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(shè)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(yīng)用于軍用標準時間的產(chǎn)生和保持、導(dǎo)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(lǐng)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(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(shù)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(shù)優(yōu)勢，也影響了整機的環(huán)境適應(yīng)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(fù)雜工程化環(huán)境下可靠運轉(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(jié)果。證明銫束管熒光穩(wěn)頻技術(shù)應(yīng)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(yīng)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(diào)研國外同類產(chǎn)品關(guān)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(yīng)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(nèi)，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(yīng)信號。控制系統(tǒng)把晶體振蕩器的頻率鎖定在該頻率響應(yīng)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(guān)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(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。雖然通過對半導(dǎo)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(dǎo)體激光二極管的輸出頻率與溫控溫度和驅(qū)動電流的變化路徑有關(guān)，且由于老化因素的存在，工作點(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)頻是一個動態(tài)的平衡過程，即尋找一個穩(wěn)定的參考頻率，將半導(dǎo)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(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(shù)，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(nèi)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(shù)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(shù)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(jié)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(nèi)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(nèi)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(yīng)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(nèi)，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(jié)構(gòu)，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(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(dǎo)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(jié)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(chǔ)上，對銫束管和激光系統(tǒng)進行了改進設(shè)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(diào)制器輸出F=4→F′=5探測激光。

初步試驗結(jié)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(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(diào)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(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)銫束管熒光穩(wěn)頻樣機。