被動(dòng)型微波原子鐘鐘躍遷譜線測(cè)量技術(shù)研究

趙春勃，張榮彥，張強(qiáng)，杜二旺，賀玉玲，蒙艷松

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院，西安 710100；2.空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100）

0 引言

被動(dòng)型微波原子鐘包括銣原子鐘、銫原子鐘、被動(dòng)型氫原子鐘、離子微波鐘等，其具有穩(wěn)定度好、可靠性高、體積小以及重量輕等特點(diǎn)，作為時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航、編隊(duì)飛行衛(wèi)星、地面授時(shí)、計(jì)量守時(shí)以及關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的諸多重要部門和領(lǐng)域，成為我國(guó)科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)進(jìn)步的重要支撐。

根據(jù)量子力學(xué)基本原理可知[1]，理想的原子、離子或者分子具有只依賴于基本物理常數(shù)的離散量子態(tài)，不同量子態(tài)之間的躍遷會(huì)伴隨著輻射或者吸收相應(yīng)能量的電磁信號(hào)，該躍遷信號(hào)在頻域表現(xiàn)為極其穩(wěn)定的頻率，線寬窄且具有特定線型的躍遷曲線，因此可以被用作頻率參考標(biāo)準(zhǔn)。被動(dòng)型微波原子鐘是以通過(guò)處于微波電磁波段的原子超精細(xì)能級(jí)躍遷譜線作為頻率參考，利用伺服電路系統(tǒng)使本地晶振頻率鎖定在鐘躍遷頻率附近的一種精密儀器。因此，對(duì)于被動(dòng)型微波原子鐘研制來(lái)說(shuō)，一個(gè)核心任務(wù)就是如何高效精確地提取、測(cè)量原子鐘鐘躍遷譜線，從而為進(jìn)一步優(yōu)化物理環(huán)境參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

本文以通用高性能儀器為基礎(chǔ)成功建立了擴(kuò)展型強(qiáng)的原子鐘譜線測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)銣原子鐘、銫原子鐘、被動(dòng)型氫原子鐘以及汞離子鐘鐘躍遷譜線的精密測(cè)量，為新型微波原子鐘的快速開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 測(cè)量原理與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 原子鐘鐘躍遷譜線提取原理

從量子力學(xué)原理可知，原子躍遷譜線的曲線線型一般為洛倫茲函數(shù)[2]：

式（1）中，Δf0為吸收線寬，f為探尋微波頻率，g(f)為原子躍遷信號(hào)。一般情況下原子躍遷信號(hào)都非常微弱，淹沒(méi)在噪聲中，需要通過(guò)調(diào)制-解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的提取。在調(diào)制過(guò)程中分為兩種情況：

① 當(dāng)探尋微波被小信號(hào)調(diào)幅時(shí)，躍遷譜線曲線變?yōu)間(f)sin(ωt+φ)，其中ω為調(diào)幅調(diào)制圓頻率，φ為調(diào)制信號(hào)相位。為了獲得g(f)信號(hào)，一般通過(guò)同步鑒相來(lái)提取，假設(shè)同步參考信號(hào)為grsin(ωt+φ0)，其中g(shù)r為參考信號(hào)的幅度值，鑒相過(guò)程等效于模擬乘法器，通過(guò)三角函數(shù)積化和差公式得：

通過(guò)低通濾波器變?yōu)?/p>

該信號(hào)與原子躍遷信號(hào)成比例，易知通過(guò)掃描微波頻率即可獲得原子躍遷曲線。

② 當(dāng)探尋微波被小信號(hào)調(diào)頻時(shí)，微波頻率在f0的附近作正弦變化，即

式（4）中，fm為調(diào)制深度，ω為調(diào)制圓頻率。光強(qiáng)信號(hào)在f0附近用泰勒展開(kāi)可得：

式（5）中，g(1)(f0)，g(2)(f0)為一、二階導(dǎo)數(shù)。按倍角公式整理得：

由上述推導(dǎo)可知，當(dāng)微波激勵(lì)信號(hào)在鐘躍遷譜線中心附近變化時(shí)，物理部分輸出信號(hào)由調(diào)制信號(hào)的各次諧波組成，且各次諧波分量的系數(shù)與躍遷譜線函數(shù)的相應(yīng)階數(shù)導(dǎo)數(shù)成正比。當(dāng)調(diào)制信號(hào)遠(yuǎn)小于共振帶寬時(shí)，即fm?Δf0，高階項(xiàng)可以忽略，即可認(rèn)為原子鐘物理部分輸出信號(hào)與調(diào)制信號(hào)的基波成正比，基波對(duì)于譜線中心頻率成反對(duì)稱分布，被動(dòng)型原子鐘正是利用基波的這種特性來(lái)判斷微波信號(hào)偏離中心頻率的方向和程度的。同樣假設(shè)參考頻率為grsin(ωt+φ0)，則鐘躍遷譜線信號(hào)濾除直流后近似為fmg(1)(f0)sin(ωt)。利用三角函數(shù)積化和差公式后變?yōu)?/p>

然后進(jìn)一步通過(guò)低通濾波后變?yōu)?/p>

易知通過(guò)逐點(diǎn)掃描微波中心頻率，就可以獲得鐘躍遷譜線的導(dǎo)數(shù)曲線，也即S鑒頻曲線。

以上就是原子鐘鐘躍遷譜線提取的基本原理，雖然這里介紹的調(diào)制解調(diào)信號(hào)都是以連續(xù)正弦信號(hào)形式為例來(lái)進(jìn)行闡述的，但是同步鑒相提取微弱信號(hào)的基本思想具有普遍性，很容易推廣到方波或者脈沖信號(hào)形式的調(diào)制與解調(diào)。

對(duì)于本文中討論的銣原子鐘、被動(dòng)型氫原子鐘的鐘躍遷信號(hào)的測(cè)量，微波探尋信號(hào)的調(diào)制信號(hào)采用幅度較小的連續(xù)信號(hào)，而對(duì)于汞離子鐘時(shí)序型系統(tǒng)，需采用脈沖調(diào)制與解調(diào)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。銣原子鐘鐘躍遷譜線提取過(guò)程較為簡(jiǎn)單，這是由于銣原子鐘物理部分的輸出信號(hào)為頻率等于調(diào)制頻率的光檢測(cè)信號(hào)（一般為100 Hz左右），該低頻光檢信號(hào)可以直接通過(guò)鎖相放大器同步解調(diào)從而獲得鐘躍遷譜線；但對(duì)于被動(dòng)型氫原子鐘鐘躍遷譜線的測(cè)量，氫原子鐘物理部分輸出信號(hào)具有與探尋微波信號(hào)一致的載波頻率，因此無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)解調(diào)。一般情況下，首先要通過(guò)微波接收機(jī)實(shí)現(xiàn)氫原子鐘物理部分輸出的高頻信號(hào)（約1.4 GHz）的超外差接收，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l的信號(hào)（約12.5 kHz）后再利用調(diào)制解調(diào)原理才能實(shí)現(xiàn)色散誤差曲線的提?。粚?duì)于汞離子鐘微波探尋信號(hào)的調(diào)制信號(hào)為脈沖信號(hào)，物理部分經(jīng)過(guò)微波探尋后通過(guò)熒光進(jìn)行收集，所以輸出為與調(diào)制信號(hào)同周期的熒光脈沖，然后通過(guò)光子計(jì)數(shù)器同步解調(diào)實(shí)現(xiàn)熒光信號(hào)的測(cè)量，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行方波調(diào)頻和解調(diào)才能實(shí)現(xiàn)鑒頻曲線的測(cè)量。下面將分別對(duì)銣原子鐘、被動(dòng)型氫原子鐘以及汞離子鐘三種比較有代表性的微波原子鐘鐘躍遷譜線的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行介紹。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

被動(dòng)型微波原子鐘鐘躍遷譜線測(cè)量及閉環(huán)系統(tǒng)的基本構(gòu)成示意圖如圖1所示[3]，微波信號(hào)源E8267D功能是產(chǎn)生接近于物理部分原子躍遷頻率的微波探詢信號(hào)，該信號(hào)源覆蓋44 GHz的微波頻率，并且具備調(diào)頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制等功能，能夠覆蓋銣原子鐘、銫原子鐘、被動(dòng)型氫原子鐘以及汞離子鐘的原子譜線微波探尋頻率的需求，并且具有外部壓控實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)的功能，從而為原子鐘閉環(huán)鎖定奠定了基礎(chǔ)；頻譜分析儀N9030B的功能是實(shí)現(xiàn)物理部分響應(yīng)信號(hào)的下變頻及幅度檢波作用（被動(dòng)型氫原子鐘適用），通過(guò)外差式接收機(jī)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)氫原子鐘物理部分1.4 GHz微波調(diào)幅信號(hào)的變頻作用，對(duì)于銣原子鐘、銫原子鐘物理部分，由于通過(guò)光電轉(zhuǎn)換使輸出信號(hào)已經(jīng)變?yōu)轭l率為調(diào)制頻率信號(hào)的情況下不需要此儀器；鎖相放大器SR830的功能主要是實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的提取功能，通過(guò)與微波信號(hào)源共同的頻率調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)上文原理中的同步鑒相作用，提取到原子鐘鐘躍遷譜線信號(hào)或誤差S曲線信號(hào)；PID控制器的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖相輸出誤差信號(hào)的放大、比例等處理，最終達(dá)到環(huán)路的閉環(huán)鎖定與原子鐘整機(jī)性能驗(yàn)證的目的。

圖1 被動(dòng)型微波原子鐘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 銣原子鐘鐘躍遷譜線測(cè)量

高精度銣原子鐘被廣泛地應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航以及高速通信、計(jì)量守時(shí)等領(lǐng)域，是應(yīng)用最廣泛的原子鐘之一。因此，本文首先以銣原子鐘物理部分為測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行了銣原子鐘鐘躍遷譜線的測(cè)量技術(shù)研究，搭建的實(shí)物如圖2所示。圖2左邊為正在測(cè)試中的S曲線，右邊為閉環(huán)鎖定后的實(shí)物圖，圖中金色部分為銣原子鐘物理部分，安捷倫N6705B為銣原子鐘物理部分供電。為了精確測(cè)量銣原子譜線的特性，實(shí)驗(yàn)中采用主動(dòng)型氫原子鐘作為微波信號(hào)源的頻率參考，通過(guò)軟件控制信號(hào)源中心頻率在銣原子鐘躍遷譜線附近進(jìn)行掃描，在功率為-32 dBm時(shí)，通過(guò)小信號(hào)調(diào)幅獲得了銣原子鐘躍遷譜線，如圖3（a）所示。其中黑色曲線為原始數(shù)據(jù)，紅色為洛倫茲擬合曲線。從擬合結(jié)果容易看出，線型與洛倫茲線型高度一致，從擬合數(shù)據(jù)得到中心頻率為6 834.687 520 MHz，線寬為400 Hz，清晰地證明了該方法的有效性。圖3（b）為通過(guò)82 Hz調(diào)頻和鎖相放大器解調(diào)后的鐘躍遷鑒頻曲線，紅色曲線為洛倫茲函數(shù)的一階微分?jǐn)M合曲線，從圖中可以看到過(guò)零點(diǎn)，因此該信號(hào)可以被用于后續(xù)閉環(huán)鎖定。

圖2 銣原子鐘鐘躍遷譜線測(cè)量及閉環(huán)實(shí)物圖

圖3 銣原子鐘典型測(cè)試結(jié)果

為了進(jìn)一步利用信號(hào)源多種調(diào)制功能的優(yōu)勢(shì)，本文還研究了鑒頻曲線與微波功率、調(diào)制頻率、調(diào)制深度的變化規(guī)律，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。圖4（a）是采用方波調(diào)頻，調(diào)制頻率42 Hz，調(diào)制深度110 Hz，當(dāng)微波功率分別為-25、-29和-32 dBm時(shí)的鑒頻曲線圖?？梢钥闯霎?dāng)微波功率較弱時(shí)，鑒頻曲線的鑒頻斜率隨微波功率增加而增大；當(dāng)微波功率超過(guò)一定值時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生飽和增寬，鑒頻斜率隨微波功率增加而下降。采用方波調(diào)頻，微波功率-32 dBm，調(diào)制深度220 Hz，當(dāng)調(diào)制頻率分別為42 Hz、82 Hz和127 Hz時(shí)，測(cè)得鑒頻曲線如圖 4（b）所示。從圖上可以看出，在中心頻率附近處，鑒頻斜率變化不大，所以鑒頻斜率對(duì)調(diào)制頻率不太敏感，實(shí)際使用時(shí)選擇的范圍較大?？傊疚乃龅姆椒梢宰鳛檠芯裤溤隅姷难芯科脚_(tái)，為物理部分的精細(xì)快速調(diào)試提供了很好的技術(shù)手段，并且容易推廣到銫原子譜線的測(cè)量與優(yōu)化中。最后，通過(guò)PID控制器容易實(shí)現(xiàn)頻率環(huán)路的閉環(huán)鎖定。

圖4 銣原子鐘鑒頻曲線影響規(guī)律

3 被動(dòng)型氫原子鐘鐘躍遷譜線測(cè)量

被動(dòng)型氫原子鐘由于具有較高的頻率穩(wěn)定度、極低的頻率漂移率，也被廣泛地應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航、地面守時(shí)、計(jì)量測(cè)試、高速通信等領(lǐng)域，因此本文也對(duì)基于單頻調(diào)制的被動(dòng)型氫原子鐘鐘躍遷曲線的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了探索。單頻調(diào)制被動(dòng)型氫原子鐘僅采用一個(gè)高速調(diào)制信號(hào)（約12.5 kHz）即可同時(shí)提取和分離出原子頻率色散誤差信號(hào)和諧振腔誤差信號(hào)，解決了雙調(diào)制方案中的環(huán)路匹配問(wèn)題，因此被廣泛地研究和應(yīng)用[4-7]。雖然其微波探尋信號(hào)為調(diào)相信號(hào)，形式并不復(fù)雜，但其鐘躍遷譜線的提取與測(cè)量還是具有挑戰(zhàn)性的[7]。

目前對(duì)于被動(dòng)型氫原子鐘色散曲線的提取、分離都是基于定制電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，該過(guò)程需要根據(jù)物理部分參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)，一般需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試并且不具有通用性，很難滿足不同被動(dòng)型氫原子鐘的快速測(cè)量與多參數(shù)研究。本文在銣原子鐘鐘躍遷譜線測(cè)量研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)單頻調(diào)制被動(dòng)型氫原子鐘原理的仔細(xì)分析，按照如圖1所示巧妙利用頻譜分析儀的超外差接收原理和視頻輸出功能，創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)型氫原子鐘輸出的1.4 GHz調(diào)幅信號(hào)的低噪聲放大、下變頻和檢波三種功能，獲得了12.5 kHz的誤差信號(hào)的高效提取。然后，通過(guò)鎖相放大器同步解調(diào)實(shí)現(xiàn)了色散曲線和腔頻誤差信號(hào)的分離和測(cè)量，搭建的裝置如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中氫原子鐘物理部分采用VCH-1008作為測(cè)試對(duì)象，頻譜儀采用安捷倫N9030B頻譜分析儀，頻譜儀的帶寬設(shè)置為0 Hz，中心頻率設(shè)置為氫原子鐘物理部分輸出信號(hào)的載波頻率1 420.405 751 5 MHz，濾波器類型可使用Flattop濾波器（避免接收機(jī)引入調(diào)相噪聲到幅度噪聲的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生假的誤差信號(hào)）。該方法充分挖掘現(xiàn)有高性能儀器的功能，快速解決了被動(dòng)型氫原子鐘色散誤差曲線以及腔頻誤差曲線分離、提取測(cè)量等難題，與傳統(tǒng)方法相比，該測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、功能靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)鐘躍遷譜線的快速測(cè)量。

圖5 被動(dòng)型氫原子鐘原子鑒頻曲線測(cè)試實(shí)物圖

利用此平臺(tái)，在諧振腔調(diào)諧電壓保持恒定時(shí)通過(guò)掃描微波探尋信號(hào)頻率獲得了氫原子色散曲線，在探尋微波信號(hào)頻率保持固定時(shí)通過(guò)掃描腔調(diào)諧電壓獲得了腔頻誤差曲線，典型的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖 6（a）可以看出，原子色散曲線斜率非常陡峭，并呈現(xiàn)為 S曲線形狀，在中心頻率處誤差信號(hào)接近于0，而腔頻誤差信號(hào)在電壓調(diào)節(jié)范圍內(nèi)近似為線性關(guān)系（圖6（a）），同樣過(guò)零點(diǎn)的特征表明該信號(hào)能夠用于實(shí)現(xiàn)腔頻環(huán)路的鎖定。由于色散曲線與腔頻誤差信號(hào)的相位差在理論上接近 90°[5]，故本實(shí)驗(yàn)中僅利用一臺(tái)鎖相放大器SR830的兩個(gè)通道分別解調(diào)出色散曲線和腔頻誤差曲線，減少了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖6 被動(dòng)型氫原子鐘典型測(cè)試結(jié)果

本文提出的系統(tǒng)可以方便快速地對(duì)原子鐘色散曲線與信噪比的影響因素進(jìn)行快速研究，下面僅以視頻帶寬和調(diào)相指數(shù)對(duì)色散曲線的影響規(guī)律作以說(shuō)明。如圖7（a）所示，隨著測(cè)試系統(tǒng)視頻帶寬從1 MHz逐漸變小為50 kHz的過(guò)程中，色散曲線的斜率在50 kHz以上基本不變，50 kHz時(shí)突然變小，但信噪比較好。這說(shuō)明了接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的低通濾波器在過(guò)濾掉高頻噪聲的同時(shí)可能會(huì)影響誤差曲線的斜率，從而對(duì)原子鐘穩(wěn)定度造成影響。另外，微波探尋信號(hào)的調(diào)相指數(shù)也會(huì)對(duì)色散曲線造成影響。如圖 7（b）所示，隨著微波調(diào)相指數(shù)的不斷增大（0.2～1.8），色散曲線的斜率不斷增大。在調(diào)相指數(shù)較小時(shí)，斜率較小但色散曲線的信噪比很好。因此，在閉環(huán)試驗(yàn)中需要綜合考慮色散曲線斜率的大小以及信噪比來(lái)選擇合適的參數(shù)。

圖7 被動(dòng)型氫原子鐘色散曲線影響規(guī)律

最后，對(duì)被動(dòng)型氫原子鐘閉環(huán)鎖定情況進(jìn)行了驗(yàn)證。原子色散和腔頻誤差信號(hào)分別從鎖相放大器的兩個(gè)通道輸出，再經(jīng)過(guò)PID控制器處理后分別反饋至信號(hào)源壓控端口和腔頻調(diào)整端口，實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)型氫原子鐘頻率環(huán)路和腔頻環(huán)路的雙環(huán)路鎖定。系統(tǒng)閉環(huán)后，利用頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀對(duì)鐘輸出頻率進(jìn)行了測(cè)試，最終結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯l率穩(wěn)定度在10 000 s 時(shí)進(jìn)入6×10-15量級(jí)，20 000 s進(jìn)入約4×10-15量級(jí)。該結(jié)果不僅證明了本方案的可行性，同時(shí)也說(shuō)明該系統(tǒng)具有非常高的閉環(huán)控制精度，能夠滿足高性能的原子鐘研究的要求。

圖8 被動(dòng)型氫原子鐘閉環(huán)鎖定測(cè)試曲線

4 汞離子鐘鐘躍遷譜線測(cè)量

汞離子鐘采用離子囚禁與緩沖氣體冷卻新技術(shù)，被認(rèn)為是下一代衛(wèi)星導(dǎo)航的候選鐘之一[8-10]。前文介紹的銣原子鐘和被動(dòng)型氫原子鐘都是基于連續(xù)微波與原子體系相互作用，而汞離子鐘采用微波脈沖與原子體系分時(shí)相互作用，鐘躍遷譜線的提取需要嚴(yán)格時(shí)序控制系統(tǒng)。因此，在圖1所示基本框架的基礎(chǔ)上需要增加脈沖延遲發(fā)生模塊，實(shí)現(xiàn)離子鐘系統(tǒng)中不同類型信號(hào)的同步觸發(fā)或調(diào)制。

本文提議的方案通過(guò)時(shí)序控制板卡或者脈沖延遲發(fā)生器DG645產(chǎn)生如圖9（a）所示的多路脈沖同步信號(hào)，其中 Lamp，E-gun，Counter分別為燈開(kāi)關(guān)控制器、電子槍繼電器、光子計(jì)數(shù)器相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，μRabi為鐘躍遷Rabi譜線測(cè)量的微波脈沖時(shí)序，μRamsey 為Ramsey鐘譜線測(cè)量時(shí)的微波脈沖時(shí)序，μFrequecny表示微波探尋信號(hào)的中心頻率變化時(shí)序。如圖9（b）所示，把各路時(shí)序信號(hào)接入相應(yīng)的儀器觸發(fā)接口，微波探尋信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制和方波調(diào)頻輸入汞離子鐘物理部分，鐘躍遷信號(hào)經(jīng)過(guò)光電倍增管 PMT轉(zhuǎn)換為微弱的熒光信號(hào)，再由光子計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)離子躍遷曲線微弱信號(hào)的觸發(fā)測(cè)量，然后通過(guò)光子計(jì)數(shù)器模擬輸出并利用鎖相放大器實(shí)現(xiàn)誤差信號(hào)的同步解調(diào)，最后使用PID處理后反饋至信號(hào)源壓控端口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)鎖定。

圖9 汞離子鐘時(shí)序及系統(tǒng)圖

由于實(shí)驗(yàn)室暫時(shí)沒(méi)有汞離子鐘物理部分供測(cè)量技術(shù)研究，本文僅通過(guò)虛擬化物理部分對(duì)該方案進(jìn)行了驗(yàn)證。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文主要討論 Rabi脈沖鐘躍遷譜線的測(cè)量。首先，利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一組中心頻率在40.5 GHz附近的微波頻率序列，然后依據(jù)洛倫茲線型函數(shù)將其轉(zhuǎn)換成一一對(duì)應(yīng)的低頻率脈沖序列，接著通過(guò)函數(shù)發(fā)生器DG3101A產(chǎn)生相應(yīng)的物理電壓脈沖，從而實(shí)現(xiàn)原子熒光光強(qiáng)的模擬。其次，利用SR400光子計(jì)數(shù)器按照?qǐng)D9（a）中Counter的門控時(shí)序?qū)υ撃M電脈沖序列測(cè)量，并將測(cè)量值返回計(jì)算機(jī)或者從模擬端口輸出。最后，依據(jù)μRabi時(shí)序?qū)崿F(xiàn)E8267D輸出微波的脈沖調(diào)制，中心頻率掃描時(shí)按照?qǐng)D9（a）中μFrequecny時(shí)序在脈沖上升沿和下降沿改變頻率值，從而實(shí)現(xiàn)鐘躍遷譜線半物理仿真，結(jié)果如圖10（a）所示。

對(duì)于汞離子鐘鑒頻曲線的模擬仿真，還需增加微波頻率的方波調(diào)頻和解調(diào)過(guò)程。方波調(diào)頻和μ Frequecny時(shí)序一樣，高低電平分別在中心頻率基礎(chǔ)上加減偏置頻率，但微波中心頻率掃描只在μ Frequecny脈沖的上升沿時(shí)改變頻率。最后，通過(guò)鎖相放大器或者軟件方法實(shí)現(xiàn)方波調(diào)制的同步解調(diào)，結(jié)果如圖 10（b）所示。從仿真曲線中可以看出，該方法成功實(shí)現(xiàn)了汞離子鐘鐘躍遷譜線測(cè)量的仿真驗(yàn)證。

圖10 汞離子鐘半物理仿真結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

在充分挖掘?qū)嶒?yàn)室高性能通用儀器功能的基礎(chǔ)上，本文成功建立了被動(dòng)型微波原子鐘鐘躍遷譜線精密測(cè)量及閉環(huán)驗(yàn)證研究系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有擴(kuò)展性強(qiáng)、功能豐富、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于原子鐘鐘躍遷譜線的快速測(cè)量評(píng)估和閉環(huán)頻率穩(wěn)定度性能的參數(shù)迭代優(yōu)化。針對(duì)不同原理，不同微波探尋信號(hào)體制的被動(dòng)型微波原子鐘，本文試圖從鐘躍遷譜線微弱信號(hào)提取的統(tǒng)一角度和框架下進(jìn)行闡述。按照銣原子鐘、被動(dòng)型氫原子鐘到汞離子鐘的順序，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由連續(xù)型體制到時(shí)序型體制的邏輯，對(duì)三種不同類型的原子鐘鐘躍遷譜線測(cè)量系統(tǒng)與方法進(jìn)行了介紹，研究結(jié)果表明該系統(tǒng)不僅具備高信噪比鐘躍遷譜線的快速獲取能力，同時(shí)還具有高性能的頻率環(huán)路閉環(huán)穩(wěn)定度驗(yàn)證潛力（優(yōu)于4×10-15）。因此，本文提出的基于通用儀器的微波原子鐘鐘躍遷譜線測(cè)量系統(tǒng)具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景，可以為新型高性能原子鐘的快速開(kāi)發(fā)以及性能優(yōu)化提供技術(shù)支撐。