铷光谱灯光谱自吸收现象研究

由自吸收导致的铷光谱灯超精细光谱轮廓变形,对铷原子频标的频率稳定度有不利影响.用F-P干涉仪测量了三种常用铷光谱灯的超精细光谱轮廓,研究了启辉气体种类、压力、谱灯工作温度和激励功率对自吸收的影响.结果表明,充Ar和充Kr谱灯自吸收效应比较显著,充Xe谱灯自吸收不明显;适当增大气体压力、降低灯泡工作温度、增大射频激励功率,可以减小光谱灯的自吸收效应.     

87Rb-Ar光谱灯光谱特性和滤光效果研究

通过超精细光谱测量,研究灯泡和滤光泡均充入氩气情形下,铷光谱灯的光谱特性和同位素滤光效果.研究结果表明,充氩气的铷光谱灯谱线轮廓存在一定程度的变形,为了减轻这种变形,谱灯的工作温度应适当降低.此外,滤光泡气压、长度和工作温度对滤光效果有显著影响.根据研究结果,优化了谱灯和滤光泡的设计参数和工作参数.将优化后的铷光谱灯和滤光泡用于铷原子频标,显著改善了短期频率稳定度.     

铷原子频标鉴频信号信噪比相关问题分析

频率稳定度是铷原子频标最重要的性能指标. 铷频标频率稳定度主要由原子鉴频信号的信噪比决定. 本文分析了微波腔的结构、铷光谱灯的光谱纯度和同位素滤光方案对信噪比的影响,指出采用模式优越、微波填充因子大的微波腔,光谱纯度高的铷光谱灯,用分离滤光方法进行同位素滤光,可以提高铷原子鉴频信号的信噪比,从而使铷频标的稳定度指标得到进一步改善.      

铷原子频标数字伺服系统

分析了铷频标内锁频环路相敏检波基本原理和数字伺服的基本方法. 采用单片机(MCU)、模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)设计了一种数字伺服系统. 利用该数字伺服系统,实现了铷原子频标的闭环锁定,短期稳定度指标达到一般商品铷钟水平.     

一种用于高精度小型化铷频标的开槽管微波腔

针对小型化高精度铷原子频标应用需求,设计了体积为11 m L的小型化开槽管微波腔.实验测量了微波腔内微波场的方向因子,结果为0.83.利用该微波腔设计了小型化铷频标物理系统,形成了铷频标桌面系统.测试了系统的短期频率频率稳定度,结果优于2×10~(-12)/τ~(1/2),远高于一般商用小型化铷原子频标.     

一种铷原子钟超高信噪比物理系统的研究

在卫星导航、深空探测等尖端技术应用的需求牵引下,谱灯抽运铷原子钟的性能有了很大提升,其短期频率稳定度已达到小系数10^-13τ^-1/2水平.为能进一步提高铷钟稳定度并探索铷钟性能指标极限,本文在前期对物理系统(Φ40微波腔)结构的重新设计及实验验证的基础上,通过对物理系统的光学系统全面优化设计,改善了光谱灯及抽运光的性能,最终使物理系统信噪比获得了明显提升.测试及分析评估结果表明,新设计的物理系统的散粒噪声对铷钟稳定度的贡献为4.2×10^-14τ^-1/2,本文的研究结果为今后铷钟短稳实现5×10^-14τ^-1/2、长稳突破1×10^-15进入～10^-16奠定了基础.     

铷原子频标磁致频移相关问题研究

长期稳定度是评价铷原子频标性能的一项关键指标．物理系统内部静磁场（C场）稳定性引起的磁致频移与铷频标长期稳定度有关．利用⁸⁷Rb原子基态磁敏跃迁频率与轴向外加磁场的线性关系,测量了铷频标物理系统内部磁场强度,并计算了铷频标物理系统磁屏蔽筒轴向磁屏蔽因子约为3 828．实验结果表明磁屏蔽筒有效地降低了地磁场日波动对铷频标物理系统内部C场的影响,使磁致频移控制在合理范围内．     

一种基于非标准矩形微波腔的铷频标腔泡系统

针对超薄型铷频标应用需求,本文研制了一种基于开槽管腔原理的非标准矩形微波腔.它的厚度仅为12 mm,仿真结果显示其微波场方向因子约为0.9.测量了基于该微波腔设计的腔泡系统的⁸⁷Rb原子双共振跃迁信号,并通过外推法得到铷原子吸收泡内双共振谱线的本征线宽约为452 Hz.在优化后的实验参数下,该腔泡系统散弹噪声对铷频标短期频率稳定度的限制可达到5.2×10^-13τ^-1/2.     

一种用于高性能铷频标的大尺寸开槽管微波腔的实现

铷原子频标的频率稳定度指标在很大程度上取决于物理系统所用微波腔的特性.本文设计了一款内径为40 mm的开槽管微波腔,并在此基础上实现了一款铷频标物理系统.计算和实验测量的微波腔内微波场的方向因子分别为0.87和0.91,表明微波场磁力线与量子化轴方向高度平行.测量了物理系统的鉴频斜率和散弹噪声,据此预计这种微波腔可满足设计稳定度优于2×10^-13τ^-1/2铷频标的需求.     

铷原子频标数字温控电路的设计

为了实现铷原子频标数字化、小型化、低功耗的需求,采用单片机、模数转换器设计出一种基于PID控制算法的铷频标数字温控系统,介绍了PID控制算法的基本原理和参数的工程整定法. 实验结果表明：该数字温控系统与传统模拟温控系统相比,控温精度相当,功耗与体积均有所减小. 该数字温控电路可满足小型化铷原子频标工作的需求.      

一种铷原子频标频率综合器新方案的设计与实现

数字化和小型化是铷原子频标（RAFS）发展的重要方向．在传统铷原子频标电路中,6 840 MHz微波信号与频率综合器产生的5.312 5 MHz信号进行混频,得到用于激励铷原子跃迁的6 834.687 5 MHz微波探寻信号．早期铷频标的频率综合器大量使用了分立的模拟器件,数字化程度低、参数优化工作繁杂、电路体积较大．目前常用直接数字频率合成器（DDS）方案直接产生5.312 5 MHz信号,但这种数字电路方案通常需要对10 MHz信号进行倍频,它存在频谱纯度较低、相位噪声高等缺点．本文介绍一种产生5.312 5 MHz信号的频率综合器解决方案,这种设计方案在应用DDS器件时无需使用10 MHz倍频电路,它具有频谱纯度较高、相位噪声低、输出频率和相位可调等优点．     

铷光谱灯的光谱研究

Rb光谱灯是Rb原子频标的重要部件。Rb光谱灯发出的光含有两种成分,一种是对原子跃迁信号有贡献的有效光成分,一种是仅体现为光噪声的无效光成分。尽可能地增强Rb光谱灯有效光成分并抑制无效光成分,对于提高Rb原子频标锁频环路的信噪比从而改善Rb原子频标的频率稳定度具有重要意义。利用单色仪获得了分别充有起辉气体Ar, Kr和Xe的三种常用Rb光谱灯的光谱,分析了三种Rb光谱灯的光谱特性,讨论了如何提高有效光强和抑制无效光强的问题。实验和分析结果表明,Rb光谱灯有效光强与所用起辉气体的种类和灯泡的工作温度密切相关。灯泡工作温度较低时,Xe灯有用光强最大,Kr灯次之,Ar灯最低;当灯泡工作温度较高时,Xe灯有用光强仍最大,Ar灯次之,Kr灯最低。分析还表明,采用合适的光学滤光方法可以有效地滤除Rb光谱灯的无效光成分。     

一种非连续微波探询信号的实现

铷原子频标（RAFS）的微波探询信号可用于激励铷原子产生基态能级之间的跃迁，从而实现共振探测.目前常用的微波产生方案都存在电路结构复杂、功耗大、不便于集成的缺点.本文提出了一种利用锁相环（PLL）技术产生非连续微波探询信号的设计方案，这种方案以10 MHz信号作为参考频率，在单片机的合理配置下可直接得到（6 834.687 5 MHz±f_M）信号（f_M表示最大频偏）.该方案具有电路结构简单、功耗低、数字化程度高等优点，利用该方案实现的整机稳定度优于1.5E-11/√τ（1 s≤τ≤100 s），性能指标均可满足小型商业铷原子钟要求.     

一种小型铷原子频标功率稳幅电路

传统的铷原子频标（RAFS）射频电路所采用的饱和输出的方式虽然能稳定射频信号幅度,但是无法稳定射频信号波形,导致微波功率稳定性不够理想．本文介绍了一种铷原子频标微波功率稳幅电路方案,该方案以阶跃恢复二极管（SRD）的偏置电压为参考,通过控制可变增益放大器（VGA）的增益实现自动增益控制（AGC）．该方案在控制射频信号幅度的同时亦控制其波形．结果表明该方案能有效改善铷原子频标的微波信号功率的稳定性．