铷原子频标TE_(111)微波腔的仿真分析及实验

使用AnsoftHFSS软件建立铷原子频标微波腔内加载集成泡的模型,仿真并分析了集成泡尺寸和安装位置对腔体谐振频率的影响,最后进行了实验验证。结果表明,仿真得出的结论和实验结果有一定的一致性,加载不同尺寸集成泡对微波腔谐振频率影响明显并且呈一定规律分布,这对于中微波腔的设计具有重要的参考价值。

积分球冷原子钟一体化激光冷却与探测微波腔研究

积分球冷原子钟是一种具有代表性的小型化高精度冷原子钟,其目前亟需解决的关键问题之一是提高微波腔内的冷原子利用率,从而继续提高频率稳定度等技术指标。本文提出了一种新型的积分球冷原子钟一体化激光冷却与探测微波腔,该微波腔整体结构呈圆柱形,不仅通过在微波腔内表面处加载透明微波介质壁形成大范围均匀微波场,而且通过不同注光方式形成各向同性光场,分别进行漫反射激光冷却和弥散吸收探测。通过这种新颖的改进方式,微波腔作为一体化装置,具有大范围均匀微波场振荡、漫反射激光冷却和弥散吸收探测3种功能。在该微波腔中,微波腔内的冷原子均可以参与微波钟跃迁并被探测到,即冷原子利用率可以得到大幅度提高。

一种双频基片集成波导介电常数测试系统

为了同时测量不同频率下的复介电常数,设计了一种基于基片集成波导结构可工作于S和C波段的双频介电常数测量系统,在2.45和5.85 GHz附近可同时测量待测物的复介电常数。该测试系统的传感器包含2个按对角线级联的正方形谐振腔、2条测试缝隙以及一段微带馈电耦合结构。2条缝隙的工作波段相互独立,待测物接触传感器表面的2条缝隙影响系统的谐振频率和品质因数,基于人工神经网络的反演获得待测物复介电常数。仿真数据作为训练人工神经网络的样本,验证阶段,使用不同浓度的乙醇与水混合溶液检验传感器准确性,与理论值相比,在2.45 GHz时介电常数实部和虚部的测试结果最大相对误差为1.98%和1.28%,5.85 GHz时分别为2.15%和2.68%,该传感器具有较高的精度及双频测量特性。

一种介质集成悬置线结构的介电常数测量装置

为进一步提高介质复介电常数测量精度和范围,本文提出了一种工作于C波段的基于介质集成悬置线(SISL)结构的复介电常数测量装置。该装置具有小巧精致、成本低、精度高和适用范围广等特点,探头由部分镂空的5层介质板黏合而成的谐振腔、测量加载缝和馈电耦合3部分构成,工作的基本原理是通过上盖板面缝隙引入待测样品带来的腔内电磁场分布扰动,从而得到频率和品质因数(Q值)的变化,并使用仿真数据训练过的人工神经网络(ANN)对上述变化量进行反演,得到待测介质节点常数数值。在水–乙醇二元混合溶液的实验中,结果与理论数值实部误差3.75%,虚部误差1.75%,具有较高的测量精度。

应用于积分球冷原子钟的窄线宽激光稳频系统

通过调制转移光谱稳频的方式,将外腔半导体激光器频率锁定于^(87)Rb原子D_(2)线超精细跃迁5^(2)S_(1/2),F=2→5^(2)P_(3/2),F=3,使激光器线宽由自由运转的382.18 kHz压窄至稳频后的37.94 kHz。稳频后的窄线宽激光用于积分球冷原子钟的探测光,可以将激光频率噪声对原子钟短期稳定度的影响降低至5.6×10^(-14)τ^(-1/2)。

积分球与微波腔一体化装置的研制

首先对一体化的积分球微波腔进行了论证,然后进行了设计、仿真和加工实测。采用单端环耦合的方式进行微波激励,分别对从圆柱腔的端面及侧面耦合的方式进行了仿真,结果发现在圆柱腔侧面耦合能得到较好的场型分布。实现了通过微调耦合环的方式进行模式选择的新方法,这种方法简便易行,且能有效减小微波腔的体积。测试结果表明设计的微波腔体积小、结构稳定,能同时满足积分球冷却和微波腔的功能要求即实现了积分球与微波腔一体化的要求,更重要的是一体化结构不需要使用漫反射涂料,不会影响腔的模式及场型分布,有利于提高钟信号的信噪比和对比度。

微波腔镀银实现漫反射冷却的实验研究

观测到了使用镀银微波腔产生漫反射光场冷却原子的信号,完成了微波腔与积分球一体化的最后一步。这种冷却方式结构更加简单,且没有涂料,不会对微波场场型造成影响,有利于钟信号的信噪比及对比度提高。同时测试了微波腔冷却在不同冷却光注入方案、漫反射系数及腔表面开孔尺寸下的冷却性能。结果表明端面注入冷却光是目前获得更多冷原子数目的方法,提高腔表面的漫反射系数,可以显著提高冷原子数目。为了充分利用积分球内的冷原子,采用了10mm的通光孔径,测试了不同通光孔径对冷原子信号的影响,证实了目前较大的通光孔径不会影响到冷原子数。