可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场的设计与优化

喷泉钟量子化轴磁场的空间均匀性和时间稳定性是制约原子钟输出频率稳定度和不确定度的重要因素.从外磁场屏蔽、磁场线圈设计、线圈电流源稳定性等方面考虑,构建并优化设计了一套可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场系统.为了消除环境磁场对量子化轴磁场的影响,使用5层坡莫合金磁屏蔽进行外磁场的屏蔽;利用4组对称的补偿线圈,通过计算给予合适的电流,获得喷泉钟内部30 cm原子自由飞行尺度内磁场波动小于1 nT;通过改善C场供电电流方式,从而优化量子化轴磁场的时间稳定性,磁场随时间的波动小于0.1 nT.优化后喷泉钟长期频率稳定度达2.9×10-16,磁场空间分布不均匀性带来的二阶塞曼频移不确定度为3.4×10-19,由磁场随时间波动带来的二阶塞曼频移的不确定度为5.1×10-17.     

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.     

基于人工神经网络在线学习方法优化磁屏蔽特性参数

磁屏蔽在磁场敏感的装置如原子钟、原子干涉仪等精密设备中发挥重要的作用,在变化外磁场下的某个磁屏蔽内部剩余磁场,可以通过Jiles-Atherton磁滞模型和磁屏蔽系数计算得出,根据计算结果可以进行主动补偿来抵消内部磁场的改变.然而实际应用中磁滞模型中五个与磁屏蔽相关的参数以及磁场衰减的两个参数的准确值的获得是比较困难的,通常根据实测磁滞回线人工匹配调节参数会花费大量时间且很难确保最终参数是全局最优值.基于人工神经网络的机器学习方法已经成为一种对复杂模型进行参数优化的有效手段,得益于现代计算机强大的运算能力,该过程通常远远快于人工参数调节,并有更大概率找到全局最优值,获得优于手工调节的参数值.本文利用人工神经网络在线机器学习的方法,对磁滞模型的五个参数与磁屏蔽的另外两个屏蔽相关参数进行优化测定,并对模拟卫星磁场环境下磁屏蔽内剩余磁场进行预测.通过实际测量屏蔽筒内剩余磁场与预测值比对,发现通过机器学习方法得到的磁屏蔽特性参数优于手动找到的参数,且所用时间大大缩短.该结果不仅有助于更好地进行磁场补偿,用于冷原子系统参数优化调整,更重要的是验证了神经网络在多参数物理系统中的应用,可以使其他多参数共同作用的物理实验进行最优参数的快速确定.     

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.      

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.     

原子钟与相关物理学的研究

文章介绍了半个多世纪以来北京大学在原子钟与相关物理学研究方面的简况,其中包括光抽运碱金属汽室型、原子束型、激光抽运频率标准以及冷原子物理的研究.文章阐明了原子钟的基本工作原理、主要性能及其与各种物理因素的关系,叙述了提高汽室频标光抽运效率与降低各种频移和减少谱线增宽因素影响的方法.此外,还介绍了原子束频标中的Majorana跃迁研究、光抽运铯钟中解决长期工作与长期频率稳定度难题以及冷原子钟的一些设想等研究成果.     

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.     

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.     

Evaluation of second-order Zeeman frequency shift in NTSC-F2

Caesium atomic fountain clock is a primary frequency standard, which realizes the duration of second. Its performance is mostly dominated by the frequency accuracy, and the C-field induced second-order Zeeman frequency shift is the major effect, which limits the accuracy improvement. By applying a high-precision current supply and high-performance magnetic shieldings, the C-field stability has been improved significantly. In order to achieve a uniform C-field, this paper proposes a doubly wound C-field solenoid, which compensates the radial magnetic field along the atomic flight region generated by the lead-out single wire and improves the accuracy evaluation of second-order Zeeman frequency shift. Based on the stable and uniform C-field, we launch the selected atoms to different heights and record the magnetically sensitive Ramsey transition|F = 3, mF=-1 → |F = 4, mF=-1 central frequency, obtaining this frequency shift as 131.03×10~(-15) and constructing the C-field profile(σ = 0.15 n T). Meanwhile, during normal operation, we lock NTSC-F2 to the central frequency of the magnetically sensitive Ramsey transition |F = 3, mF=-1 → |F = 4, mF=-1 fringe for ten consecutive days and record this frequency fluctuation in time domain. The first evaluation of second-order Zeeman frequency shift uncertainty is 0.10×10~(-15). The total deviation of the frequency fluctuation on the clock transition induced by the C-field instability is less than 2.6×10~(-17). Compared with NTSC-F1, NTSC-F2, there appears a significant improvement.     

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.     

Analysis of the influence shifts of the acetylene of various effects on frequency saturated absorption lines

Frequency shifts of the acetylene saturated absorption lines at 1.5μm with temperature, gas pressure and laser power have been investigated in detail. The second-order Doppler effect, the recoil effect, the Zeeman effect, the pressure shift and the power shift are taken into consideration. The magnitudes of those shifts caused by various effects are evaluated. In order to reproduce the stability of 5.7 × 10^-14 obtained by Edwards, all necessary conditions are given. The results show that when there is a larger external magnetic field, the Zeeman shift could not be neglected, so that the shield should be employed. And the design of a long cavity is advantageous to reduce the influence of the second-order Doppler effect. The results also show that at least 4-2.5℃ temperature control for cavity can effectively prevent several effects and improve the frequency stability.     

Analysis of the influence of various effects on frequency shifts of the acetylene saturated absorption lines

Frequency shifts of the acetylene saturated absorption lines at 1.5\,$\mu$m with temperature, gas pressure and laser power have been investigated in detail. The second-order Doppler effect, the recoil effect, the Zeeman effect, the pressure shift and the power shift are taken into consideration. The magnitudes of those shifts caused by various effects are evaluated. In order to reproduce the stability of $5.7\times10^{ - 14}$ obtained by Edwards, all necessary conditions are given. The results show that when there is a larger external magnetic field, the Zeeman shift could not be neglected, so that the shield should be employed. And the design of a long cavity is advantageous to reduce the influence of the second-order Doppler effect. The results also show that at least $\pm $2.5\du\ temperature control for cavity can effectively prevent several effects and improve the frequency stability.     

光抽运小型铯束频标中光频移的测量与分析

在弥漫激光场抽运斜入射光检测小型铯原子束频标实验系统上 ,对弥漫激光场产生的散射光所引起的光频移 (主要是交流斯塔克移动 )以及光抽运区产生的荧光引起的光频移对铯束频标准确度的影响作了仔细的实验测量 ,并与理论计算结果作了比较分析。测量结果表明在正常工作条件下 ,散射光引起的光频移小于 - 2× 10 -13 ,荧光引起的光频移值在 0 8× 10 -13 左右 ,这样的光频移对小型光抽运铯束频标来说是可以接受的。     

用于全光铯原子磁力仪的激光器稳频技术研究

全光铯原子磁力仪是采用光学的方法实现微弱磁场检测,激光频率稳定性直接影响磁力仪的灵敏度。分析了二向色性原子蒸气激光频率锁定(Dichroic atomic vapor laser lock DAVLL)技术用于稳定激光器频率的原理,及其在全光原子磁力仪中的应用优势,发现通常的二能级原子模型不适用于分析铯原子D2线的稳频。实验测量了不同磁场下铯原子D2线基态Fg=4和Fg=3跃迁的DAVLL光谱,发现16mT是实现DAVLL稳频的最佳磁场;在此磁场附近,基态Fg=4跃迁鉴频曲线零点相对于Fg=4→Fe=5跃迁会产生6MHz/mT的线性频移,基态Fg=3跃迁鉴频曲线零点相对于Fg=3→Fe=4线会产生-9MHz/mT的线性频移。     

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．