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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象。利用高分辨CPT光譜研制出的被動(dòng)型CPT原子頻標具有體積小、功耗低、啟動(dòng)快等特點(diǎn)。CPT頻標是原理上唯一能制成芯片級尺寸的原子頻標，不僅在基礎研究領(lǐng)域有重大意義，而且在深空探測、衛星導航、航天航空、數字通信、同步系統等對時(shí)間、頻率要求嚴格的領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。20世紀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原子鐘穩頻系統的優(yōu)化及實(shí)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)構成的A 三能級作用，當兩束激光滿(mǎn)足雙光子共振條件時(shí)，原子布居數被捕獲在基態(tài)的兩個(gè)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(shí)，光在原子介質(zhì)中的透射強度呈現為電磁誘導透明信號，電磁誘導透明信號經(jīng)過(guò)處理后，可作為誤差信號來(lái)鎖定與調制驅動(dòng)信號有關(guān)的本振信號，從而實(shí)現原子鐘環(huán)路。得到高精度和高穩定度的頻率標準，其評價(jià)指標為：短期穩定性和頻率漂移。CPT效應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定性提出高要求。只有當激光頻率穩定性滿(mǎn)足要求，持續產(chǎn)生CPT效應，才能確保原子鐘的計量精度。 3 穩頻系統優(yōu)化設計 頻率穩定性通常指激光器在連續運轉時(shí)．在一定的時(shí)間間隔內平均頻率v與該時(shí)間內頻率變化量 △v之比，即S=v／△v，很顯然，變化量△v越小，則S越大，表示頻率的穩定性越好。在工程上，有時(shí)也把S的倒數稱(chēng)為穩定度。頻率穩定度又可分為短期穩定度和長(cháng)期穩定度，前者指觀(guān)測取樣時(shí)間在1 s以?xún)鹊念l率變化，而大于1 s觀(guān)測平均時(shí)間的就視為長(cháng)期穩定度。頻率復現性是表示激光器在不同時(shí)間、地點(diǎn)等條件下頻率重復或再現的精度。 由此可見(jiàn)，頻率的穩定性和復現性是兩個(gè)不同的概念。因此，對一臺穩頻激光器，不僅要看其穩定度。而且還要看它的頻率復現性如何。由于激光頻率對環(huán)境溫度的變化、機械振動(dòng)等外界干擾極端敏感，即使采取嚴格措施，自由運轉的激光器頻率穩定性和復現性也不能達到量級。必須使用電子伺服系統自動(dòng)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(shí)，可以通過(guò)鑒頻信號，由電子伺服系統自動(dòng)調節，將激光器的頻率回復到特定的參考頻率以達到穩頻的目的。 3．1 調制器 該系統設計的伺服控制電路中，欲用10 kHz的正弦信號作為調制信號，故選用RC振蕩電路。正弦波發(fā)生器產(chǎn)生信號分2路，1路用作調制信號，1路用作解調信號。采用改進(jìn)后的維恩振蕩電路實(shí)現 RC正弦振蕩信號，得到實(shí)際頻率為9．79 kHz，與理論9．95 kHz相差160Hz，幅值調節范圍為50～1 100 mV。頻率及幅值均可滿(mǎn)足系統設計要求。 3．2 移相器 移相器用補償相位移動(dòng)，或對信號進(jìn)行反相處理。需要實(shí)現0°～360°范圍移相，并且有相位精調功能。采用全通濾波器設計，其特點(diǎn)是保持增益為1，調節時(shí)間常數可調節移相范圍。圖1為移相器原理圖及相移曲線(xiàn)。其傳遞函數為： 為使得9．79 kHz信號移相90°，設計移相器參數如下：R=1．6 Ω，R1=10 kΩ，C=10 nF；欲實(shí)現－90°移相，只需將圖1a中R與C調換。故選用與90°移相器相同參數即可實(shí)現－90°移相。180°移相可采用反相器實(shí)現。相位微調仍可采用全通濾波器實(shí)現，將其中的R或C換成可調的器件即可。保持C不變，設定R的變化范圍為1～7 kΩ，可滿(mǎn)足-47°～50°范圍內的微調。 3．3 鑒相器 鑒相器由模擬乘法器與低通濾波器構成，可通過(guò)檢測探測信號與參考信號的相位關(guān)系，給出與相位差對應的誤差信號，供校準器調節使用。模擬乘法器有多種用途，如增益控制、附加增益調整、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(shí)，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(shí)，相位差為0°或 180°時(shí)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(kāi)關(guān)3部分構成，其作用是校正鑒相器輸出的誤差信號，改善系統快速性與準確性。當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。根據設定功能要求，圖2為校準器原理。 圖2中，誤差零點(diǎn)調節的作用是使誤差信號經(jīng)PI控制器校準輸出鑒頻曲線(xiàn)的零點(diǎn)與中心頻率相對應。PI控制器零點(diǎn)調節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，并對低頻信號進(jìn)行積分放大。據此功能要求，設計如圖4所示的PI控制器原理圖。 其傳遞函數為： 鑒相器中低通濾波器截止頻率為200 Hz，故設定Pl控制器截止頻率為200 Hz。經(jīng)多次實(shí)驗比較，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中設定閾值電壓是判斷系統用于否超出鎖定范圍。對比PD檢測信號與閾值電壓，當檢測信號高于閾值電壓時(shí)，表明系統未失鎖，電壓比較器輸出正電壓：當檢測信號低于閾值電壓時(shí)，認為激光器失鎖，電壓比較器輸出負電壓。電壓比較器的輸出信號輸入到模擬開(kāi)關(guān)，控制模擬開(kāi)關(guān)的通斷。 4 87Rb飽和吸收穩頻實(shí)驗的研究 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(xiàn)，以其峰值點(diǎn)對應頻率作為鎖頻參考頻率。半導體激光器DL100中心波長(cháng)為780 nm，輸出功率為150 mW。DL100通過(guò)調節腔長(cháng)調節激光頻率，伺服系統將控制信號作用于PZT(壓電晶體陶瓷)，通過(guò)PZT調節腔長(cháng)，從而實(shí)現頻率調節。通過(guò)S曲線(xiàn)法，可以測得閉環(huán)后所得到的激光器的頻率穩定度在100 s內為： 此穩頻環(huán)路很好地改善了激光光源的頻率特性，為了獲得更穩定的CPT原子鐘信號，仍需進(jìn)一步優(yōu)化、完善此設計。 5 結束語(yǔ) 針對星載微型CPT原子鐘設計鎖頻電路系統，并詳細分析鎖頻系統中的調頻信號源、鑒相器、校準器等各部分電路模塊，最后利用飽和吸收穩頻實(shí)驗說(shuō)明該鎖頻系統能夠很好地完成激光的穩頻，100 s的頻率穩定度達到了1．6×10-12，完全滿(mǎn)足設計要求。 |
