一种小型化铷原子钟锁相倍频窄带VCO设计

设计了一款用于小型化铷原子钟锁相倍频器的窄带VCO(压控振荡器)电路.振荡电路采用了稳定性好的克拉泼电路方案.应用仿真软件对该电路进行仿真分析和优化设计.最终设计出的VCO电路主要性能指标为:输出频率范围为440 MHz~470 MHz,频率调谐灵敏度为18 MHz/V,二次谐波抑制度为-15 d Bc,由其构成的锁相倍频器实现了低相噪设计要求,使小型化铷原子钟具备了实现高的频率稳定度潜力.     

一种微波倍频方案在小型化铷钟的应用

为了进一步实现铷原子钟的小型化,介绍了一种小型化铷钟微波倍频电路的设计及初步实现情况. 该倍频电路利用数字锁相环将晶体振荡器输出的10 MHz参考信号直接倍频至6 834.68XX MHz,并对该信号进行2FSK调制. 受调制的微波信号经过功率调整后馈入物理系统微波腔中,激励铷原子基态超精细能级跃迁. 这种微波调频倍频电路方案具有体积小,调试简单的特点. 将该电路用于小型化铷钟,初步测试结果表明,其短期频率稳定度可以达到1.8×10^-11τ^-1/2的水平.     

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.     

散弹噪声极限稳定度优于1×10-13τ-1/2的铷频标物理系统

近年来,铷原子频标研究取得长足进展,频率稳定度达到10^-13τ^-1/2量级.为进一步改善铷频标稳定度性能,本文设计了一种高信噪比物理系统.物理系统中的腔泡组件采用微波场磁力线与量子化轴方向高度平行的开槽管式微波腔,滤光泡和吸收泡独立控温.抽运光源采用了光学滤光和同位素滤光双重滤光方案.本文实测了背景光电流I₀和鉴频斜率K_d,结果分别为95 μA和7.7 nA/Hz,在此基础上计算物理系统的散弹噪声极限稳定度为7.5×10^-14τ^-1/2.研究结果表明,只要锁频环路的电子学噪声得到有效控制,铷频标的频率稳定度突破1×10^-13τ^-1/2,进入10^-14τ^-1/2量级是完全可能的.     

一种高稳定的半导体二极管激光稳频方法

研究了一种高稳定的半导体激光二极管稳流与恒温控制电路 ,以及锁定于铷原子D2 线的稳频实验方法。使用该电路 ,半导体激光管的注入电流与工作温度稳定度可达 10 -5;锁定于原子谱线后 ,半导体二极管激光的频率稳定度在平均采样时间 10S内可达 10 -9。     

激光抽运铷原子频标实验研究

采用饱和吸收偏振稳频半导体激光器,建立了激光抽运铷频标实验系统. 实现了该系统的闭环锁定. 进行了频率稳定度的初步测试,短期稳定度为1.2×10^-11 τ^-1/2. 对测试结果进行了分析,并提出了相应的改进措施.     

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.     

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.      

小型化铷原子钟高精度频率调节电路设计

在GPS驯服铷钟等相关应用领域中，小型化铷原子钟的频率调节精度是一项重要性能指标．该性能一般由铷钟整机系统中倍频综合器的数字锁相环（PLL）分辨率决定．目前作者所在的课题组研制了一款小型化高性能铷原子钟，具有良好的稳定度指标，但其频率调节无法满足高精度的需求．针对这一问题，本文对原小型化铷原子钟的倍频综合电路进行了分析研究和改进设计，基于一款高精度直接数字频率合成器（DDS）芯片设计了一种小数倍频综合电路，在保证小型化铷原子钟仍具有高稳定度指标的同时，实现了其高精度频率调节的功能．     

一种用于铷原子频标的小型化低噪声10 MHz晶体振荡器设计

本文设计了一种应用于铷原子频标的小型化低噪声石英晶体振荡器,其振荡电路采用柯尔匹兹并联形式和SC切晶体谐振器．基于Leeson模型对石英晶体振荡器相位噪声进行分析,并利用ADS射频仿真软件对振荡电路进行仿真模拟,为振荡器设计与调试提供指导．最终实现体积为22 mm×28.5 mm×13 mm低噪声晶体振荡器,它具有良好的相位噪声特性,其近端相噪为-102.7 dBc/Hz@1 Hz、远端相噪为-164.2 dBc/Hz@10 kHz,且实测短期频率稳定度为1.73×10^-12/s.     

Rubidium-beam microwave clock pumped by distributed feedback diode lasers

A rubidium-beam microwave clock, optically pumped by a distributed feedback diode laser, is experimentally investigated. The clock is composed of a physical package, optical systems, and electric servo loops. The physical package realizes the microwave interrogation of a rubidium-atomic beam. The optical systems, equipped with two 780-nm distributed feedback laser diodes, yield light for pumping and detecting. The servo loops control the frequency of a local oscillator with respect to the microwave spectrum. With the experimental systems, the microwave spectrum, which has an amplitude of 4 n A and a line width of 700 Hz, is obtained. Preliminary tests show that the clock short-term frequency stability is 7 × 10~(-11) at 1 s, and 3 × 10~(-12) at 1000 s. These experimental results demonstrate the feasibility of the scheme for a manufactured clock.     

原子喷泉频标:原理与发展

介绍了喷泉频标的原理与发展.喷泉频标是一项近20年来发展起来的原子钟技术,它以激光冷却技术为基础,利用该技术实现了冷原子介质的俘获与上抛.冷原子介质在上抛下落过程中首先完成原子态制备,然后两次通过微波谐振腔实现Ramsey作用,在两次作用之间原子经历自由演化,最后原子经过探测区,通过双能级荧光探测法探测原子跃迁概率得到鉴频的Ramsey干涉条纹,并实现频率锁定,其中心条纹的线宽在1Hz左右.频率稳定度和频率不确定度是喷泉频标的两个重要指标.影响喷泉钟频率稳定度的因素主要有量子投影噪声和电子学噪声,目前喷泉钟的短期稳定度为(10~(-13)—10~(-14))τ~(-1/2),长期稳定度在(10~(-16)—10~(-17))量级.喷泉频标的频率不确定度主要受二阶塞曼频移、黑体辐射频移、冷原子碰撞频移以及与微波相关的频移等的影响.目前喷泉钟的不确定度在小的10~(-16)量级.作为基准频标,喷泉钟的工作介质主要是~(133)Cs,~(87)Rb.国际各大计量机构都研制了喷泉频标,它在各地协调世界时的建立、国际原子时的校准等方面发挥着越来越重要的作用.此外,喷泉频标还用于研究高精度时频基准和时间比对链路、验证基本物理理论等.     

锐钛矿金红石的高温原位X射线衍射研究

对TiO₂粉末进行了空气和真空条件下从室温到1200℃的加热原位X射线衍射实验, 得到了空气和真空条件下微米级锐钛矿颗粒转变为金红石的起始温度分别为850℃ 和855℃; 分别修正了空气条件下锐钛矿在(27–850℃)范围和金红石在(900–1200℃) 范围内的晶胞参数和真空条件下锐钛矿在(27–850℃)范围和金红石在(950–1200℃) 范围的晶胞参数, 从而得到了晶胞参数随温度变化的关系, 得到了锐钛矿和金红石在空气中和真空中的热膨胀系数, 并总结了热膨胀系数随温度变化的规律. 室温下锐钛矿在空气条件下的热膨胀系数为 α_a=4.55063×10^-6/℃, α_c=7.7543×10^-6/℃, β=16.85836×10^-6/℃; 真空下为 α_a=4.69429×10^-6/℃, α_c=9.02850×10^-6/℃, β=18.69688×10^-6/℃. 室温下, 金红石在空气条件下的热膨胀系数为 α_a=6.81243×10^-6/℃, α_c=8.71644×10^-6/℃, β=22.22178×10^-6/℃; 真空条件下为 α_a=6.05834×10^-6/℃, α_c= 8.39280×10^-6/℃, β=20.52362×10^-6/℃. 关键词： 2')" href="#">TiO₂ 原位X射线衍射 相转变 热膨胀     

Joint transfer of time and frequency signals and multi-point synchronization via fiber network

A system of jointly transferring time signals with a rate of 1 pulse per second(PPS) and frequency signals of 10 MHz via a dense wavelength division multiplex-based(DWDM) fiber is demonstrated in this paper.The noises of the fiber links are suppressed and compensated for by a controlled fiber delay line.A method of calibrating and characterizing time is described.The 1PPS is synchronized by feed-forward calibrating the fiber delays precisely.The system is experimentally examined via a 110 km spooled fiber in laboratory.The frequency stabilities of the user end with compensation are1.8×10~(-14) at 1 s and 2.0×10~(-17) at 10~4 s average time.The calculated uncertainty of time synchronization is 13.1 ps,whereas the direct measurement of the uncertainty is 12 ps.Next,the frequency and 1PPS are transferred via a metropolitan area optical fiber network from one central site to two remote sites with distances of 14 km and 110 km.The frequency stabilities of 14 km link reach 3.0×10~(-14) averaged in 1 s and 1.4×10~(-17) in 10~4 s respectively;and the stabilities of 110 km link are 8.3×10~(-14) and 1.7×10~(-17),respectively.The accuracies of synchronization are estimated to be 12.3 ps for the14 km link and 13.1 ps for the 110 km link,respectively.     

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.     

用于光频传递的通信波段窄线宽激光器研制及应用

通信波段窄线宽激光器在基于光纤的光学频率传递中有着重要应用. 本文报道了1550 nm超窄线宽光纤激光器的研制及其在光学频率传递中的初步应用结果. 利用一台激光光源, 分别锁定到两个参考腔上(精细度分别为344000和296000), 锁定后经拍频比对测得单台激光线宽优于1.9 Hz, 秒级频率稳定度为1.7×10^-14, 优于国内同类报道. 将研制的超窄线宽激光器用于光纤光学频率传递, 在50 km光纤盘上实现了 7.5×10^-17/s的传递稳定度, 较采用商用光纤激光器提高了3.2倍.     

Evaluation of the frequency instability limited by Dick effect in the microwave ~(199)Hg~+ trapped-ion clock

In the microwave ~(199)Hg~+ trapped-ion clock, the frequency instability degradation caused by the Dick effect is unavoidable because of the periodical interrogating field. In this paper, the general expression of the sensitivity function g(t)to the frequency fluctuation of the interrogating field with Nπ-pulse(N is odd) is derived. According to the measured phase noise of the 40.5-GHz microwave synthesizer, the Dick-effect limited Allan deviation of our ~(199)Hg~+ trapped-ion clock is worked out. The results indicate that the limited Allan deviations are about 1.75 × 10~(-13)τ~(1/2) and 3.03 × 10~(-13)τ~(1/2) respectively in the linear ion trap and in the two-segment extended linear ion trap under our present experimental parameters.