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《中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)》 2019年
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铯喷泉钟激光稳频技术和原子选态方法研究

余凤翔  
【摘要】:当今世界上各种科学技术测量中,最为准确的要算是对时间频率的测量了。现在国际上正式采用铯原子跃迁频率9192631770Hz作为时间单位“秒”(s)的定义,即“1s是相当于铯原子基态超精细能级跃迁辐射周期的9192631770倍的持续时间”。“秒”定义的频率为位于海平面上的~(133)铯(~(133)Cs)原子基态在零磁场中的两个超精细能级的跃迁频率,铯冷原子喷泉钟作为能复现上述“秒”定义的装置,实际上各种环境以及系统因素的干扰,会使输出信号的频率与基准频率有频率偏移。闭环后铯原子喷泉钟给出的误差信号,通过伺服控制系统使受控晶体振荡器的频率得到纠正,输出信号频率的稳定性决定于原子跃迁频率的稳定性。原子频标的基本性能指标是其频率稳定度和频率不确定度。频率稳定度描述输出信号的波动程度,一般采用阿仑方差表征,这种波动是由频率噪声引起的,探测激光噪声是影响频率稳定度的重要来源之一。频率不确定度表示输出频率与其标称频率的吻合程度,由各种物理因素引起的相对频移的不确定度的合成来估算,其中,冷原子碰撞频移是很重要的一项,它的频移不确定度的评估直接影响到铯原子喷泉钟准确度的性能指标。本学位论文围绕喷泉钟的两大性能指标频率稳定度和频率准确度展开研究,首先在具有抗振特性的外腔半导体激光器基础上,研究了具有调制转移光谱的稳频技术对铯原子喷泉钟探测激光系统进行稳频;研究了能够获得高低密度原子样品数目比例恒为2的选态冷原子团的量子绝热跃迁技术。然后在实现的技术基础上,测得了铯原子喷泉钟的冷原子碰撞频移及其不确定度,具体可将研究内容和成果归纳为以下四个方面:(一)铯原子喷泉钟探测激光系统的稳频。NTSC-CsF1的852nm波长的抗振外腔半导体激光器,它具有参数自恢复锁频功能,且准直性好、亮度高,在此基础上,搭建调制转移光谱技术的电路和光路稳频系统,成功应用于铯原子喷泉钟装置。分析研究了基于电光调制器EOM的调制以及近简并四波混频后的光束通过探测器后的拍频所实现的调制转移的原理,测试了所获得的探测激光的饱和吸收光谱及其误差信号的特性。在误差信号的鉴频基础上,能够获得信噪比更高、锁频时间更长的探测激光频率,提升了探测激光系统的稳定性。(二)铯原子喷泉钟选态样品原子的制备。在铯原子喷泉钟光学系统、物理系统、微波频率综合系统、控制系统及电子学系统共同工作的基础上,搭建满足量子绝热跃迁条件的微波频率、功率综合系统,成功的制备了高低原子团数目比恒为2的选态冷原子团。分析研究了铯原子喷泉钟的选态过程及原理,分析了量子绝热跃迁的过程和原理,测得了所获得的高低密度比为2的选态冷原子团的数目波动比以及百秒稳定度。在量子绝热跃迁基础上得到了按事先预计好的成倍数关系的冷原子样品。(三)频率、功率随任意波形变化的微波功率模块的研制。在量子绝热跃迁技术理论及实验可行的基础上,把所需设备及元件进行模块化,易于操作。目前国内相关的产品可以满足该要求,需要零件进行集成。最后根据实验测试,成功研制了这个功率模块。(四)冷原子碰撞频移的评定技术研究。在量子绝热跃迁技术制备选态冷原子团,获得冷原子团高低数目密度比恒为2的基础上,采用高低密度交替上抛运行250个周期的方法,连续运行15天,测得冷原子团高密度及低密度的频率。分析研究了原子密度与冷原子碰撞频移的原理,分析了差分法测量冷原子碰撞频移所满足的条件,分析了冷原子碰撞频移及其不确定度的计算方法,测得了铯原子喷泉钟的冷原子碰撞频移及其不确定度,得到了更好的评定指标。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM935.1

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