星載MEMS原子鐘穩(wěn)頻系統(tǒng)的優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究

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(xiàn)象。利用高分辨CPT光譜研制出的被動(dòng)型CPT原子頻標(biāo)具有體積小、功耗低、啟動(dòng)快等特點(diǎn)。CPT頻標(biāo)是原理上唯一能制成芯片級尺寸的原子頻標(biāo)，不僅在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有重大意義，而且在深空探測、衛(wèi)星導(dǎo)航、航天航空、數(shù)字通信、同步系統(tǒng)等對時(shí)間、頻率要求嚴(yán)格的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。20世紀(jì)90年代以來，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(wěn)頻系統(tǒng)的優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)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(xì)能級與激發(fā)態(tài)構(gòu)成的A 三能級作用，當(dāng)兩束激光滿足雙光子共振條件時(shí)，原子布居數(shù)被捕獲在基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級上。不再吸收光子；當(dāng)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(qiáng)度呈現(xiàn)為電磁誘導(dǎo)透明信號，電磁誘導(dǎo)透明信號經(jīng)過處理后，可作為誤差信號來鎖定與調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號有關(guān)的本振信號，從而實(shí)現(xiàn)原子鐘環(huán)路。得到高精度和高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)，其評價(jià)指標(biāo)為：短期穩(wěn)定性和頻率漂移。CPT效應(yīng)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(wěn)定性提出高要求。只有當(dāng)激光頻率穩(wěn)定性滿足要求，持續(xù)產(chǎn)生CPT效應(yīng)，才能確保原子鐘的計(jì)量精度。

3 穩(wěn)頻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
頻率穩(wěn)定性通常指激光器在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)．在一定的時(shí)間間隔內(nèi)平均頻率v與該時(shí)間內(nèi)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(wěn)定性越好。在工程上，有時(shí)也把S的倒數(shù)稱為穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度又可分為短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度，前者指觀測取樣時(shí)間在1 s以內(nèi)的頻率變化，而大于1 s觀測平均時(shí)間的就視為長期穩(wěn)定度。頻率復(fù)現(xiàn)性是表示激光器在不同時(shí)間、地點(diǎn)等條件下頻率重復(fù)或再現(xiàn)的精度。
由此可見，頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性是兩個(gè)不同的概念。因此，對一臺(tái)穩(wěn)頻激光器，不僅要看其穩(wěn)定度。而且還要看它的頻率復(fù)現(xiàn)性如何。由于激光頻率對環(huán)境溫度的變化、機(jī)械振動(dòng)等外界干擾極端敏感，即使采取嚴(yán)格措施，自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性也不能達(dá)到量級。必須使用電子伺服系統(tǒng)自動(dòng)控制激光器，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離特定的參考頻率時(shí)，可以通過鑒頻信號，由電子伺服系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，將激光器的頻率回復(fù)到特定的參考頻率以達(dá)到穩(wěn)頻的目的。