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。

国外空间原子钟发展研究

空间原子钟包括磁选态原子钟、脉冲光抽运原子钟、相干布居囚禁原子钟、离子阱原子钟和冷原子钟。文章介绍了这5类空间原子钟的发展情况,其中:磁选态原子钟是当前卫星导航系统广泛采用的空间原子钟;脉冲光抽运原子钟已经在美国GPS-3卫星上应用;相干布居囚禁原子钟是脉冲光抽运原子钟的一种特例,其优势在于体积小、质量小、功耗低;离子阱原子钟具有很高的精度,目前其天稳定度已经达到10^(-17);冷原子钟基于近绝对零度下原子的物理特性和量子光学测量技术,具有极高的准确度和稳定度,发展与应用前景广阔。分析了空间原子钟的发展趋势,如激光冷却、量子频率光学测量与环境控制,将成为空间原子钟发展的支撑性关键技术。针对我国空间原子钟的发展现状和技术水平,提出了挖掘现有原子钟潜力、瞄准原子钟前沿技术等建议。

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。

脉冲光抽运原子钟原子相位反馈研究

在基于Ramsey作用的原子钟里,受限于原子的相干时间及晶振的相位噪声,自由演化时间不能太长。提出了大失谐光无破坏测量方法,利用该方法获取了原子相位数据,并将其反馈到微波相位上,从而实现了原子相位反馈,有效地延长了自由演化时间。分别从理论和实验上验证了这种周期性反馈作用的可行性。

正交偏振探测技术型脉冲光抽运原子钟研究进展

介绍了本课题组新概念小型化星载原子钟的研究进展。利用已有的脉冲光抽运技术和独立提出的正交偏振探测技术,将原子钟的钟跃迁信号的对比度从一般吸收法的30%提高到将近100%。该方法主要探测的是光的振幅和相位的总变化,因而能有效提高探测灵敏度和信噪比,从而提高频率稳定度。实验结果表明,正交偏振探测技术原子钟的原子频率稳定度比相同条件下吸收法原子钟的原子频率稳定度提高一个量级;而且在实验的基础上,物理系统的温度稳定度、磁场电流稳定度和激光光强稳定度都能够提高一个量级,正交偏振探测技术原子钟的秒稳能达到1×10-13,天稳能优于1×10-15,将来可能进一步发展并取代氢钟。