趙杏文 陳海軍 楊 林 韋 強 李東旭 李宇奧

(1.成都天奧電子股份有限公司，四川成都，611731；2.中國電子科技集團公司第12研究所，北京，100048)

1 引 言

銫原子頻率標準是產(chǎn)生和保持標準時間頻率信號的高精度電子儀器設備，與常用的銣原子頻率標準相比，其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在優(yōu)良的頻率準確度和中長期穩(wěn)定度，以及幾乎沒有漂移等方面，可作為守時鐘，廣泛應用于軍用標準時間的產(chǎn)生和保持、導航定位和精確打擊、電子對抗和敵我識別、保密通信、智能電網(wǎng)、計量測試等軍民領域。

目前，常用的商品化小型銫原子頻標有磁選態(tài)銫原子頻標和光抽運銫束原子頻標兩種類型[1,2]。對于光抽運銫原子頻標來說，半導體激光二極管的穩(wěn)頻效果決定了激光系統(tǒng)的長期頻率穩(wěn)定性，進而決定了整機的長期頻率穩(wěn)定度水平。利用傳統(tǒng)的飽和吸收光譜技術實現(xiàn)的激光穩(wěn)頻，穩(wěn)頻效果容易受到飽和吸收銫原子泡的工作溫度及溫控穩(wěn)定性、抽運激光和探測激光的入射角度及光強大小、飽和吸收銫原子泡周圍的電磁場等因素的影響，需針對飽和吸收銫原子泡采取多層精密溫控、磁屏蔽等諸多措施，提高激光穩(wěn)頻效果，整機穩(wěn)定度≤8.5E-14/d，無法充分發(fā)揮束狀頻標中長期穩(wěn)定度指標高的技術優(yōu)勢，也影響了整機的環(huán)境適應性。利用銫束管熒光信號進行穩(wěn)定激光輸出頻率，可規(guī)避飽和吸收穩(wěn)頻的缺陷，大幅提高激光系統(tǒng)的中長期頻率穩(wěn)定度和在復雜工程化環(huán)境下可靠運轉的能力。理論上由于F′=4→F=4不是循環(huán)躍遷，熒光信號小，激光穩(wěn)頻參考信號的信噪比低，可能影響銫原子鐘整機的短期穩(wěn)定度指標?；谝褜崿F(xiàn)的激光抽運小型銫原子頻標整機，搭建了桌面系統(tǒng)，開展銫束管熒光穩(wěn)頻試驗，取得較好的試驗結果。證明銫束管熒光穩(wěn)頻技術應用于激光抽運小型銫原子頻標，具有提高整機長期穩(wěn)定度指標和增強環(huán)境適應性的潛力。

2 銫束管熒光穩(wěn)頻原理

根據(jù)小型光抽運銫原子頻標的工作原理，提出開展激光穩(wěn)頻的必要性。通過對比兩種穩(wěn)頻方案(飽和吸收穩(wěn)頻與銫束管熒光穩(wěn)頻)，并調研國外同類產(chǎn)品關于穩(wěn)頻方案的選擇，認為采用銫束管熒光穩(wěn)頻是提高整機的中長期穩(wěn)定度指標和環(huán)境適應性的重要措施。

2.1 激光穩(wěn)頻的必要性

銫原子頻標是一種被動型原子頻標，其原理如圖1所示。

圖1 銫原子頻率標準原理框圖Fig.1 Principle block diagram of Cs beam frequency standard

其工作過程為：銫爐工作在100℃左右，銫原子從銫爐經(jīng)準直器泄流出來后，進行原子態(tài)制備，從基態(tài)F=4和F=3兩個能級中選出(或制備好)基態(tài)F=3能級的原子進入微波腔。在微波腔內，基態(tài)F=3能級的原子與微波相互作用，發(fā)生微波躍遷至基態(tài)F=4能級。之后，原子離開微波腔進入探測區(qū)，通過一定的物理過程對發(fā)生了微波躍遷的原子進行識別，光電探測器輸出原子躍遷信號。當微波頻率在銫原子基態(tài)F=3→F=4能級躍遷頻率9.192 163 177 0GHz附近掃描時，在探測器后就可觀察到銫原子的頻率響應信號?？刂葡到y(tǒng)把晶體振蕩器的頻率鎖定在該頻率響應信號上，形成一個閉合環(huán)路，從而使晶體振蕩器的輸出與銫原子躍遷譜線一樣穩(wěn)定。

根據(jù)133Cs原子基態(tài)F=3能級態(tài)制備和133Cs原子基態(tài)F=3→F=4能級躍遷探測方式的不同，小型銫原子頻標可分為傳統(tǒng)的磁選態(tài)銫束原子頻標和新型的光抽運銫原子頻標兩種類型。顧名思義，光抽運銫原子頻標是利用特定波長的激光實現(xiàn)原子態(tài)制備133Cs原子基態(tài)F=3能級態(tài)制備，特定波長的激光實現(xiàn)133Cs原子基態(tài)F=3→F′=4能級躍遷探測的。這兩束激光分別稱為“抽運激光”和“探測激光”。相比于較磁選態(tài)銫原子頻標，提高了原子利用率和Ramsey干涉條紋的信噪比，有利于提高整機的頻率穩(wěn)定度性能，是小型銫原子頻標的發(fā)展方向。

根據(jù)愛因斯坦提出的受激吸收理論，只有當激光的發(fā)光頻率等于原子能級躍遷頻率時，原子才會吸收此頻率的激光產(chǎn)生能級躍遷。因此，在光抽運銫原子頻標中，要想利用激光實現(xiàn)上述過程，抽運激光的頻率要鎖定在銫原子F=4→F′=4能級的躍遷譜線上，探測激光的頻率要鎖定在銫原子F=4→F′=5能級的躍遷譜線上，如圖2所示。

圖2 銫原子相關能級圖Fig.2 Energy diagram of Cs atom

要實現(xiàn)激光抽運銫原子頻標的工程化應用，首先要解決半導體激光二極管的長期連續(xù)穩(wěn)定工作問題，并實現(xiàn)其頻率和功率的高穩(wěn)定輸出。但是半導體激光二極管的輸出頻率受電流、工作溫度影響很大。對于我們所使用的半導體激光二極管，電調率為0.003nm/mA，溫調率為0.06nm/mK。雖然通過對半導體激光二極管采取多級高精密溫控，實現(xiàn)了對mK量級的溫控精度；采用負反饋加智能補償?shù)姆桨?，研制實現(xiàn)了μA量級的高精密恒流源。但由于半導體激光二極管的輸出頻率與溫控溫度和驅動電流的變化路徑有關，且由于老化因素的存在，工作點(獲得某一特定頻率，半導體激光二極管的工作溫度和工作電流)也不是一成不變的，因此必須在高精密溫控和高精度電流源基礎上，配合采用激光主動穩(wěn)頻技術[3]提高半導體激光二極管的頻率穩(wěn)定度。

2.2 兩種穩(wěn)頻方案比較

激光主控穩(wěn)頻是一個動態(tài)的平衡過程，即尋找一個穩(wěn)定的參考頻率，將半導體激光二極管的頻率與其進行實時比較，當判斷有偏差時，通過反饋機制將半導體激光二極管的頻率拉回來。

在激光器穩(wěn)頻技術中，參考頻率的選取方法有多種[4]。其中，以原子分子吸收譜線為參考頻率的方式最為常見。而在光抽運銫原子頻標中，獲得原子分子吸收譜線的方式有兩種：一是利用激光飽和吸收光譜技術，以此種方式實現(xiàn)的激光穩(wěn)頻稱為飽和吸收穩(wěn)頻(SAS)；另一個是采用銫束管內的熒光信號，以此方式實現(xiàn)的激光穩(wěn)頻稱為銫束管熒光穩(wěn)頻。

2.2.1激光飽和吸收穩(wěn)頻

基于激光飽和吸收光譜技術實現(xiàn)的激光穩(wěn)頻稱為“激光飽和吸收穩(wěn)頻”。激光飽和吸收光譜技術的原理是采用抽運激光和探測激光兩束激光，垂直相向打在銫原子泡上。在與銫原子相互作用過程中，速度為零的原子與抽運激光作用后產(chǎn)生飽和，從而對探測激光的吸收為零，形成飽和吸收光譜。原理詳見參考文獻[5]，原理框圖如圖3所示。

圖3 激光飽和吸收穩(wěn)頻原理框圖Fig.3 Principle block diagram of SAS

飽和吸收穩(wěn)頻效果容易受到外界因素及飽和吸收銫原子泡工作狀態(tài)的影響。在系統(tǒng)中，未對飽和吸收銫原子泡采取任何保護方式的情況下，整機的頻率穩(wěn)定度指標為1.06E-13/d。對銫原子泡進行精密溫控、多層磁屏蔽等方式，將整機的天穩(wěn)定度指標提升至7.1E-14/d。雖然稍有改善，但中長期穩(wěn)定度指標仍無法達到HP5071A高性能產(chǎn)品水平，無法滿足守時需要。如圖4所示，其中黑線表示飽和吸收銫原子泡未加溫控時的測試曲線；灰線表示飽和吸收銫原子泡加溫控后的測試曲線。

圖4 對飽和吸收銫原子泡采取溫控措施前后整機測試結果圖Fig.4 Frequency stability test results before and after temperature control for SAS Cs bubble

根據(jù)文獻[6]，若想繼續(xù)提高激光系統(tǒng)的穩(wěn)頻效果，則需要對飽和吸收銫原子泡采取更為苛刻的控制措施，且需要引入光纖，這種方式無法滿足工程化要求。

2.2.2銫束管熒光穩(wěn)頻

獲得原子(分子)躍遷參考信號的第二種方式是利用銫束管內的熒光信號，基于此方式實現(xiàn)的激光穩(wěn)頻稱為銫束管熒光穩(wěn)頻。銫束管內存在銫原子束，抽運激光打入抽運區(qū)，由于激光與原子束運動方向相互垂直，去除了一階多普勒效應的影響，沒有了多普勒背景信號。原子受激躍遷后自發(fā)輻射產(chǎn)生熒光，被熒光收集器受激之后，形成可以用于穩(wěn)定激光頻率的參考信號。熒光信號如圖5所示(灰線)，原理框圖如圖6所示。

圖5 熒光信號曲線圖Fig.5 Cesium beam fluorescence

采用銫束管熒光信號進行激光穩(wěn)頻可規(guī)避飽和吸收穩(wěn)頻存在的問題，從理論上講可大幅提高激光系統(tǒng)的中長期頻率穩(wěn)定度。

1)用于產(chǎn)生參考信號的銫原子置于銫束管內，有三層磁屏蔽包裹，雜散磁場強度<1mG，銫原子能級不受外界磁場干擾，譜線更穩(wěn)定；

2)銫束管為電真空結構，銫爐溫度控制更穩(wěn)定，因此銫原子束的強度也更穩(wěn)定；

3)銫原子束為自由運行的原子，沒有碰撞頻移，能級更穩(wěn)定。

經(jīng)過調研，國外同類產(chǎn)品多數(shù)也采用銫束管熒光穩(wěn)頻的方式，如法國計量局標準時間頻率實驗室(LPTF)的研制的光抽運銫原子頻標[7]，以及法國原子鐘實驗室(LHA)在歐空局(ESA)支持下為伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)研制的光抽運銫原子頻標[8]，和一些公司生產(chǎn)的商品型激光抽運小型銫原子頻標[9]。

圖6 銫束管熒光穩(wěn)頻原理框圖Fig.6 Principle Block Diagram of Laser-induced Fluorescence

圖7 LHA銫原子鐘原理框圖Fig.7 Principle block diagram of lha Cs atomic clock

3 試驗結果分析

基于上述考慮，我們在基于傳統(tǒng)的飽和吸收穩(wěn)頻實現(xiàn)的TA1000激光抽運小型銫原子頻標基礎上，對銫束管和激光系統(tǒng)進行了改進設計，開展了銫束管熒光穩(wěn)頻試驗研究。銫束管方面，在抽運區(qū)增加了一個熒光收集器，用于收集銫原子F′=4→F=4熒光信號，進行激光穩(wěn)頻。激光系統(tǒng)方面，由于采用銫束管熒光穩(wěn)頻，激光頻率鎖定在了銫原子F=4→F′=4躍遷譜線上，通過聲光調制器輸出F=4→F′=5探測激光。

初步試驗結果如圖8所示。其中短期頻率穩(wěn)定度指標并沒有明顯惡化；長期頻率穩(wěn)定度指標有明顯提升，比采用激光飽和吸收穩(wěn)頻方案，天穩(wěn)定度指標提高了1倍，達到3.21E-14。400 000s的頻率穩(wěn)定度指標達到小系數(shù)-14量級，并且仍然沒有達到閃變平臺。天穩(wěn)及以后的頻率穩(wěn)定度指標有了大幅提升，目前仍在繼續(xù)進行測試。

圖8 銫束管熒光穩(wěn)頻桌面系統(tǒng)試驗結果Fig.8 Preliminary results of the Cs atomic clock by laser-induced fluorescence

4 結束語

從上述分析結果可以看出，采用銫束管熒光穩(wěn)頻方案有助于提高小型光抽運銫束原子頻率標準的中長期穩(wěn)定度指標，這是后續(xù)研究工作的重點。在桌面系統(tǒng)聯(lián)調測試過程中，銫束管抽運區(qū)雜散原子偏多，并沒有形成理想的束狀分布，因此激光與各個方向運動的銫原子發(fā)生相互作用，還是有一定的多普勒背景信號的存在。下一步，將針對此問題開展技術攻關，實現(xiàn)銫束管熒光穩(wěn)頻樣機。