星載MEMS原子鐘穩(wěn)頻系統(tǒng)的優(yōu)化及實驗研究

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光譜研制出的被動型CPT原子頻標具有體積小、功耗低、啟動快等特點。CPT頻標是原理上唯一能制成芯片級尺寸的原子頻標，不僅在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有重大意義，而且在深空探測、衛(wèi)星導(dǎo)航、航天航空、數(shù)字通信、同步系統(tǒng)等對時間、頻率要求嚴格的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。20世紀90年代以來，激光冷卻技術(shù)飛速發(fā)展，極大促進冷原子鐘、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)化及實驗研究。

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能級與激發(fā)態(tài)構(gòu)成的A 三能級作用，當兩束激光滿足雙光子共振條件時，原子布居數(shù)被捕獲在基態(tài)的兩個超精細能級上。不再吸收光子；當其中一束光的頻率在原子共振頻率附近掃描時，光在原子介質(zhì)中的透射強度呈現(xiàn)為電磁誘導(dǎo)透明信號，電磁誘導(dǎo)透明信號經(jīng)過處理后，可作為誤差信號來鎖定與調(diào)制驅(qū)動信號有關(guān)的本振信號，從而實現(xiàn)原子鐘環(huán)路。得到高精度和高穩(wěn)定度的頻率標準，其評價指標為：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，其窄小帶寬對激光頻率穩(wěn)定性提出高要求。只有當激光頻率穩(wěn)定性滿足要求，持續(xù)產(chǎn)生CPT效應(yīng)，才能確保原子鐘的計量精度。

3 穩(wěn)頻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

頻率穩(wěn)定性通常指激光器在連續(xù)運轉(zhuǎn)時．在一定的時間間隔內(nèi)平均頻率v與該時間內(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，有時也把S的倒數(shù)稱為穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度又可分為短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度，前者指觀測取樣時間在1 s以內(nèi)的頻率變化，而大于1 s觀測平均時間的就視為長期穩(wěn)定度。頻率復(fù)現(xiàn)性是表示激光器在不同時間、地點等條件下頻率重復(fù)或再現(xiàn)的精度。

由此可見，頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性是兩個不同的概念。因此，對一臺穩(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。由于激光頻率對環(huán)境溫度的變化、機械振動等外界干擾極端敏感，即使采取嚴格措施，自由運轉(zhuǎn)的激光器頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性也不能達到量級。必須使用電子伺服系統(tǒng)自動控制激光器，當外界影響使激光頻率偏離特定的參考頻率時，可以通過鑒頻信號，由電子伺服系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，將激光器的頻率回復(fù)到特定的參考頻率以達到穩(wěn)頻的目的。

3．1 調(diào)制器

該系統(tǒng)設(shè)計的伺服控制電路中，欲用10 kHz的正弦信號作為調(diào)制信號，故選用RC振蕩電路。正弦波發(fā)生器產(chǎn)生信號分2路，1路用作調(diào)制信號，1路用作解調(diào)信號。采用改進后的維恩振蕩電路實現(xiàn) RC正弦振蕩信號，得到實際頻率為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。頻率及幅值均可滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

3．2 移相器

移相器用補償相位移動，或?qū)π盘栠M行反相處理。需要實現(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，其特點是保持增益為1，調(diào)節(jié)時間常數(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信號移相90°，設(shè)計移相器參數(shù)如下：R=1．6 Ω，R1=10 kΩ，C=10 nF；欲實現(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)即可實現(xiàn)－90°移相。180°移相可采用反相器實現(xiàn)。相位微調(diào)仍可采用全通濾波器實現(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，可通過檢測探測信號與參考信號的相位關(guān)系，給出與相位差對應(yīng)的誤差信號，供校準器調(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。當兩路正弦信號輸入乘法器，得到差頻、和頻兩種分量信號。當信號頻率相同時，濾掉和頻信號，得到差頻信號為一直流信號，反映兩路信號的相位差。同時，相位差為0°或 180°時得到直流信號最大，這也就是要加移相器以補償相位獲得最佳誤差信號的原因所在。

3．4 校準器

校準器由PI控制器、三角波發(fā)生器、模擬開關(guān)3部分構(gòu)成，其作用是校正鑒相器輸出的誤差信號，改善系統(tǒng)快速性與準確性。當激光器受外界干擾跳出鎖頻范圍時，能自動尋找峰值點，自動上鎖。根據(jù)設(shè)定功能要求，圖2為校準器原理。