长期稳定度2.6×10 ^(-16) 的工程化高可靠铷原子喷泉钟

随着喷泉钟运行可靠性的提升和激光技术的日趋成熟,喷泉钟不仅可以作为基准钟驾驭原子时标,提升原子时标的长期稳定度和准确度指标,还可以紧驾驭氢钟作为复合守时钟使用。铷原子的基态超精细能级跃迁作为次级秒定义,具有碰撞截面小,冷却激光运行可靠性高的优势,更加适合工程化。中国计量科学研究院研制的工程化铷原子喷泉钟采用双金属微波真空一体腔提升系统温度适应性,采用小型化光学系统和笼式结构探测光系统提升了运行可靠性,实现了铷喷泉钟长期准连续运行,年运行率达到97.5%。通过1年的比对测试,铷喷泉钟与NIM5铯喷泉钟频率比对的长期稳定度优于3.7×10^(-16),单台喷泉钟的长期频率稳定度优于2.6×10^(-16)。

温度对POP Rb原子钟性能影响的研究

从温度对缓冲气体碰撞频移和弛豫率的影响出发,对充有Ar和N2这2种缓冲气体的POP(pulsed optically pumped,脉冲激光抽运)汽泡式铷原子钟的温度特性进行了理论和实验研究。研究表明,Ar与N2的气压比为1.6时,60℃的线性温度系数为0;不同温度时,布居数差弛豫率1和相干弛豫率2各不相同,若1 2,则POP铷原子钟Ramsey条纹包络在微波场与原子跃迁失谐为0附近为凹陷,信噪比较差,反之,为凸起,信噪比较高。研究结果对设计POP原子钟的缓冲气体气压比和工作温度,以及提高POP原子钟的中长期稳定度有一定借鉴作用。

用于微小型化铷原子钟的MEMS Rb-85滤光泡的研究

研究并提出一种分析设计Rb气泡原子钟微型Rb-85滤光泡的方法。从量子物理出发,通过为Rb灯的发射光谱引入Lorentzian线形函数,得到一个滤光泡内的光强与入射光强的关系式,其中包含了跃迁系数,频移,谱线宽度等参数,通过研究确定这些参数并最终建立一个具有高吸收效率的滤光泡的理论模型。基于这种方法,我们设计了MEMS滤光泡,Rb-87灯射出的光谱经过该滤光泡后,90%多的α线被吸收,而β线则只衰减不到3%,因此,MEMS滤光泡不仅可以大幅度减小体积与功耗,其滤光效果也更为优越。

改进型最小二乘法的RBS时间同步算法

传统最小二乘法对奇异点比较敏感。当样本中存在奇异点时,不能客观反映数据的真实分布情况;而传统最小一乘法计算量太大,不能实时处理数据。针对经典RBS算法在确定节点本地时钟之间的相对时钟漂移率和偏移值时,采用传统最小二乘法会导致时钟同步收敛速度太慢的问题,提出了一种改进型的最小二乘法。该算法能够有效地识别和剔除样本容量中的奇异点。经试验证明,该方法能够改进节点之间的时钟同步效果和收敛速度。

微型铷原子钟专用795nm垂直腔表面发射激光器

针对铷(87 Rb)原子钟激励光源微型化和高温工作的特殊需求,设计并制备了对应铷原子能级跃迁的795nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)。首先,根据k·p理论计算了InAlGaAs/AlGaAs量子阱的价带能级和材料增益,得到最优的量子阱组分和厚度;然后,采用一维传输矩阵方法设计了795nm波段的布拉格反射器(DBR),根据完整结构VCSEL器件的驻波场分布设计了掺杂分布;最后,采用金属有机气相外延(MOVPE)技术生长了优化的795nm VCSEL外延结构,并制备了氧化限制型非闭合台面结构的795nm顶发射器件。实验显示:封装后的75μm口径器件可在室温至85℃范围内连续工作,最高功率为17mW,激光光束呈圆形,发散角为15°,激射波长的温漂系数为0.064nm/℃;在温度为52℃、注入电流为100mA时,激射波长位于794.7nm(对应铷原子钟需要的波长),基本满足铷原子钟激励光源对波长稳定和高温工作的要求。

一种原子钟系统的碱金属腔体制备技术

简要介绍了相干布局数囚禁(CPT)原子钟的实现机理,对构成原子钟系统的碱金属腔及其制作方法进行论述。在对几种不同的碱金属腔制备技术对比的基础上,研制成功了原子钟腔体的专用键合设备,并成功进行了Rb腔的制作,Rb腔测试结果表明:腔体键合质量良好,封装入的Rb元素较纯净,可用于原子钟系统。

CPT铷原子钟微波信号源设计

CPT原子钟由于其体积小、重量轻、功耗低等优点,广泛应用于通信、导航及数据传输等领域。设计基于数字锁相倍频技术,采用锁相环芯片ADF4350,根据CPT铷原子钟的需求实现了一种中心频率为3 417 MHz的微波信号源。经测试,信号源电路尺寸为30 mm×30 mm,功耗小于150 m W,输出微波功率范围为(-20^-5)d Bm,输出信号相位噪声与理论分析相符,杂散抑制满足设计要求,可用于CPT铷原子钟。

脉冲光抽运铷原子钟C场电流源分析设计

脉冲光抽运铷原子钟的稳定度会受到多种因素的影响,其中磁场就是重要的影响因素之一。分析了C场电流对脉冲光抽运铷原子钟稳定度的影响,利用差动放大器为核心设计研制了新型C场电流源。测试表明,电流源1 Hz和10 Hz处的噪声分别为3nA/Hz1/2和1.5nA/Hz1/2,电流相对起伏为2×10-5,温度漂移为5ppm/℃。它产生的C场对脉冲光抽运铷原子钟1s处稳定度的影响小于7×10-16,1ks处的影响小于1×10-16,10ks处的影响小于5.3×10-17。结果表明,该电流源的噪声、相对起伏和温度漂移等性能满足脉冲光抽运铷原子钟要求。

CPT原子钟铷原子汽室的优化及实验研究

基于CPT原子钟高稳定性的要求,利用已经设计加工的300μm厚薄铷原子汽室,选用Ar和Ne为缓冲气体,在总压强为10KP的前提下,研究了CPT信号的频率漂移率和它们之间压强比的关系。实验发现CPT信号的频率漂移率随Ar和Ne的比例变化呈钟形曲线分布,当Ar和Ne的比例为1:1.2或1.2:1时,CPT信号的频率漂移率为零。

小型频标与频率稳定度测量系统

在理解铷原子频标及时测量系统基本原理的前提下,提出了一种改进型的铷原子频标及频率测量系统,对该系统的设计方案进行了深入的剖析和讲解。分析各部件对系统频率稳定度的影响,设计出高精度的恒温控制压控石英振荡器、DDS频率源、调相电路、晶体管及阶跃二极管倍频电路、伺服电路等,优化电路设计和参数选择,实现优势组合与互补的铷原子频标系统。利用铷原子频标输出的标准频率信号作为测量系统的标准频率输入,引入DDS实现差拍法和多模式频差倍增法[1]相结合的方法,实现高精度的可测量各种频率的频率稳定度测量系统。

用于POP铷原子钟的DFB激光器自动稳频技术研究

针对传统手动稳频需要有人值守的弊端,基于饱和吸收谐波稳频的原理,设计了一套可实现对分布反馈式(distributed feedback,DFB)半导体激光器频率长期锁定的自动稳频系统。整套系统以STM32微控制器为核心,在此基础上进行自动稳频软件程序设计,具有体积小和抗干扰强的特点。经实验测试,该系统能够实现自动稳频,并在失锁后快速自动回锁。在实验室环境下,连续稳定工作超过一个月仍然保持锁定状态,失锁后能在1 s内重新锁定,锁定后线宽为5 MHz。作为抽运和探测光源,DFB激光器长期连续锁定的实现,为实现脉冲激光抽运(pulsed optically pumped,POP)铷原子钟在空间应用环境下长期无人干预稳定运行奠定了技术基础。

一种设定POP铷原子钟气泡工作温度的方法研究

原子气泡工作温度以不同的方式影响POP铷原子钟短期稳定度和长期稳定度,短期稳定度最优工作温度点与长期稳定度最优工作温度点越接近,原子钟稳定度越好。基于POP铷原子钟建立了温度-碰撞频移曲线测量系统,以微波探测法为例,介绍了一种高效简便的零温度系数点测量方法,测量了几种不同比例氮气和氩气的缓冲气体组合的原子气泡零温度系数点,给出了满足POP原子钟10-15长期Allan方差所需的控温精度,并分析了设计值与实验拐点位置差别的原因。最后,分析POPRamsey信号大小随温度的变化曲线,找到了符合短期稳定度的最优工作温度。

一种微型化铷原子钟

报道了一种微型化铷原子钟,它采用一种新型陶瓷填充微波腔来减小物理部分体积,其铷光谱灯采用升压电路以实现快速点亮,整机电子线路采用低电压技术,在国内首次对这类铷钟实现12 V直流供电,并且首次对这类铷钟加入与外秒同步的功能。该铷原子钟体积为190 mL,开机3 min后可实现锁定,锁定后频率稳定度为1.5×10-11/τ(1/2)(τ:1～1 000 s),稳态功耗为5.5 W。

基于数据融合的增强系统参考站外频标的设计

讨论了增强系统参考站的设备组成和运行,分析了参考站接收机授时信息的优缺点,设计了GPS授时信息1 PPS与铷原子钟输出数据的融合方案,在现有设备性能不变的基础上,使用新设计的数据融合方案,参考站外频标的短稳性能和长稳性能都得到了显著改善,实测试指标达到0.1μs/天,1 ms/年,接近小铯钟的水平。

基于升压匹配技术的射频铷灯发光研究

充有一定比例的铷原子和缓冲气体的射频无极灯可用于星载铷钟的量子态制备和态检测。因此,射频铷灯中不同成分物质的光谱特性将会直接影响量子态的泵浦效率。在实验室条件下,利用实验仪器搭建,可以自由改变射频激励功率和铷灯工作温度的谱灯发光实验平台,并首次利用升压匹配技术实现不同射频激励频率下的射频功率匹配。利用该实验平台可以便捷地研究灯泡工作温度、射频激励功率、射频激励频率等参数对铷灯发光强度的影响。实验表明,随着射频灯泡工作温度的上升,铷原子的780nm和795nm谱线强度先上升后下降,而780nm和795nm谱线强度之比I_(780)/I_(795)先下降后上升。因此,稀有气体发光强度在窄温度区间内快速下降。射频功率对于射频铷灯内不同成分发光谱线强度的影响与温度类似,而射频激励频率对铷原子和稀有气体发光强度的影响并不明显。

GPS/BDS星载原子钟的钟差预报

研究BDS/GPS不同卫星的钟差,是为了更好地分析我国自主研发的北斗导航系统。采用i GMAS观测站的数据,分析了三种不同轨道的BDS卫星和四种不同钟类型的GPS卫星。卫星钟差的精度直接影响导航系统定位的性能,因此卫星钟差的精度至关重要。此外,介绍多项式模型算法,对短期钟差预报进行了研究。结果表明,GPS系统的钟差精度优于BDS系统;GPS系统的铷(Rb)钟的钟差精度优于铯(Cs)钟。

应用Jones-Tryon Kalman滤波器对在轨GPS Rb钟进行状态监测

针对用于石英钟和GPS主控站原子钟状态监测的Jones-Tryon Kalman滤波器,尝试把其引入到在轨GPS Rb钟状态监测中去,结合哈达玛方差分析了其过程噪声和观测噪声协方差矩阵的确定方法,并讨论了滤波初值的选取,从而得到一个适合在轨GPS Rb钟状态监测的滤波器。算例表明,这种Jones-Tryon Kal-man滤波器可以较好地监测在轨GPS Rb钟的状态。

利用锁相环和TV-Rb钟控制飞秒激光脉冲的载波包络相移

为了实现对锁模飞秒钛宝石激光器的相位控制,采用改进的相移测量装置,使载波包络频移信号的信噪比提高到了40dB以上.在此优化测量结果的基础上,利用电子锁相环技术,通过PZT改变激光器腔内端镜的倾斜将飞秒激光脉冲的载波包络相位锁定到了微波参考源TV-Rb钟10MHz标准信号上,同时激光脉冲重复频率也采用另一个PZT控制激光腔长锁定到了同一个TV-Rb钟10MHz信号上.锁定后的结果显示重复频率的锁定达到了TV-Rb钟本身的稳定度,而载波包络相位锁定后比锁定前稳定度提高了三个数量级.

北斗在轨卫星钟中长期钟差特性分析

针对北斗在轨卫星Rb原子钟2013年的实测数据,采用二次多项式拟合得到BDS卫星钟差模型,采用哈达玛总方差公式计算了北斗卫星钟的短期频率稳定度指标,进而分析了北斗在轨卫星钟特性指标的变化规律。通过实例计算,揭示了BDS不同在轨卫星钟的相位、频率、频漂及残差指标的变化规律;计算得出BDS卫星钟万秒频率稳定度维持在10-13量级左右,其中GEO卫星钟的稳定度相对较差,4号和8号卫星在运行期间出现跳变,跳变之后稳定性得到提高,其他在轨卫星钟稳定度变化趋势则相对平稳。

原子干涉重力测量系统激光频率溯源研究

原子干涉重力测量系统的激光频率需要精确测量。采用1560nm激光,其频率锁定在飞秒光梳的梳齿频率上,经过光纤传递至铷原子干涉重力测量系统端,通过倍频产生780nm与待测激光拍频,实现激光频率测量。该方案可以实现远距离测量激光频率,具有更高的信噪比,通过北斗伺服铷钟作为频率参考,激光频率测量扩展不确定度达到1.3×10^-12(k=2),完全满足原子干涉重力测量系统的需求。