激射器频标的特点是短期稳定性非常 好，因此常常与其它类型的频标组合使用。 其基本结构如图2 3 ，氢原予束从存储源出来，进入选态磁场，把上能级( f = i ， m f o ) 原子聚焦到存储泡口内，而把下能级( f = l ，m f 0 ) 原子偏离开。贮存泡放在微 波谐振腔当中适当的位置上，上能 级原子与腔内辐射场相互作用，发 生受激辐射跃迁。贮存泡需要经过 特殊的涂敷处理，使得原子和泡壁 大量碰撞而不至于改变其能量状 态。这样，上能级原子就能长时间 的和辐射场相互作用，使受激发射 谱线的宽度变得很窄。谐振腔需要 较高的q 值，因此辐射场的能量损 耗很小。当进入贮存泡的原子足够 多，受激发射功率大于腔内损耗功 c e l l c l m 删i c $ h l c l d 图2 3 氢激射器结构图 率时，就会产生振荡，有净微波功率输出。其频率约为1 4 2 0 4 m h z ，功率为1 0 1 3 至1 0 - 1 4 瓦。 2 1 2 新型原子频标 近年来，激光冷却、飞秒光疏、相干布居囚禁等相关领域科学的发展极大地促进了 新型原子频标的研究，使得新型原子频标能够具备更高的准确度和稳定性。总的来说有 冷原子喷泉、离子贮存和光钟等几个发展方向。 影响传统原子钟准确度提高的最主要因素还是剩余的多普勒效应。它来自两方面， 一是原子运动速度商，二是用分离场方法使原子与辐射场相互作用时，难以完全保证各 个辐射场的相位一致。因此，降低原子速度可以大幅提高原子钟性能。激光冷却原子技 术的诞生促进了冷原子钟的发展，依靠光与原子相互作用过程中光子和原子之间的动量 和能量的交换，原予不断的吸收反方向的光子使它的动量连续损失，从而降低原子速度。 这样就可以大大减少多普勒效应的影响。另外，利用慢速冷原子团垂直上抛，在重力场 中自由下落可以形成原子喷泉。原子束在上抛和下落的路径上设置一个辐射场，这是一 个场，没有相位差别。但对原子说来，却是两个分离的场，原子经受这两个场作用后所 8 c p t ”r b m a w re - 载钟相关电子系统研究 得的共振信号宽度非常窄。法国国家计量局在朱棣文等人原子喷泉的工作基础上利用这 一原理实现了世界上第一台冷原子铯喷泉钟。目前在很多国家，冷原子喷泉钟已经代替 传统原子频标成为新的时间频率基准，其相对不确定度可以达到1 0 - ”量级。 离子阱频标是将工作物质的离子通过加在特定构型电极上的静场或射频场构成的 离子阱的作用，将离子囚禁在远小于其作用波长的真空区域，从而可以有效地避免多普 勒效应和碰撞效应。利用该离子的跃迁信号作为鉴频信号，将晶体振荡器的标准频率输 出信号锁定在频率非常稳定，谱线q 值很高的离子跃迁谱线上。由于离子几乎不受干扰 和外部参数的影响，与探测场的作用时间也更长，因此比传统频标具有更高的准确度和 稳定性。现在已经研究了好几种离子，如汞、镱、铍、钡、镁等离子，它们确实都表现 了很好的做原子( 离子) 钟的性能，汞离子钟已成为现实。 光钟是工作于光频段的原子钟，是当前原子钟研究的热点之一。因为原子钟的准确 度和稳定性指标都是指它们对标称频率( 时间) 的相对值，所以从理论上推算，工作在光 频段的光钟性能可以比传统原子钟提高几个数量级。光频信号的频率值要比微波信号高 出四个数量级以上，利用光频链进行混频的传统方法，不仅造价高而且使用极其复杂。 如何将光学频率和实用频标联系起来就成为光钟研究的关键问题。1 9 9 9 年，由t h a n s c h 教授领导的德国m a x p l a n c k 量子光学研究所的科研小组利用一台飞秒锁模激光器实现 了光频频率和铯原子微波频标的直接连接忉。稳频飞秒激光器的出现使得光频一微波的 频率比较变得简单易行，为将来建立新的光学频率标准向目前常用的5 m h z 、i o m h z 等 射频频段的传递提供了技术上的可能。法国的国际计量局( b i p m ) 、中国的华东师范大 学和美国的n i s t 曾在2 0 0 4 年对飞秒锁模特性进行比较，从实验上证明引入的不确定度优 于1 0 ”。 2 2 相干布居囚禁( c o h e r e n tp o p u l a t i o nt r a p p i n g ) 现象 相干布居囚禁现象是由原子态的相干叠加产生的效用，首先由a l z e a a 等人于1 9 7 6 年观察蛰j t s 。可用于激光冷却原子、 精密光谱测量、无粒子数反转激光及 电磁感应透明等领域【9 】o 它的定义为， 在双光子共振的条件下，初态处在相 干叠加态的原子，在与双模相干场发 生相互作用的时候，原子布居数出现 稳恒的状态，这种现象称为原子的相 干布居囚禁( c p n 。 图2 4s t r b 原子的a - 型三能级结构。 第二章相干布居囚禁原子频标9 相干布居囚禁现象主要表现为，当用两相位差恒定的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问 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。同时相干囚禁在两个基态子能级上的原予系综产生宏观磁偶极矩， 并发生微波辐射，即相干微波辐射。 其本质可通过分析a 型三能级原子系统得到。图2 4 给出了8 7 r b 原子的a 型三能级结 构。其中，1 1 ) 和1 2 ) 分别表示8 7 r b 原子基态的两超精细能级( f - l ，f = 2 ) ，1 3 ) 表示激发态( 5 2 p - 2 态) 。1 和砣分别为两相干激光的角频率。y l 和y 2 分别为基态的布居差弛豫率和相干弛 豫率。r 为从激发态1 3 ) 跃迁到基态的衰变率。为激光偏离光学共振的失谐量。 通过对上述原予系综演化过程进行分析，讨论激光失谐量a 0 = 0 及两激光振幅相等的 情况即南；o 和魄1 = 蟓2 = 慊时，可以得到关于激发态的布居数店，的如下方程1 1 0 l ： 如。( 等) 1 1 - 2 l 靠l 。 d ， 其中( i ) r l 、( 0 r 2 分别为两激光场祸合1 1 ) 到1 3 ) 及1 2 ) 到1 3 ) 的拉比( r a b i ) 频率，q 。为两激 光频率差相对于基态超精细跃迁频率的失谐量，r p 表示激光的抽运率，定义为： l 一豢 对式( 2 1 ) 进行魄= 3 1 0 - 1 ，r = 5 1 0 9 s 一，托= 6 0 0s - 1 时的数值模拟，得到如图( 2 5 ) 的模拟结果，可以看出当两激光之问的频率差与超精细频率严格一致( q 。= d ) 时，上 述a 型三能级原子系综将被抽运到一个相干叠加态，在荧光光谱中出现极小值，在透射 光谱中出现极大值，此时原子将不再吸收激光辐射场的能量。图2 6 是在图2 5 的基础 上改变魄的值，使之分别取3 1 0 6 s - 1 ，4 1 0 6 5 ，5 1 0 6 s - 1 时得到的激发念的布居伪3 与失谐 量q 。关系曲线，不难看出随着激光强度的增加，暗线的效果越来越明显。 q r a ds l x l 0 4 图2 5 激发态的布居砌与失谐草q ，关系曲 线 图2 6 魄改变激发态的布居砌与失谐茸q 。 关系曲线 1 0 c p t ”r b m a s c r 星载钟相关电子系统研究 在8 7 r b 的实验当中，可用两束频差接近”r b 原子基态超精细结构能级( 5 芍。f = i 和5 2 s 。f = 2 ) 分裂的相干激光照射密封的”r b 原子气体。当两个激光频差严格等于基态 两子能级分裂时，原子会被相干囚禁在两个基态予能级上，而激发态1 3 ) 上将没有原子分 布。激发态的布居数伪3 取得最小值，由于原子系综发出的荧光功率与d 3 成正比，因此 如图2 5 和2 6 ，在荧光光谱中可以观察到一个尖锐的共振暗线，该共振暗线是”r b 原 子的5 2 p 。一5 2 s 。能级跃迁的中心谱线，该荧光信号强度与两激光频差的关系可作为被 动型相干布居囚禁原子频标的鉴频物理基础。 与此同时，相干的激光辐射在两个超精细能级间建立了相干性，即形成了相干重叠 态。相干囚禁在两个基态子能级上的原子系综产生频率为两相干光的频率差微波辐射。 当两个激光频差严格等于基态两子能级分裂时，微波辐射信号强度最大。利用此辐射信 号强度和激光频率差的关系，可以作为参考源，作为主动型相干布居囚禁原子频标的鉴 频物理基础。本论文涉及的实验装置就是采用主动型的c p t m a s e r 钟方案。 2 3c p t - m a s e r 星载钟实验装置整体方案 c p t - m a s e r 原子频标属于主动型c p t 频标。c p t 的激发在原子基态超精细能级上建 立相干性的同时也建立了振荡的磁化强度，因此可以利用微波谐振腔产生振荡磁场，该 磁场形成对原子群的反作用，最终产生m a s e r 振荡。以s t r b 原子为例，其实验装置的 原理结构如图2 7 所示。其中， c f i e l d l a s e r 为半导体外腔激光器，它 硝席茎至珂竺! 曼曼警 专篙勰k , 鬈黧唾爿啦哪 ( 包括电流、电、温度控制等) l _ - _ j “ | lli ii | | |l | 组成。在频率接近3 4 1 7 g h z 的m i 。，。五。d 世鳖至兰兰兰圣圣兰m wn 订糍 电信号的调制下，光学系统输出h e q u e n 掣m o d u l a t i o n ”r b + b ”侬。g 嬲 | | 频差为6 8 3 4 g h z 的两束相干激，! 入广夏；订l h e t e r o d y n ”ej 第二章相干布居凶禁原子频标 采用高灵敏度的外差探测装置，检测物理部分输出的微波辐射，将检测到的信号送 入电子伺服系统。电子伺服系统中包含锁相环电路，将外差探测的输出信号转换为直流 纠偏电压反馈到本地频标。本地频标为1 0 m 晶体振荡器，经过锁定与微波输出谱线吻 合，输出标准的频率信号。图( 2 4 ) 中虚线部分表示可以直接利用物理部分荧光光谱的 共振暗线经过伺服系统对本地频标进行锁定。因此，该实验装置也可以经过改装进行基 于“d a r k 1 i n e ”技术的被动型c p t 原子频标的实验，在这种结构中，不需使用微波谐振 腔。 图2 8 所示为c p t - m a s c r 原子 频标实验装置的光学子系统，其作 用在于实现c p t 所需的双频激光 辐射。激光器出射激光束的波长为 7 9 5 n m ，其经隔离器( i s o l a