星載MEMS原子鐘穩(wěn)頻系統(tǒng)的優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究

1 引言
    相干布居俘獲CPT(Coherent Population Trapping)是原子與相干光相互作用所產(chǎn)生的一種量子干涉現(xiàn)象。利用高分辨CPT光譜研制出的被動(dòng)型CPT原子頻標(biāo)具有體積小、功耗低、啟動(dòng)快等特點(diǎn)。CPT頻標(biāo)是原理上唯一能制成芯片級(jí)尺寸的原子頻標(biāo)，不僅在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有重大意義，而且在深空探測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航、航天航空、數(shù)字通信、同步系統(tǒng)等對(duì)時(shí)間、頻率要求嚴(yán)格的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。20世紀(jì)90年代以來(lái)，激光冷卻技術(shù)飛速發(fā)展，極大促進(jìn)冷原子鐘、光鐘以及基于相干布居俘獲的CPT原子鐘的發(fā)展。這里介紹一種星載MEMS原子鐘穩(wěn)頻系統(tǒng)的優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究。

2 CPT原子鐘工作原理
    用頻率為ω1和ω2的兩束激光和兩超精細(xì)能級(jí)與激發(fā)態(tài)構(gòu)成的A 三能級(jí)作用，當(dāng)兩束激光滿(mǎn)足雙光子共振條件時(shí)，原子布居數(shù)被捕獲在基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)上。不再吸收光子；當(dāng)其中一束光的頻率在原子共振頻率附近掃描時(shí)，光在原子介質(zhì)中的透射強(qiáng)度呈現(xiàn)為電磁誘導(dǎo)透明信號(hào)，電磁誘導(dǎo)透明信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，可作為誤差信號(hào)來(lái)鎖定與調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)有關(guān)的本振信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)原子鐘環(huán)路。得到高精度和高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)，其評(píng)價(jià)指標(biāo)為：短期穩(wěn)定性和頻率漂移。CPT效應(yīng)是由激光與原子相互作用產(chǎn)生的，其窄小帶寬對(duì)激光頻率穩(wěn)定性提出高要求。只有當(dāng)激光頻率穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求，持續(xù)產(chǎn)生CPT效應(yīng)，才能確保原子鐘的計(jì)量精度。

3 穩(wěn)頻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
    頻率穩(wěn)定性通常指激光器在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)．在一定的時(shí)間間隔內(nèi)平均頻率v與該時(shí)間內(nèi)頻率變化量 △v之比，即S=v／△v，很顯然，變化量△v越小，則S越大，表示頻率的穩(wěn)定性越好。在工程上，有時(shí)也把S的倒數(shù)稱(chēng)為穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度又可分為短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度，前者指觀測(cè)取樣時(shí)間在1 s以?xún)?nèi)的頻率變化，而大于1 s觀測(cè)平均時(shí)間的就視為長(zhǎng)期穩(wěn)定度。頻率復(fù)現(xiàn)性是表示激光器在不同時(shí)間、地點(diǎn)等條件下頻率重復(fù)或再現(xiàn)的精度。
    由此可見(jiàn)，頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性是兩個(gè)不同的概念。因此，對(duì)一臺(tái)穩(wěn)頻激光器，不僅要看其穩(wěn)定度。而且還要看它的頻率復(fù)現(xiàn)性如何。由于激光頻率對(duì)環(huán)境溫度的變化、機(jī)械振動(dòng)等外界干擾極端敏感，即使采取嚴(yán)格措施，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性也不能達(dá)到量級(jí)。必須使用電子伺服系統(tǒng)自動(dòng)控制激光器，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離特定的參考頻率時(shí)，可以通過(guò)鑒頻信號(hào)，由電子伺服系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，將激光器的頻率回復(fù)到特定的參考頻率以達(dá)到穩(wěn)頻的目的。
3．1 調(diào)制器
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的伺服控制電路中，欲用10 kHz的正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，故選用RC振蕩電路。正弦波發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)分2路，1路用作調(diào)制信號(hào)，1路用作解調(diào)信號(hào)。采用改進(jìn)后的維恩振蕩電路實(shí)現(xiàn) RC正弦振蕩信號(hào)，得到實(shí)際頻率為9．79 kHz，與理論9．95 kHz相差160Hz，幅值調(diào)節(jié)范圍為50～1 100 mV。頻率及幅值均可滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
3．2 移相器
    移相器用補(bǔ)償相位移動(dòng)，或?qū)π盘?hào)進(jìn)行反相處理。需要實(shí)現(xiàn)0°～360°范圍移相，并且有相位精調(diào)功能。采用全通濾波器設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是保持增益為1，調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)可調(diào)節(jié)移相范圍。圖1為移相器原理圖及相移曲線。其傳遞函數(shù)為：

    為使得9．79 kHz信號(hào)移相90°，設(shè)計(jì)移相器參數(shù)如下：R=1．6 Ω，R1=10 kΩ，C=10 nF；欲實(shí)現(xiàn)－90°移相，只需將圖1a中R與C調(diào)換。故選用與90°移相器相同參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)－90°移相。180°移相可采用反相器實(shí)現(xiàn)。相位微調(diào)仍可采用全通濾波器實(shí)現(xiàn)，將其中的R或C換成可調(diào)的器件即可。保持C不變，設(shè)定R的變化范圍為1～7 kΩ，可滿(mǎn)足-47°～50°范圍內(nèi)的微調(diào)。
3．3 鑒相器
    鑒相器由模擬乘法器與低通濾波器構(gòu)成，可通過(guò)檢測(cè)探測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位關(guān)系，給出與相位差對(duì)應(yīng)的誤差信號(hào)，供校準(zhǔn)器調(diào)節(jié)使用。模擬乘法器有多種用途，如增益控制、附加增益調(diào)整、作除法、壓控濾波器、鑒相器等。這里用到的是其鑒相器功能。當(dāng)兩路正弦信號(hào)輸入乘法器，得到差頻、和頻兩種分量信號(hào)。當(dāng)信號(hào)頻率相同時(shí)，濾掉和頻信號(hào)，得到差頻信號(hào)為一直流信號(hào)，反映兩路信號(hào)的相位差。同時(shí)，相位差為0°或 180°時(shí)得到直流信號(hào)最大，這也就是要加移相器以補(bǔ)償相位獲得最佳誤差信號(hào)的原因所在。
3．4 校準(zhǔn)器
    校準(zhǔn)器由PI控制器、三角波發(fā)生器、模擬開(kāi)關(guān)3部分構(gòu)成，其作用是校正鑒相器輸出的誤差信號(hào)，改善系統(tǒng)快速性與準(zhǔn)確性。當(dāng)激光器受外界干擾跳出鎖頻范圍時(shí)，能自動(dòng)尋找峰值點(diǎn)，自動(dòng)上鎖。根據(jù)設(shè)定功能要求，圖2為校準(zhǔn)器原理。

    圖2中，誤差零點(diǎn)調(diào)節(jié)的作用是使誤差信號(hào)經(jīng)PI控制器校準(zhǔn)輸出鑒頻曲線的零點(diǎn)與中心頻率相對(duì)應(yīng)。PI控制器零點(diǎn)調(diào)節(jié)與增益放大電路如圖3所示，其中R1=2 kΩ，R2=500 Ω，R3=10 kΩ，增益A=0．25～5．25。

    PI控制器用于濾除高頻噪聲，并對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行積分放大。據(jù)此功能要求，設(shè)計(jì)如圖4所示的PI控制器原理圖。

    其傳遞函數(shù)為：

鑒相器中低通濾波器截止頻率為200 Hz，故設(shè)定Pl控制器截止頻率為200 Hz。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)比較，選取C1=220 nF，C2=15 nF，R1=30 kΩ，R2=50 kΩ。
    圖5為激光器鎖頻判斷示意圖。

    圖5中設(shè)定閾值電壓是判斷系統(tǒng)用于否超出鎖定范圍。對(duì)比PD檢測(cè)信號(hào)與閾值電壓，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)高于閾值電壓時(shí)，表明系統(tǒng)未失鎖，電壓比較器輸出正電壓：當(dāng)檢測(cè)信號(hào)低于閾值電壓時(shí)，認(rèn)為激光器失鎖，電壓比較器輸出負(fù)電壓。電壓比較器的輸出信號(hào)輸入到模擬開(kāi)關(guān)，控制模擬開(kāi)關(guān)的通斷。

4 87Rb飽和吸收穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)的研究
    87Rb飽和吸收光路如圖6所示。選用87Rb原子F=2態(tài)到激發(fā)態(tài)F'=3態(tài)的飽和吸收峰即最高吸收峰作為吸收曲線，以其峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率作為鎖頻參考頻率。半導(dǎo)體激光器DL100中心波長(zhǎng)為780 nm，輸出功率為150 mW。DL100通過(guò)調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)激光頻率，伺服系統(tǒng)將控制信號(hào)作用于PZT(壓電晶體陶瓷)，通過(guò)PZT調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。通過(guò)S曲線法，可以測(cè)得閉環(huán)后所得到的激光器的頻率穩(wěn)定度在100 s內(nèi)為：

    此穩(wěn)頻環(huán)路很好地改善了激光光源的頻率特性，為了獲得更穩(wěn)定的CPT原子鐘信號(hào)，仍需進(jìn)一步優(yōu)化、完善此設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    針對(duì)星載微型CPT原子鐘設(shè)計(jì)鎖頻電路系統(tǒng)，并詳細(xì)分析鎖頻系統(tǒng)中的調(diào)頻信號(hào)源、鑒相器、校準(zhǔn)器等各部分電路模塊，最后利用飽和吸收穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)說(shuō)明該鎖頻系統(tǒng)能夠很好地完成激光的穩(wěn)頻，100 s的頻率穩(wěn)定度達(dá)到了1．6×10-12，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。