【星载汞离子微波钟概述1800字】

星载汞离子微波钟概述目前，新一代星载原子钟有汞离子微波钟、积分球钟、POP铷原子钟等，其中汞离子微波钟为典型代表。本节首先介绍汞离子微波钟工作原理及结构组成，为进一步提高钟性能，需解决的基本问题有：离子阱设计、超稳晶振及频综研制、低功耗小型化泵浦光源设计等。最后对本文主要展开研究的194nm与399nm泵浦光源实现功能及研究现状进行介绍。1.1汞离子微波钟发展历程汞离子钟于80年代开始投入使用，美国原惠普公司于1986年和87年制成三台双曲面型阱的199Hg+离子钟，在美国天文台(UnitedStatesNavyObservatory,USNO）作为守时钟，经过10多年的连续运行，1-10天的频率稳定度达10-15量级[20,21]，优于商品铯钟。80年代末，美国喷气推进实验室(JetPropulsionLaboratory,JPL）提出和开发新的线形阱199Hg+频标，前期采用选态―检测区与微波共振区合一的单区式结构，至1998年已研制了8台，分别交于(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)和USNO用于星际飞行器深空跟踪，以及美国国家标准时间守时和授时。1994年后，JPL又开发出选态―检测与微波共振区分离的分区式线形199Hg+钟，它具有更高的频率稳定度，短期稳定度为2×10-14τ-1/2，天以上的稳定度达到5×10-16，天漂移率为2.7×10-17[18,19]。国内中科院武汉物理与数学研究所一直对汞离子钟展开研究工作，其在2019年设计并研制出采用密封真空系统的小型化汞离子微波钟样机，体积为16.4L，重量为15.1Kg，功耗66W，短期稳定度为8×10-13τ-1/2，天稳定度优于4×10-15[22]，为我国研制星载汞离子微波钟提供宝贵的经验和技术基础。1.2星载汞离子钟关键技术星载汞离子微波钟工作原理如图1-5所示：将超稳晶振输出频率经频率综合生成的接近199Hg+基态能级跃迁40.5GHz中心频率的微波信号对离子阱内处于超高真空环下的原子（或离子）体系进行探寻，原子和频率为基态跃迁频率的微波信号相互作用产生共振跃迁至高能级态，处于高能级态的原子（或离子）返回基态时会自发辐射跃迁谱线，通过对自发辐射的跃迁谱线进行鉴频得出超稳晶振的误差信号，最后通过伺服电路产生的纠偏电压对超稳晶振进行纠偏，得到稳定的频率输出。冷却系统降低199Hg+的运动速度。图1-5星载汞离子钟工作原理星载汞离子钟实验装置结构由超稳晶振、频率综合器、离子阱、无极谱灯、冷却系统、伺服电路六部分组成。电子枪用于199Hg+的制备。超稳晶振用于本振频率输出。频率综合器主要实现将超稳晶振输出频率综合生成40.5GHz中心频率的功能。离子阱是离子相互作用场所。无极谱灯用于制备194nm深紫外光，实现199Hg+的态制备与荧光检测。冷却系统包含波长为369.5nm激光器、399nm激光器及935.2nm激光器，主要用于镱原子激光电离与冷却进而协同冷却199Hg+。伺服电路主要对超稳晶振输出频率进行纠偏。本课题主要对用于量子态制备与检测用的194nm无极谱灯与用于镱原子一级光电离399nm激光器进行介绍。（1）194nm深紫外光图1-6199Hg+能级图194nm光源主要应用于199Hg+的态制备及荧光检测。图1-6是199Hg+离子部分能级示意图，199Hg+基级能态存在、两种能态。194nm深紫外光源能将处于基态的199Hg+离子抽运至激发态上，处于态的199Hg+离子自发辐返回基态，有一定的几率至态，经过多次循环跃迁，处于基态的离子被抽空，全部离子集中到态，最终实现199Hg+离子的态制备。当处于激发态的199Hg+离子返回基态时会自发辐射194nm波段附近的荧光，检查到的辐射荧光光强与处于激发态的199Hg+离子数正相关，即处于激发态的汞离子自发辐射的荧光光强能够反映离子的共振跃迁概率。当离子阱内处于基态的199Hg+离子较少时，处于激发态的199Hg+的辐射荧光较弱。当外加40.5GHz的共振跃迁频率时，离子发生共振吸收，从跃迁到，使态离子数增加，重新被抽运到激发态，荧光变强。（2）399nm泵浦光源离子阱中射频场捕获离子的初始动能在eV量级，初始温度在1000K量级[48]。囚禁场中各种加热效应导致离子整体能量迅速增加。较大动能的离子体系不利于离子的稳定囚禁与精密测量。为进一步减小多普勒效应引起的离子谱线增宽，提高频率稳定性，通常采用激光冷却技术实现汞离子的进一步冷却。由199Hg+的能级图可知，199Hg+冷却光的波长为194.2nm，目前只能通过倍频产生，结构复杂，难以工程化。171Yb+离子对应波长的冷却激光可以由半导体激光器直接产生，成本低、可靠性高，便于系统小型化，我们采用171Yb+作为激光冷却离子，然后协同冷却199Hg+。通过激光冷却镱离子进而协同冷却199Hg+的过程中，首先需要将镱原子制备成离子。镱原子光电离具体过程如图1-7所示，首先使用398.799nm激光先将镱原子从基态4f146s21S0态激发至4f146s6p1P1，处于4f146s6p1P1态的镱原子被波长小于394.1nm激光二次激发，镱原子的外层