激光抽运铷原子频标实验研究

采用饱和吸收偏振稳频半导体激光器,建立了激光抽运铷频标实验系统.实现了该系统的闭环锁定.进行了频率稳定度的初步测试,短期稳定度为1.2×10-11τ-1/2.对测试结果进行了分析,并提出了相应的改进措施.

铷钟原子气室氦气渗透率实验研究

氦气向铷气室内渗透被认为是导致铷钟频率漂移的原因之一.在本研究中,我们对铷钟普遍使用的Pyrex材料铷原子气室和研制的抗氦渗透能力强的铝硅材料铷原子气室的多个样本进行了氦渗透率测量,在工作温度(约60℃)下渗透率分别为2E-19 m^(2)/(Pa·s)和≤3E-22 m^(2)/(Pa·s).据此结果对铷钟频率漂移率进行分析表明,采用Pyrex玻璃气室时,氦气渗透引入的铷钟频率漂移在前4年内稳定在E-13/天水平,之后6年的影响大约在E-14/天水平;若采用铝硅玻璃(ASG)气室,氦气渗透引入的铷钟频率漂移可降低至E-16/天水平.该研究结果对改善铷钟的长期频率漂移问题具有指导意义.

铷原子频标低噪声9次倍频链设计

铷原子频标短期频率稳定度由物理系统和电路系统共同决定.微波链的相位噪声是电路系统影响铷频标短期频率稳定度的主要因素.本文分析了传统铷频标微波链的结构和工作原理,指出9次倍频器和调制器是微波链相噪的主要来源.为抑制微波链噪声,采用肖特基二极管倍频和提高载波频率的调制方案,设计出一种低噪声9次倍频链.实验结果表明,该倍频链输出90MHz信号的相噪比传统方案降低了12dB以上,可将微波链噪声对铷频标1s频率稳定度的贡献控制在1.9E-13.将该倍频链应用于铷频标,测得铷频标短稳为3.53E-13(1s)、1.27E-13(10s)和3.97E-14(100s).

Ba原子6s^2 ~1S-0-6s6p^3P_1跃迁Hanle效应实验研究

Ba原子是光频标的候选者之一,对其进行有效的激光冷却与囚禁需要相关能级的寿命和跃迁几率的信息。Ba原子激发态6s6p^3P_1能级在激光冷却实验中很重要,通过Hanle效应实验测量了这一能级的寿命和自发辐射率,从理论和实验上研究了探测激光有限线宽和光强对Ba原子基态6s^2 ~1S_0与激发态6s6p^3P_1之间跃迁(波长791 nm)Hanle效应荧光信号的影响。在考虑了激光线宽和光强因素后所得到的激发态6s6p3P1的能级寿命和自发辐射率与其他方法给出的结果符合很好。

CPT原子频标数字温控系统优化设计与实现

相干布局囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原子频标是一种功耗低、体积小、启动快的新型原子频标,温控系统是影响CPT原子频标稳定度指标的重要环节.本文介绍了通过优化设计实现CPT原子频标的高性能温控系统的方案.通过仪表放大器的应用提高了前端温度采集电路的温度分辨能力;通过小波分析算法对温度信号进行降噪处理;通过Δ-Σ算法实现脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM),提高温控输出调节精度并减小谐波干扰.基于该方案实现了体积小、功耗低的温控电路,获得了较好的控温效果,改善了CPT原子频标频率稳定度指标.

一种铷原子频标频率综合器新方案的设计与实现

数字化和小型化是铷原子频标(RAFS)发展的重要方向.在传统铷原子频标电路中,6 840 MHz微波信号与频率综合器产生的5.312 5 MHz信号进行混频,得到用于激励铷原子跃迁的6 834.687 5 MHz微波探寻信号.早期铷频标的频率综合器大量使用了分立的模拟器件,数字化程度低、参数优化工作繁杂、电路体积较大.目前常用直接数字频率合成器(DDS)方案直接产生5.312 5 MHz信号,但这种数字电路方案通常需要对10 MHz信号进行倍频,它存在频谱纯度较低、相位噪声高等缺点.本文介绍一种产生5.312 5 MHz信号的频率综合器解决方案,这种设计方案在应用DDS器件时无需使用10 MHz倍频电路,它具有频谱纯度较高、相位噪声低、输出频率和相位可调等优点.

一种用于铷原子频标的小型化低噪声10 MHz晶体振荡器设计

本文设计了一种应用于铷原子频标的小型化低噪声石英晶体振荡器,其振荡电路采用柯尔匹兹并联形式和SC切晶体谐振器.基于Leeson模型对石英晶体振荡器相位噪声进行分析,并利用ADS射频仿真软件对振荡电路进行仿真模拟,为振荡器设计与调试提供指导.最终实现体积为22 mm×28.5 mm×13 mm低噪声晶体振荡器,它具有良好的相位噪声特性,其近端相噪为−102.7 dBc/Hz@1 Hz、远端相噪为−164.2 dBc/Hz@10 kHz,且实测短期频率稳定度为1.73×10^(−12)/s.

一种用于CPT原子频标的高性能解调电路

介绍了同步积分器和相敏检波器级联的解调电路及该电路在相干布居囚禁(CPT)原子频标中的应用。通过理论计算和先进设计系统软件进行的仿真表明,该解调电路具有很高的Q值和很好的抑制噪声能力,是一种可应用于CPT原子频标的解调电路。对电路的测试结果证实,该电路能够从光检测信号中解调出高性能的用于激光频率稳频的多普勒吸收谱线的微分曲线和用于微波频率稳频的CPT谱线的微分曲线。

氦气渗透导致铷原子钟频率漂移的计算与分析

氦气渗透导致的铷原子钟吸收泡内铷原子与氦气碰撞频移发生变化,从而影响铷原子钟频率漂移率.为了量化分析这一影响,选取厚度为1 mm,直径为1.8 cm,长为1.6 cm,工作温度为65℃的圆柱型玻璃气泡为例,通过数值方法模拟了派热克斯玻璃(Pyrex,康宁7740)与低氦渗透的铝硅酸盐玻璃(ASG,康宁1720)原子气泡内氦气压随时间的变化规律.计算结果显示,对于Pyrex气泡,铷原子钟工作约12年后,氦渗透致频率漂移率降低至<1.0×10^(-14)/天;而ASG气泡铷原子钟在其寿命期间内的氦渗透致频率漂移率始终<3.0×10^(-17)/天,其对铷原子钟漂移率的贡献可忽略不计.该计算方法同样适用于其它种类气体在不同玻璃材料的渗透过程研究.

铷原子频标磁致频移相关问题研究

长期稳定度是评价铷原子频标性能的一项关键指标.物理系统内部静磁场(C场)稳定性引起的磁致频移与铷频标长期稳定度有关.利用^(87)Rb原子基态磁敏跃迁频率与轴向外加磁场的线性关系,测量了铷频标物理系统内部磁场强度,并计算了铷频标物理系统磁屏蔽筒轴向磁屏蔽因子约为3828.实验结果表明磁屏蔽筒有效地降低了地磁场日波动对铷频标物理系统内部C场的影响,使磁致频移控制在合理范围内.

高性能铷原子钟的高精度频率漂移补偿研究

铷原子钟可靠性高、体积小、功耗低,在导航、通信等领域被广泛使用.尤其对于导航卫星星载铷原子钟,发展至今具有了优异的稳定度性能,但其固有的频率漂移特性(约E-12~E-13/天)会恶化其长期性能,影响卫星自主守时能力.通过对高性能铷原子钟的频率数据进行充分分析,评估可能导致频率漂移的物理机制,提出一种高精度频率漂移补偿的方案并开展了实验验证.结果表明,在无外部驯服情况下60天内高性能铷原子钟的漂移率可保持E-15/天量级,天稳定度达到E-15量级(Allan偏差),极大提升铷原子钟的自主守时能力.

894nm高温垂直腔面发射激光器及其芯片级铯原子钟系统的应用

报道了自行研制的894 nm高温垂直腔面发射激光器(VCSEL)以及基于此类器件的芯片级铯原子钟系统的应用实验结果.根据芯片级铯原子钟对VCSEL在特定高温环境下产生894.6 nm线偏振激光的要求,对器件的量子阱增益及腔模位置等材料结构参数进行了优化,确定增益-腔模失谐量为-15 nm,使器件的基本性能在高温环境下保持稳定.研制的VCSEL器件指标为:20—90?C温度范围内阈值电流保持在0.20—0.23 m A,0.5 m A工作电流下输出功率>0.1 mW;85.6?C温度环境下激光波长894.6 nm,偏振选择比59.8:1;采用所研制的VCSEL与铯原子作用,获得了芯片级铯原子钟实施激光频率稳频的吸收谱线和实施微波频率稳频的相干布居囚禁谱线.

一种可编程逻辑器件在原子钟频率综合电路中的应用

针对被动型铷原子频标电路模块中由三极管等数量众多的分立元件搭建的9倍选频放大模拟电路和种类繁多的集成电路搭建的5.3125 MHz综合器电路,给出了数字化电路解决方案。在此新方案中,通过使用一种复杂可编程逻辑器件对锁相环进行编程控制,可以实现对10 MHz参考信号18倍频的精确控制;同时,利用该复杂可编程逻辑器件内部"虚拟"的集成电路对10MHz参考信号进行分频变换可以得到5.3125MHz信号。实际使用证明,这种设计方案具备易于集成、调试简单的优点,在替换原有模拟倍频、综合器功能电路后,成功实现整机锁定,各项性能指标均达到或优于原有水平,使整机向数字化、小型化迈出重要的一步。

基于星地双向时间比对数据的北斗三号铷原子钟在轨性能评估

星载原子钟是导航卫星的核心设备,其性能直接决定卫星导航系统的授时和定位精度。铷原子钟以其体积小、重量轻、功耗低和可靠性高等特点,在北斗导航系统中大量使用。利用北斗系统星地双向卫星钟差数据对北斗三号卫星在轨铷原子钟性能进行了评估。首先对数据进行了钟差转频差和中位数去粗差处理,然后重点评估了铷原子钟的频率漂移率和频率稳定度。结果显示,北斗三号铷原子钟多为负漂移,频率漂移率优于2×10^(-13)d^(-1),且呈缓慢减小趋势,运行初期,每天变化量级为10^(-15),运行2 a后,天漂趋于平稳。计算得到铷原子钟的千秒稳定度、万秒稳定度和天稳定度分别为4×10^(-13),1×10^(-13)和3×10^(-14)左右,与地面实际测试结果差异较大,该结果受钟差传输过程中引入的噪声限制,未能反映铷原子钟的稳定度真实水平。

利用传输腔技术实现镱原子光钟光晶格场的频率稳定

为了获得高稳定度和高精确度的原子光晶格钟,光晶格场的频率必须得到锁定,线宽必须控制到特定水平用来消除交流斯塔克频移.本文提出利用传输腔技术来实现对镱原子光钟的光晶格场的频率锁定和抑制频率长期漂移的锁定方案.首先,将一个殷钢材料的传输腔锁定在基于调制转移谱技术锁定的780 nm激光场上,再将759 nm的光晶格光场锁定在传输腔上.实验结果表明,光晶格光场的线宽可以锁定和控制在1 MHz以下.光晶格光场与锁定于氢钟的光梳拍频结果显示,光晶格光场的长期频率稳定度优于3.6×10^(-10),可以确保实现镱原子光钟的不确定度进入10^(-17).

一种小型化铷原子钟锁相倍频窄带VCO设计

设计了一款用于小型化铷原子钟锁相倍频器的窄带VCO(压控振荡器)电路.振荡电路采用了稳定性好的克拉泼电路方案.应用仿真软件对该电路进行仿真分析和优化设计.最终设计出的VCO电路主要性能指标为:输出频率范围为440 MHz^470 MHz,频率调谐灵敏度为18 MHz/V,二次谐波抑制度为-15 d Bc,由其构成的锁相倍频器实现了低相噪设计要求,使小型化铷原子钟具备了实现高的频率稳定度潜力.

一种铷原子钟超高信噪比物理系统的研究

在卫星导航、深空探测等尖端技术应用的需求牵引下,谱灯抽运铷原子钟的性能有了很大提升,其短期频率稳定度已达到小系数10^(-13)τ^(-1/2)水平.为能进一步提高铷钟稳定度并探索铷钟性能指标极限,本文在前期对物理系统(Φ40微波腔)结构的重新设计及实验验证的基础上,通过对物理系统的光学系统全面优化设计,改善了光谱灯及抽运光的性能,最终使物理系统信噪比获得了明显提升.测试及分析评估结果表明,新设计的物理系统的散粒噪声对铷钟稳定度的贡献为4.2×10^(-14)τ^(-1/2),本文的研究结果为今后铷钟短稳实现5×10^(-14)τ^(-1/2)、长稳突破1×10^(-15)进入~10^(-16)奠定了基础.

小型化铷原子钟高精度频率调节电路设计

在GPS驯服铷钟等相关应用领域中,小型化铷原子钟的频率调节精度是一项重要性能指标.该性能一般由铷钟整机系统中倍频综合器的数字锁相环(PLL)分辨率决定.目前作者所在的课题组研制了一款小型化高性能铷原子钟,具有良好的稳定度指标,但其频率调节无法满足高精度的需求.针对这一问题,本文对原小型化铷原子钟的倍频综合电路进行了分析研究和改进设计,基于一款高精度直接数字频率合成器(DDS)芯片设计了一种小数倍频综合电路,在保证小型化铷原子钟仍具有高稳定度指标的同时,实现了其高精度频率调节的功能.

自注入锁定激光器的频率热调谐方法改进

为了提高自注入锁定激光器的频率连续可调谐范围,对法布里-珀罗(FP)微腔在频率热调谐过程中注入锁定相位的变化关系进行研究。在传统频率热调谐的基础上,对自注入锁定激光器频率和相位等参数特性进行研究,提出一种在频率热调谐时加入自注入锁定相位补偿和DFB芯片电流补偿的改进算法,并在一台基于FP微腔自注入锁定激光器上对此算法进行验证实验。这台激光器的波长为1550 nm,3 dB线宽为785 Hz,通过一对加热电阻对FP微腔进行频率热调谐。实验结果表明:激光器硬件部分未作任何修改的情况下,改进后的算法在激光器原有驱动控制电路的单片机程序中实现了6 GHz的频率连续调谐范围。该工作为自注入锁定激光器提供一种简单高效且稳定性好的频率调谐方案,具有较高的实用性和市场前景。

小型化10 MHz恒温晶体振荡器设计

设计了用于高精度铷原子频标的一种小型化恒温压控晶体振荡器.振荡电路采用了稳定性好的并联型皮尔斯电路方案,采用2级?型LC级联滤波器抑制谐杂波,利用互补对称式金属-氧化物-半导体(CMOS)反相器实施隔离.振荡和放大电路选用了低噪声晶体管.晶体的温度控制在频率-温度曲线拐点处.实现了体积为4 mL晶振样件.晶振的短期频率稳定度为1.8?10-12/s,相噪对铷频标频率稳定度的贡献仅为3.2?10-13-1/2.