中國(guó)空間站冷原子光鐘激光系統(tǒng)*

劉云 王文海 賀德晶 周勇壯 沈詠 鄒宏新?

1) (國(guó)防科技大學(xué)理學(xué)院,量子信息研究所,長(zhǎng)沙 410073)

2) (量子信息機(jī)理與技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410073)

中國(guó)研制的世界首臺(tái)空間冷原子光鐘于2022 年10 月31 日隨“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射,進(jìn)入中國(guó)空間站.緊湊穩(wěn)定的激光系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)光鐘空間應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié).本課題組提出類同步調(diào)諧方案,研制了高性能外腔半導(dǎo)體激光器,能同時(shí)滿足空間光鐘對(duì)激光器調(diào)諧范圍、線寬和力學(xué)熱學(xué)穩(wěn)定性的要求.采用注入鎖定和錐形放大器進(jìn)行激光功率放大,滿足了空間光鐘對(duì)激光功率的要求.本文簡(jiǎn)要介紹了空間冷原子光鐘的系統(tǒng)構(gòu)成、激光器方案和電控系統(tǒng),并對(duì)光鐘激光系統(tǒng)面臨的問(wèn)題和發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)和展望.

1 引言

原子鐘以原子量子化的能級(jí)作為基準(zhǔn),具有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)時(shí)工具的精度,目前已在現(xiàn)代守時(shí)系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1].在太空實(shí)現(xiàn)高精度原子鐘的穩(wěn)定運(yùn)行,將有助于與地面鐘組建立頻率比對(duì)鏈路,構(gòu)建更高精度時(shí)頻體系[2].在航天器上搭載原子鐘可以為深空探測(cè)提供高精度導(dǎo)航定位[3].對(duì)太空中不同引力勢(shì)場(chǎng)處的原子鐘進(jìn)行頻率比對(duì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廣義相對(duì)論的高精度驗(yàn)證[4].

目前在太空中運(yùn)轉(zhuǎn)的較為成熟的原子鐘均是基于熱原子,受多普勒頻移和碰撞頻移等因素影響,無(wú)法充分發(fā)揮原子鐘的精度優(yōu)勢(shì).為了進(jìn)一步提升精度,2016 年中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制了世界首臺(tái)在軌運(yùn)行的激光冷卻原子鐘[5].2019 年美國(guó)宇航局(National Aeronautics and Space administration,NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制了基于囚禁離子的深空原子鐘[6].這些鐘雖然相比傳統(tǒng)熱原子鐘準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都大幅提高,但其鐘躍遷頻率只在微波頻段,進(jìn)一步提升的空間有限.光鐘的鐘躍遷頻率相比微波鐘高4–5 個(gè)數(shù)量級(jí),在準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度方面都具有顯著優(yōu)勢(shì),因此受到廣泛關(guān)注.2006 年,歐洲航天局(European Space Agency,ESA)開(kāi)啟了“空間光頻原子鐘”(SOC)項(xiàng)目,目前已實(shí)現(xiàn)了鍶(Sr)原子和鐿(Yb)原子可移動(dòng)光晶格鐘的演示驗(yàn)證[7,8].俄羅斯航天局(Russian Federal Space Agency)也計(jì)劃進(jìn)行空間光鐘測(cè)試,目前已完成可移動(dòng)Yb 離子光鐘原型機(jī)[9].2021年,日本理化學(xué)研究所(RIKEN)研制了高精度可搬運(yùn)Sr 原子光鐘,有望進(jìn)一步開(kāi)展空間應(yīng)用研究[10].中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心于2016 年開(kāi)始空間光鐘研究,并于2018 年完成了小型化Sr 原子光鐘物理系統(tǒng)的研制[11].

激光器是光鐘系統(tǒng)的核心部件.空間光鐘必須能夠抵抗火箭發(fā)射過(guò)程中的巨大振動(dòng),同時(shí)質(zhì)量、尺寸、能耗等還受到嚴(yán)苛限制.這就要求其激光系統(tǒng)也具有極佳的緊湊性、能效比和穩(wěn)定性.目前的商用激光器可以滿足地面指標(biāo)要求,但無(wú)法空間使用.激光器在航天領(lǐng)域的應(yīng)用始自NASA 的一系列空間科學(xué)試驗(yàn)計(jì)劃,自2001 年,MOLA,GLAS,CALIPSO,MLA,LOLA 等高精度科學(xué)測(cè)量裝置進(jìn)入太空進(jìn)行相關(guān)物理參數(shù)測(cè)量,但這些項(xiàng)目里采用的都是調(diào)Q脈沖Nd:YAG 激光器[12].2012 年,為了探測(cè)大氣層CO2和O2含量和分布情況,研究氣候變暖問(wèn)題,發(fā)射了基于分布反饋式(distributed feed back,DFB)激光器和光纖放大的連續(xù)激光器,證明光纖激光器可以應(yīng)用于航天系統(tǒng)[13].2015年,法國(guó)空間研究中心(National Centre for Space Studies)和巴黎天文臺(tái)(Paris Observatory)等單位聯(lián)合發(fā)表了一篇關(guān)于PHARAO 計(jì)劃激光器的設(shè)計(jì)方案[14].這個(gè)計(jì)劃是為了將冷原子鐘送到國(guó)際空間站,整個(gè)光路系統(tǒng)圍繞Cs 原子所需要的852 nm 波長(zhǎng),將多臺(tái)外腔半導(dǎo)體激光器(external cavity diode lasers,ECDL)利用光學(xué)鎖相環(huán)連到一起,其ECDL 采用貓眼結(jié)構(gòu).2016 年,德國(guó)光梳生產(chǎn)廠家Menlo-System 聯(lián)合多家德國(guó)單位將飛秒光梳送上了太空[15],用于將來(lái)基于衛(wèi)星的精密計(jì)量.系統(tǒng)將飛秒光梳鎖在Cs 原子鐘上,然后對(duì)Rb原子飽和吸收穩(wěn)頻的780 nm 激光器進(jìn)行頻率精確測(cè)量.這里的780 nm 激光器是采用集成化的DFB激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,他們將激光管、隔離器、光纖準(zhǔn)直器和射頻調(diào)制電路集成到了一起.2017 年,柏林洪堡大學(xué)(Humboldt University of Berlin)等單位合作實(shí)現(xiàn)了K39所需766.7 nm 外腔反饋半導(dǎo)體激光器,并將兩臺(tái)激光器進(jìn)行拍頻鎖定,完成了太空驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[16].激光器與前面所介紹的激光器完全不一樣,其直接將激光芯片集成到系統(tǒng)中,芯片兩邊鍍膜,一邊通過(guò)體全息布拉格光柵(volume holographic Bragg grating,VHBG)反射回來(lái)形成反饋,然后主激光從另外一邊射出,并通過(guò)集成的透鏡、隔離器和準(zhǔn)直器耦合到光纖中輸出.對(duì)于Sr 原子光鐘,所需要的波長(zhǎng)種類較多,目前都沒(méi)有成熟DFB或分布式布拉格反射器 (distributed Bragg reflector,DBR)光源,且不在光纖增益波長(zhǎng)范圍之類,因此只能采用非線性頻率變換的方式產(chǎn)生,導(dǎo)致體積和功耗等指標(biāo)無(wú)法滿足空間站要求.2019 年,德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch Technische Bundesanstalt)研制了一種基于電光調(diào)制器(electrooptic modulator,EOM)調(diào)制的緊湊型ECDL[17],可以同時(shí)產(chǎn)生二級(jí)冷卻光和攪拌光,但該方案并未進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試.同年,意大利比薩大學(xué)(University of Pisa)針對(duì)緊湊型Sr 原子光鐘研制了一種基于Pr:GLF 晶體的半導(dǎo)體泵浦固體激光器[18],但同樣未進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試.本次夢(mèng)天艙中搭載的光鐘系統(tǒng)所采用的超穩(wěn)激光采用的是基于干涉濾光片的ECDL[19].該方案結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,抗振性能強(qiáng),但自由運(yùn)行時(shí)線寬較寬,且連續(xù)調(diào)諧范圍小,因此并不適用于其他波長(zhǎng)的激光器.本文介紹一種采用類同步調(diào)諧方案的ECDL,可以在保證調(diào)諧范圍的同時(shí)獲得較窄的線寬,以及良好的力學(xué)穩(wěn)定性和熱學(xué)穩(wěn)定性,能夠滿足空間光鐘的需要.

2 空間Sr 原子光鐘系統(tǒng)構(gòu)成

中國(guó)空間站Sr 原子光鐘的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示.整套光鐘共由5 個(gè)單元構(gòu)成,包括: 光學(xué)單元、物理單元、電控單元、空間光梳系統(tǒng)和窄線寬激光器.其中物理單元主要由放置Sr 原子樣品的真空系統(tǒng)和波長(zhǎng)計(jì)構(gòu)成.真空系統(tǒng)中的Sr 原子爐加熱到400 ℃后經(jīng)過(guò)差分管和塞曼減速線圈,進(jìn)入主真空腔體后被磁光阱(MOT)陷俘.物理單元中的波長(zhǎng)計(jì)主要用于對(duì)系統(tǒng)的6 路激光進(jìn)行波長(zhǎng)測(cè)量,并將測(cè)量結(jié)果通過(guò)網(wǎng)口傳輸給電控單元.物理單元中還有電荷耦合器件(CCD)相機(jī)和光電倍增管(PMT)探測(cè)器,其結(jié)果同樣傳輸給電控單元.電控單元是整個(gè)系統(tǒng)的中央控制單元,其不僅負(fù)責(zé)與其他各個(gè)單機(jī)進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)工作,同時(shí)包含了對(duì)激光器、聲光調(diào)制器(AOM)、磁場(chǎng)線圈和光開(kāi)關(guān)等的驅(qū)動(dòng),以及時(shí)序控制.

圖1 Sr 原子空間光鐘系統(tǒng)方框圖Fig.1.Schematic of Sr atom space optical clock system.

激光器是光鐘里的核心部件,對(duì)于空間光鐘而言,激光器能否滿足航天要求是空間光鐘能否成功發(fā)射的關(guān)鍵.Sr 原子相應(yīng)的能級(jí)如圖2 所示.Sr 原子光鐘系統(tǒng)需要6 種不同輸出波長(zhǎng)的激光器,其中波長(zhǎng)461 nm 激光用于Sr 原子塞曼減速與多普勒冷卻,679 nm 激光用于多普勒冷卻的重泵浦光,707 nm 激光用于重泵浦光和暗態(tài)消除,689 nm 窄線寬激光器用于Sr 原子二級(jí)冷卻和原子擾動(dòng),698 nm 窄線寬激光器用于Sr 原子的鐘躍遷探測(cè),813 nm 激光用于光晶格的產(chǎn)生.

圖2 Sr 原子光鐘系統(tǒng)所需6 種不同波長(zhǎng)激光Fig.2.Lasers at six wavelengths in Sr atom optical clock system.

光學(xué)單元總共包含了679,707,813,461,689 nm 5 個(gè)波長(zhǎng)的激光器和對(duì)應(yīng)的集成光路.所有激光通過(guò)光纖連接到物理單元,進(jìn)行原子的激光冷卻和光晶格裝載.窄線寬激光器是一個(gè)獨(dú)立的單元,其將698 nm 激光器鎖定到ULE 腔上,并進(jìn)行精密控溫和隔振后,一方面輸送到物理單元進(jìn)行Sr 原子鐘譜探測(cè),另一方面通過(guò)光纖輸送到空間光梳單元作為光梳的光學(xué)參考基準(zhǔn).空間光梳是經(jīng)過(guò)加固和處理后的光纖光梳系統(tǒng),重復(fù)頻率200 MHz,同時(shí)鎖定到氫鐘和窄線寬激光器上,產(chǎn)生100 MHz 的微波信號(hào)進(jìn)行使用.鎖定后的空間光梳還作為689 nm 的鎖定參考源,用于穩(wěn)定和線寬壓窄光學(xué)單元中的689 nm 激光器.窄線寬激光器和空間光梳分別通過(guò)串口與電控單元相連,接收指令并上報(bào)單機(jī)狀態(tài),最終配合光鐘電控完成整套光鐘的閉環(huán)運(yùn)行.

光鐘的5 個(gè)單元都采用獨(dú)立機(jī)箱安裝,所有單元之間采用光纖和電纜連接.整個(gè)光鐘由電控系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制分別實(shí)現(xiàn)原子的產(chǎn)生、減速、俘獲、一級(jí)冷卻、二級(jí)冷卻、光晶格裝載和鐘譜探測(cè)等功能,同時(shí)電控系統(tǒng)還負(fù)責(zé)對(duì)各臺(tái)激光器進(jìn)行控制、頻率穩(wěn)定,對(duì)超穩(wěn)激光和光梳子系統(tǒng)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理等功能.最后光鐘的時(shí)間信號(hào)從飛秒光梳輸出,進(jìn)行傳輸和其他應(yīng)用.

3 光鐘激光器

受體積和功耗限制,空間光鐘系統(tǒng)所有激光器均選用半導(dǎo)體激光器.激光器直接輸出功率不足時(shí)則采用注入或半導(dǎo)體錐形放大(tapered amplifier,TA)的方式提升功率.因此整個(gè)激光系統(tǒng)除698 nm鐘激光器外,包含了5 臺(tái)種子激光器、5 臺(tái)注入激光器以及1 臺(tái)半導(dǎo)體TA 放大器.

3.1 種子激光器

所有種子激光器均采用Littman 結(jié)構(gòu)光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器方案.本文提出類同步調(diào)諧光柵ECDL 方案,用柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)支架代替?zhèn)鹘y(tǒng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)支架,能夠模擬反射光柵或直角棱鏡圍繞虛擬軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn),并且大大縮短了旋臂長(zhǎng)度[20].該方案在保證激光器滿足同步調(diào)諧條件,獲得寬泛無(wú)跳模調(diào)諧性能的同時(shí),使得激光器外形小巧、結(jié)構(gòu)緊湊,抗振性能得到有效提升,可應(yīng)用于航空航天、武器裝備或其他環(huán)境惡劣的工業(yè)領(lǐng)域.圖3 為L(zhǎng)ittman 結(jié)構(gòu)類同步調(diào)諧ECDL 結(jié)構(gòu)圖,包括輸出窗口5、激光二極管壓環(huán)6、激光二極管7、激光二極管卡座8、準(zhǔn)直透鏡卡座9、準(zhǔn)直透鏡10、反射光柵11、三角棱鏡 12、柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)支架13、壓電陶瓷14、壓電陶瓷安裝套15 和高反鏡16.另外,1–4 項(xiàng)分別為激光器外底板、控制器接口和控溫陶瓷,未在圖中體現(xiàn)出來(lái),可以參考發(fā)明專利[21].

圖3 Littman 結(jié)構(gòu)類同步調(diào)諧ECDL 結(jié)構(gòu)圖Fig.3.Exploded view of Littman-configuration ECDL with synchronous-tuning-like scheme.

Littman 結(jié)構(gòu)光柵ECDL 的工作原理圖如圖4所示,其中反射鏡平面和光柵平面延長(zhǎng)線的交點(diǎn)為最佳調(diào)諧旋轉(zhuǎn)點(diǎn)Q,在激光管的輸出耦合端面鍍了增透膜的情況下,想要獲得連續(xù)不跳模調(diào)諧,必須保持反射光柵與外腔的選模條件同步進(jìn)動(dòng),同時(shí)滿足光柵方程與外腔駐波條件.這里通過(guò)改變PZT支點(diǎn)的位置和調(diào)節(jié)兩個(gè)柔性鏈的長(zhǎng)度來(lái)滿足類同步調(diào)諧條件,最終達(dá)到最優(yōu)的調(diào)諧效果.

圖4 Littman 結(jié)構(gòu)光柵ECDL 的工作原理圖(P,壓電陶瓷作用點(diǎn);θ,光柵入射角;φ,光柵一級(jí)衍射角;R,理想旋轉(zhuǎn)半徑;L2,實(shí)際旋轉(zhuǎn)半徑;h,調(diào)諧點(diǎn)與Y 軸的垂直距離;Q,調(diào)諧支點(diǎn))Fig.4.Functional schematic of Littman-configuration ECDL.(P,PZT action point;θ,grating incident angle;φ,first order diffraction angle of grating;R,ideal rotation radius;L2,actual rotation radius;h,the distance between the pivot point and the Y coordinate axis;Q,pivot point).

3D 機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖如圖5 所示.其中圖5(a)是整個(gè)種子激光器的安裝爆炸圖,最左邊的小鏡架是窗口片和整型棱鏡對(duì);圖5(b)是主體部分安裝完成后的結(jié)構(gòu)圖;圖5(c)是最終裝配完成后的激光器效果圖.該激光器實(shí)際質(zhì)量為279 g 左右,可以滿足空間站的體積、質(zhì)量和抗振性要求.

圖5 種子激光器結(jié)構(gòu)裝配圖Fig.5.Assembly view of seed laser.

3.2 注入激光器

用于一級(jí)冷卻的461 nm 激光器需要功率在600 mW 以上,市面上只有倍頻激光器可以滿足這個(gè)要求.但倍頻激光器因其原理上的局限性,無(wú)法同時(shí)滿足低功耗、小體積和輕質(zhì)量等約束條件,不能用于空間站Sr 原子光鐘系統(tǒng).本系統(tǒng)采用種子激光器和注入激光器相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)461 nm激光器的功率放大.用于Sr 原子二級(jí)冷卻的689 nm激光同樣存在功率不夠的問(wèn)題,也是采用注入放大的方式來(lái)滿足使用要求.

注入放大激光器原理很簡(jiǎn)單,就是一個(gè)單管激光二極管結(jié)合精密控溫來(lái)實(shí)現(xiàn),很多文獻(xiàn)都有報(bào)道[22],這里不詳細(xì)介紹其原理,只簡(jiǎn)單介紹一下本文采用的注入激光器結(jié)構(gòu),如圖6 所示.圖6(a)是注入激光器爆炸圖,激光二極管放入紫銅熱沉中固定,安裝準(zhǔn)直透鏡將光束調(diào)成平行光,然后通過(guò)整型棱鏡對(duì)輸出.圖6(b)和圖6(c)則是裝配完成的結(jié)構(gòu)圖.

圖6 注入激光器結(jié)構(gòu)裝配圖Fig.6.Assembly view of injection locked laser.

3.3 半導(dǎo)體TA 放大器

Sr 原子光鐘需要813 nm 作為魔幻波長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)光晶格裝載.為了實(shí)現(xiàn)有效的原子裝載,滿足鐘躍遷譜的探測(cè)信噪比要求,進(jìn)入真空系統(tǒng)的813 nm激光功率需要達(dá)到800 mW 以上,考慮光路中的損耗和光纖耦合效率,激光器出光功率應(yīng)該在2 W以上.采用種子激光結(jié)合半導(dǎo)體TA 放大,勉強(qiáng)可以滿足使用要求.圖7(a)是TA 放大激光器爆炸圖,TA 芯片固定在紫銅熱沉上,兩邊分別用相同的非球面鏡進(jìn)行準(zhǔn)直,為了提升芯片的使用壽命,采用密封設(shè)計(jì),避免灰塵和水汽進(jìn)入腔體內(nèi).圖7(b)和圖7(c)則是裝配完成的結(jié)構(gòu)圖,整個(gè)TA 放大器結(jié)構(gòu)非常緊湊,并且包含了接口電路和連接器,滿足抗振和長(zhǎng)壽命使用要求.

圖7 TA 放大器結(jié)構(gòu)裝配圖Fig.7.Assembly view of tapered amplifier.

3.4 實(shí)物圖和測(cè)試結(jié)果

所有激光器集成到3 塊光路面板中,如圖8 所示.左邊的光路面板包含了813 nm 種子、813 nm TA 放大器、689 nm 種子、679 nm 和707 nm 激光器,右邊的兩塊光路面板分別包含了2 臺(tái)689 nm注入激光器和3 臺(tái)461 nm 注入激光器.特殊的鋁合金基板材料和結(jié)構(gòu)保證輕量化的同時(shí)有一定剛度,加強(qiáng)筋和鏤空處都經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)、仿真;所有光學(xué)元件和鏡架采用專門設(shè)計(jì)的小型化元件,以滿足空間站嚴(yán)格的體積和質(zhì)量要求.單塊光學(xué)面板尺寸為548 mm×380 mm×85 mm.

圖8 激光系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.8.Pictures of laser system.

光鐘激光系統(tǒng)所有種子激光器都是采用相同的結(jié)構(gòu),性能相近.針對(duì)其中的689 nm 激光器自由運(yùn)行時(shí)和拍頻鎖定后的頻譜特性進(jìn)行了測(cè)試,如圖9 所示.左圖是激光器自由運(yùn)行狀態(tài)下的情況,掃描帶寬為100 MHz,激光線寬小于1 MHz,連續(xù)調(diào)諧范圍根據(jù)波長(zhǎng)不同有一定差別,在無(wú)前饋的條件下通常為3–5 GHz,加入前饋后可達(dá)20 GHz.右圖是通過(guò)拍頻鎖定,將689 nm 激光器鎖定到一臺(tái)商用超穩(wěn)激光器后拍頻得到的結(jié)果,偏置頻率選取50 MHz,掃描帶寬10 MHz,鎖定后拍頻線寬小于1 Hz.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,所有激光器性能均滿足空間Sr 原子光鐘的正常運(yùn)行要求,光鐘在軌開(kāi)機(jī)功耗測(cè)試正常.

圖9 689 nm 激光器拍頻鎖定前后頻譜圖Fig.9.Beating signals of 689 nm lasers before (left) and after (right) frequency offset locking.

4 光鐘激光控制系統(tǒng)

光鐘激光控制系統(tǒng)與其他驅(qū)動(dòng)和控制模塊協(xié)調(diào)工作,共同構(gòu)成獨(dú)立的光鐘電控單元.Sr 原子光鐘需要6 個(gè)波長(zhǎng)的激光器,如何有效地驅(qū)動(dòng)它們,并讓它們協(xié)調(diào)工作是一件復(fù)雜的事情.其中461 nm激光用于原子的一級(jí)激光冷卻,679 nm 和707 nm用于勻化和回泵,提升一級(jí)冷卻效率.689 nm 激光用于原子的二級(jí)激光冷卻,將原子溫度降低到30 μK以下,然后用大功率813 nm 激光進(jìn)行光晶格裝載,最后用698 nm 激光進(jìn)行鐘譜探測(cè).整套光鐘的運(yùn)行必須嚴(yán)格按照時(shí)序進(jìn)行,具體時(shí)序可參考文獻(xiàn)[23].光鐘激光控制系統(tǒng)集成在光鐘電控單元中,是其重要的組成部分.光鐘電控單元是整套的光鐘的核心控制系統(tǒng),它由4 個(gè)基于FPGA 的控制板和一系列的驅(qū)動(dòng)電路協(xié)調(diào)完成,其結(jié)構(gòu)如圖10 所示.

其中光鐘主控是整個(gè)光鐘電控單元的核心,其主要功能包括: 1)時(shí)序控制磁場(chǎng)線圈驅(qū)動(dòng)、AOM驅(qū)動(dòng)的微波開(kāi)關(guān)、液晶波片和機(jī)械光開(kāi)關(guān);2)采集各路電源電壓、溫度和3 路磁場(chǎng)信號(hào);3)與數(shù)據(jù)采集和聲光控制系統(tǒng)進(jìn)行串口通信,發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)獲得譜數(shù)據(jù);4)與兩套激光器控制系統(tǒng)進(jìn)行通信,將激光器設(shè)置參數(shù)發(fā)送給激光控制器,同時(shí)將激光器監(jiān)視數(shù)據(jù)反饋給地面;5)與波長(zhǎng)計(jì)和CCD 相機(jī)進(jìn)行通信,獲取二者的測(cè)量數(shù)據(jù),一方面反饋控制激光器參數(shù),另一方面將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面;6)與空間光梳和窄線寬激光器進(jìn)行通信,獲取它們的狀態(tài)信息,并協(xié)調(diào)工作,完成測(cè)頻、鎖頻和閉環(huán)等功能;7)與時(shí)頻柜控制器通信,獲取地面指令,同時(shí)將各個(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)和工參數(shù)據(jù)進(jìn)行下傳;8)與地檢設(shè)備或上位機(jī)按約定通信協(xié)議進(jìn)行通信,用于調(diào)試設(shè)備.FPGA1 控制整個(gè)光鐘的工作模式和對(duì)時(shí)頻柜的通信,同時(shí)負(fù)責(zé)時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生,并通過(guò)硬件電路同步給其他FPGA.

基于FPGA2 的數(shù)據(jù)采集和聲光控制系統(tǒng),主要完成對(duì)12 路數(shù)字信號(hào)合成器(DDS)進(jìn)行參數(shù)配置,產(chǎn)生所需要的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào).產(chǎn)生的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和功率放大后,由微波開(kāi)關(guān)控制,并通過(guò)同軸線纜輸送到光學(xué)單元上的AOM,對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行移頻、掃頻和時(shí)序控制.該系統(tǒng)還備有高速數(shù)據(jù)采集,用于對(duì)掃譜產(chǎn)生的PMT 數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析,同時(shí)對(duì)真空系統(tǒng)的溫度進(jìn)行采集監(jiān)視.

基于FPGA3 和FPGA4 的兩套激光控制系統(tǒng),主要用于對(duì)Sr 原子光鐘所需要的679,707,461,689,813 nm 五個(gè)波長(zhǎng)的激光器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集,同時(shí)與光鐘主控進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.其中461 nm激光器包含種子激光和3 臺(tái)注入激光器,用于增加功率,滿足Sr 原子一級(jí)冷卻需要.689 nm 激光器包含種子激光和2 臺(tái)注入激光器,用于增加功率滿足Sr 原子二級(jí)冷卻需要.813 nm 激光器由種子激光器和TA 放大器兩部分構(gòu)成.同時(shí),兩套激光控制系統(tǒng)還需要控制461 nm 穩(wěn)頻模塊和689 nm 拍頻鎖定模塊,實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)激光器的波長(zhǎng)鎖定.所有激光器調(diào)優(yōu)都是基于軟件自動(dòng)完成,相關(guān)算法在光鐘主控中進(jìn)行,然后通過(guò)串口通信將所有激光器的參數(shù)值發(fā)送給激光主控,并對(duì)激光驅(qū)動(dòng)模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.698 nm 鐘激光器是一套獨(dú)立的單機(jī),不受這里的控制系統(tǒng)控制.

空間光鐘電控單元和主要控制電路實(shí)物如圖11所示.電控單元采用水冷進(jìn)行散熱,兩塊水冷板分別放置在電控箱的頂端和底端,所有單元模塊通過(guò)結(jié)構(gòu)與水冷板相連.電控箱前面板包含了11 臺(tái)套激光器的驅(qū)動(dòng)模塊和穩(wěn)頻模塊,光鐘主控單元放置在電控箱中部,并通過(guò)前面板連接器引出信號(hào).發(fā)熱量較大的電源模塊和射頻驅(qū)動(dòng)模塊分別與水冷板直接相連,保持良好的散熱特性.其他內(nèi)部板卡則放置在電控箱的兩側(cè),通過(guò)頂部和底部進(jìn)行散熱.整個(gè)電控單元尺寸465 mm×420 mm×410 mm,總功耗小于600 W,且在不同工作模式下,光鐘軟件會(huì)自動(dòng)關(guān)閉不需要的能量供給.圖11 右圖是3 塊帶FPGA 配置項(xiàng)的控制電路實(shí)物圖,包含光鐘主控、激光器主控和射頻驅(qū)動(dòng)模塊.其中,兩塊激光器主控電路功能一致,所以只放了1 張圖,射頻驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上還包含了DDS 信號(hào)產(chǎn)生電路和數(shù)據(jù)采集電路.

圖11 光鐘電控單元(左)和主要控制電路(右)實(shí)物圖Fig.11.Pictures of electronic control unit (left) and main control modules (right).

5 總結(jié)和展望

本文詳細(xì)介紹了光鐘里每種激光器的實(shí)現(xiàn)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)合電控系統(tǒng)共同構(gòu)成了當(dāng)前空間光鐘的激光器系統(tǒng);所有模塊均采用軌道可更換單元設(shè)計(jì),當(dāng)某個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí),可由宇航員進(jìn)行更換.為了滿足空間站時(shí)頻柜的約束條件,整套光鐘按5 個(gè)獨(dú)立單元進(jìn)行設(shè)計(jì)和裝配.這是目前首臺(tái)進(jìn)入太空的光鐘,成功實(shí)現(xiàn)了光鐘的高度集成,國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到80%以上.光鐘系統(tǒng)里最敏感的就是激光器,也是影響光鐘可靠性最主要的因素.Sr 原子光鐘所需要的激光波長(zhǎng)主要集中在可見(jiàn)光波段,受限于這個(gè)波段的半導(dǎo)體材料還不成熟,激光二極管的壽命和功率都偏低,只能采用注入放大的方式來(lái)滿足使用需求,這給系統(tǒng)帶來(lái)了很大的不確定性,而且嚴(yán)重限制了光鐘的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間.光鐘要真正走向?qū)嶋H應(yīng)用,必須解決光源的問(wèn)題,針對(duì)光鐘激光系統(tǒng)的發(fā)展方向,作如下展望: 1)從半導(dǎo)體材料和工藝入手,解決激光二極管的功率和壽命問(wèn)題;2)尋求有效的注入激光反饋控制機(jī)制,確保其不失鎖;3)采用光纖激光器結(jié)合頻率變換技術(shù)代替半導(dǎo)體激光器方案,但需要提升轉(zhuǎn)換效率,降低功耗,滿足更多場(chǎng)景的應(yīng)用;4)發(fā)展微納光學(xué)技術(shù),重點(diǎn)解決聲光移頻問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的高度集成.中國(guó)空間站冷原子光鐘是世界首臺(tái)上天的光鐘,標(biāo)志著中國(guó)在光鐘工程化方面已經(jīng)邁出了第一步,相信不久的將來(lái),可以帥先實(shí)現(xiàn)光鐘的實(shí)際工程應(yīng)用,有效提升我國(guó)時(shí)頻體系的精度,服務(wù)于社會(huì).