采用銫束管熒光穩(wěn)頻技術(shù)的小型光抽運(yùn)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)

趙杏文 陳海軍 楊 林 韋 強(qiáng) 李東旭 李宇?yuàn)W

(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(tuán)公司第12研究所，北京，100048)

1 引 言

銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)生和保持標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)的高精度電子儀器設(shè)備，與常用的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)相比，其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在優(yōu)良的頻率準(zhǔn)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(shí)鐘，廣泛應(yīng)用于軍用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的產(chǎn)生和保持、導(dǎo)航定位和精確打擊、電子對(duì)抗和敵我識(shí)別、保密通信、智能電網(wǎng)、計(jì)量測(cè)試等軍民領(lǐng)域。

目前，常用的商品化小型銫原子頻標(biāo)有磁選態(tài)銫原子頻標(biāo)和光抽運(yùn)銫束原子頻標(biāo)兩種類型[1,2]。對(duì)于光抽運(yùn)銫原子頻標(biāo)來說，半導(dǎo)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(jìn)而決定了整機(jī)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(shù)實(shí)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(yùn)激光和探測(cè)激光的入射角度及光強(qiáng)大小、飽和吸收銫原子泡周圍的電磁場(chǎng)等因素的影響，需針對(duì)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(jī)穩(wěn)定度≤8.5E-14/d，無法充分發(fā)揮束狀頻標(biāo)中長期穩(wěn)定度指標(biāo)高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也影響了整機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。利用銫束管熒光信號(hào)進(jìn)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(fù)雜工程化環(huán)境下可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。理論上由于F′=4→F=4不是循環(huán)躍遷，熒光信號(hào)小，激光穩(wěn)頻參考信號(hào)的信噪比低，可能影響銫原子鐘整機(jī)的短期穩(wěn)定度指標(biāo)?；谝褜?shí)現(xiàn)的激光抽運(yùn)小型銫原子頻標(biāo)整機(jī)，搭建了桌面系統(tǒng)，開展銫束管熒光穩(wěn)頻試驗(yàn)，取得較好的試驗(yàn)結(jié)果。證明銫束管熒光穩(wěn)頻技術(shù)應(yīng)用于激光抽運(yùn)小型銫原子頻標(biāo)，具有提高整機(jī)長期穩(wěn)定度指標(biāo)和增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的潛力。

2 銫束管熒光穩(wěn)頻原理

根據(jù)小型光抽運(yùn)銫原子頻標(biāo)的工作原理，提出開展激光穩(wěn)頻的必要性。通過對(duì)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(diào)研國外同類產(chǎn)品關(guān)于穩(wěn)頻方案的選擇，認(rèn)為采用銫束管熒光穩(wěn)頻是提高整機(jī)的中長期穩(wěn)定度指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性的重要措施。

2.1 激光穩(wěn)頻的必要性

銫原子頻標(biāo)是一種被動(dòng)型原子頻標(biāo)，其原理如圖1所示。

圖1 銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)直器泄流出來后，進(jìn)行原子態(tài)制備，從基態(tài)F=4和F=3兩個(gè)能級(jí)中選出(或制備好)基態(tài)F=3能級(jí)的原子進(jìn)入微波腔。在微波腔內(nèi)，基態(tài)F=3能級(jí)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(jí)。之后，原子離開微波腔進(jìn)入探測(cè)區(qū)，通過一定的物理過程對(duì)發(fā)生了微波躍遷的原子進(jìn)行識(shí)別，光電探測(cè)器輸出原子躍遷信號(hào)。當(dāng)微波頻率在銫原子基態(tài)F=3→F=4能級(jí)躍遷頻率9.192 163 177 0GHz附近掃描時(shí)，在探測(cè)器后就可觀察到銫原子的頻率響應(yīng)信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)把晶體振蕩器的頻率鎖定在該頻率響應(yīng)信號(hào)上，形成一個(gè)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(jí)態(tài)制備和133Cs原子基態(tài)F=3→F=4能級(jí)躍遷探測(cè)方式的不同，小型銫原子頻標(biāo)可分為傳統(tǒng)的磁選態(tài)銫束原子頻標(biāo)和新型的光抽運(yùn)銫原子頻標(biāo)兩種類型。顧名思義，光抽運(yùn)銫原子頻標(biāo)是利用特定波長的激光實(shí)現(xiàn)原子態(tài)制備133Cs原子基態(tài)F=3能級(jí)態(tài)制備，特定波長的激光實(shí)現(xiàn)133Cs原子基態(tài)F=3→F′=4能級(jí)躍遷探測(cè)的。這兩束激光分別稱為“抽運(yùn)激光”和“探測(cè)激光”。相比于較磁選態(tài)銫原子頻標(biāo)，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(jī)的頻率穩(wěn)定度性能，是小型銫原子頻標(biāo)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(dāng)激光的發(fā)光頻率等于原子能級(jí)躍遷頻率時(shí)，原子才會(huì)吸收此頻率的激光產(chǎn)生能級(jí)躍遷。因此，在光抽運(yùn)銫原子頻標(biāo)中，要想利用激光實(shí)現(xiàn)上述過程，抽運(yùn)激光的頻率要鎖定在銫原子F=4→F′=4能級(jí)的躍遷譜線上，探測(cè)激光的頻率要鎖定在銫原子F=4→F′=5能級(jí)的躍遷譜線上，如圖2所示。

圖2 銫原子相關(guān)能級(jí)圖Fig.2 Energy diagram of Cs atom

要實(shí)現(xiàn)激光抽運(yùn)銫原子頻標(biāo)的工程化應(yīng)用，首先要解決半導(dǎo)體激光二極管的長期連續(xù)穩(wěn)定工作問題，并實(shí)現(xiàn)其頻率和功率的高穩(wěn)定輸出。但是半導(dǎo)體激光二極管的輸出頻率受電流、工作溫度影響很大。對(duì)于我們所使用的半導(dǎo)體激光二極管，電調(diào)率為0.003nm/mA，溫調(diào)率為0.06nm/mK。雖然通過對(duì)半導(dǎo)體激光二極管采取多級(jí)高精密溫控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)mK量級(jí)的溫控精度；采用負(fù)反饋加智能補(bǔ)償?shù)姆桨?，研制?shí)現(xiàn)了μA量級(jí)的高精密恒流源。但由于半導(dǎo)體激光二極管的輸出頻率與溫控溫度和驅(qū)動(dòng)電流的變化路徑有關(guān)，且由于老化因素的存在，工作點(diǎn)(獲得某一特定頻率，半導(dǎo)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(chǔ)上，配合采用激光主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)[3]提高半導(dǎo)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(gè)動(dòng)態(tài)的平衡過程，即尋找一個(gè)穩(wěn)定的參考頻率，將半導(dǎo)體激光二極管的頻率與其進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，當(dāng)判斷有偏差時(shí)，通過反饋機(jī)制將半導(dǎo)體激光二極管的頻率拉回來。

在激光器穩(wěn)頻技術(shù)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(yùn)銫原子頻標(biāo)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(shù)，以此種方式實(shí)現(xiàn)的激光穩(wěn)頻稱為飽和吸收穩(wěn)頻(SAS)；另一個(gè)是采用銫束管內(nèi)的熒光信號(hào)，以此方式實(shí)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(shù)實(shí)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(shù)的原理是采用抽運(yùn)激光和探測(cè)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(yùn)激光作用后產(chǎn)生飽和，從而對(duì)探測(cè)激光的吸收為零，形成飽和吸收光譜。原理詳見參考文獻(xiàn)[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(duì)飽和吸收銫原子泡采取任何保護(hù)方式的情況下，整機(jī)的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)為1.06E-13/d。對(duì)銫原子泡進(jìn)行精密溫控、多層磁屏蔽等方式，將整機(jī)的天穩(wěn)定度指標(biāo)提升至7.1E-14/d。雖然稍有改善，但中長期穩(wěn)定度指標(biāo)仍無法達(dá)到HP5071A高性能產(chǎn)品水平，無法滿足守時(shí)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(shí)的測(cè)試曲線；灰線表示飽和吸收銫原子泡加溫控后的測(cè)試曲線。

圖4 對(duì)飽和吸收銫原子泡采取溫控措施前后整機(jī)測(cè)試結(jié)果圖Fig.4 Frequency stability test results before and after temperature control for SAS Cs bubble

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，若想繼續(xù)提高激光系統(tǒng)的穩(wěn)頻效果，則需要對(duì)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(hào)的第二種方式是利用銫束管內(nèi)的熒光信號(hào)，基于此方式實(shí)現(xiàn)的激光穩(wěn)頻稱為銫束管熒光穩(wěn)頻。銫束管內(nèi)存在銫原子束，抽運(yùn)激光打入抽運(yùn)區(qū)，由于激光與原子束運(yùn)動(dòng)方向相互垂直，去除了一階多普勒效應(yīng)的影響，沒有了多普勒背景信號(hào)。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(hào)。熒光信號(hào)如圖5所示(灰線)，原理框圖如圖6所示。

圖5 熒光信號(hào)曲線圖Fig.5 Cesium beam fluorescence

采用銫束管熒光信號(hào)進(jìn)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(hào)的銫原子置于銫束管內(nèi)，有三層磁屏蔽包裹，雜散磁場(chǎng)強(qiáng)度<1mG，銫原子能級(jí)不受外界磁場(chǎng)干擾，譜線更穩(wěn)定；

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

3)銫原子束為自由運(yùn)行的原子，沒有碰撞頻移，能級(jí)更穩(wěn)定。

經(jīng)過調(diào)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(jì)量局標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率實(shí)驗(yàn)室(LPTF)的研制的光抽運(yùn)銫原子頻標(biāo)[7]，以及法國原子鐘實(shí)驗(yàn)室(LHA)在歐空局(ESA)支持下為伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研制的光抽運(yùn)銫原子頻標(biāo)[8]，和一些公司生產(chǎn)的商品型激光抽運(yùn)小型銫原子頻標(biāo)[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(yàn)結(jié)果分析

基于上述考慮，我們?cè)诨趥鹘y(tǒng)的飽和吸收穩(wěn)頻實(shí)現(xiàn)的TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子頻標(biāo)基礎(chǔ)上，對(duì)銫束管和激光系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，開展了銫束管熒光穩(wěn)頻試驗(yàn)研究。銫束管方面，在抽運(yùn)區(qū)增加了一個(gè)熒光收集器，用于收集銫原子F′=4→F=4熒光信號(hào)，進(jìn)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(diào)制器輸出F=4→F′=5探測(cè)激光。

初步試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。其中短期頻率穩(wěn)定度指標(biāo)并沒有明顯惡化；長期頻率穩(wěn)定度指標(biāo)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(biāo)提高了1倍，達(dá)到3.21E-14。400 000s的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)達(dá)到小系數(shù)-14量級(jí)，并且仍然沒有達(dá)到閃變平臺(tái)。天穩(wěn)及以后的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)有了大幅提升，目前仍在繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試。

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

4 結(jié)束語

從上述分析結(jié)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(yùn)銫束原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的中長期穩(wěn)定度指標(biāo)，這是后續(xù)研究工作的重點(diǎn)。在桌面系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試過程中，銫束管抽運(yùn)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(gè)方向運(yùn)動(dòng)的銫原子發(fā)生相互作用，還是有一定的多普勒背景信號(hào)的存在。下一步，將針對(duì)此問題開展技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)銫束管熒光穩(wěn)頻樣機(jī)。