高稳铷原子频标的参数优化及激光抽运铷原子频标研究

【摘要】：原子频标是原子物理和现代电子学相结合的高科技产物，同时又对现代科学和技术的发展有着巨大的影响，在卫星定位和导航、大地测量、数据通讯、科学研究等领域里发挥了重大作用。而铷汽泡频标以其轻便、价廉和低功耗为优势，是至今应用最广泛的一种原子频标，尤其是在空间应用上。而激光抽运铷原子频标用半导体激光器代替传统的铷谱灯作为抽运光源，理论上其短稳指标至少要比谱灯抽运频标高一数量级，且保留体积小、功耗低等优点，极有可能成为下一代星载频标。 原子频标的工作参数优化对频标性能具有十分重要的意义。原子频标不仅与选取的方案和部件的质量有关，而且与系统的密切调试相关。若参数设置不当，会严重影响频标的各项指标。本论文的主要工作是对小型化高稳铷原子频标的参数进行优化，和对激光抽运铷原子频标的实验研究。 ● 本文首先对原子频标的发展和历史进行了综述，叙述了被动型铷原子频标的基本工作原理和环路控制过程。应用环路的线性模型和噪声理论，分析了各环路部件噪声对频率稳定度的影响。 ● 从理论和实验上对影响频标短稳的因素进行分析，得出系统的短稳主要取决于量子系统的鉴频斜率和系统的噪声，针对各种影响因素，结合实验结果，对系统的若干参数进行了优化，使频标短稳达σ_y(τ)=4.2×10~(-12)／τ~(1/2)。 ● 研制了一种使用于小型化铷原子频标中的高性能微波谐振腔，它的腔频温度系数比传统的微波腔的腔频温度系数约小一个量级。根据“腔牵引效应”理论，使用这种新型的微波腔可使频标的长稳和漂移有所改善。 ● 系统分析了影响如原子频标长稳和漂移的主要因素，如光强频移、压力频移、微波功率频移和磁致频移等。为了减小这些因素对频标稳定度影响，对灯激励功率、灯温、吸收泡温度、C场电流和光强等参数进行了优化。使频标的长稳和漂移有较明显的改善。 ● 用腔外饱和吸收稳频和声光调制移频方法，对半导体激光器的频率进行稳频和移频，使激光器的频率锁定于Rb~(87)原子D_2线的超精细子能级间的跃迁频率上，使激光器的有效线宽小于1MHz。 ● 用稳频后的半导体激光器代替铷谱灯作为抽运光源，实现了激光抽运铷频标的正常运转，并对其有关指标和参数进行了初步测量。 ● 本文第六章是对激光抽运铷频标的后续工作的设想，希望通过对激光器和微波信号源的噪声进行抑制，使激光抽运铷频标的稳定度指标大大提高。 最后是本论文的总结。