星載MEMS原子鐘穩(wěn)頻系統(tǒng)的優(yōu)化及實驗研究

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光譜研制出的被動型CPT原子頻標具有體積小、功耗低、啟動快等特點。CPT頻標是原理上唯一能制成芯片級尺寸的原子頻標，不僅在基礎研究領域有重大意義，而且在深空探測、衛(wèi)星導航、航天航空、數(shù)字通信、同步系統(tǒng)等對時間、頻率要求嚴格的領域有著廣泛的應用前景。20世紀90年代以來，激光冷卻技術飛速發(fā)展，極大促進冷原子鐘、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)化及實驗研究。

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能級與激發(fā)態(tài)構成的A 三能級作用，當兩束激光滿足雙光子共振條件時，原子布居數(shù)被捕獲在基態(tài)的兩個超精細能級上。不再吸收光子；當其中一束光的頻率在原子共振頻率附近掃描時，光在原子介質中的透射強度呈現(xiàn)為電磁誘導透明信號，電磁誘導透明信號經過處理后，可作為誤差信號來鎖定與調制驅動信號有關的本振信號，從而實現(xiàn)原子鐘環(huán)路。得到高精度和高穩(wěn)定度的頻率標準，其評價指標為：短期穩(wěn)定性和頻率漂移。CPT效應是由激光與原子相互作用產生的，其窄小帶寬對激光頻率穩(wěn)定性提出高要求。只有當激光頻率穩(wěn)定性滿足要求，持續(xù)產生CPT效應，才能確保原子鐘的計量精度。

3 穩(wěn)頻系統(tǒng)優(yōu)化設計
頻率穩(wěn)定性通常指激光器在連續(xù)運轉時．在一定的時間間隔內平均頻率v與該時間內頻率變化量 △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，前者指觀測取樣時間在1 s以內的頻率變化，而大于1 s觀測平均時間的就視為長期穩(wěn)定度。頻率復現(xiàn)性是表示激光器在不同時間、地點等條件下頻率重復或再現(xiàn)的精度。
由此可見，頻率的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性是兩個不同的概念。因此，對一臺穩(wěn)頻激光器，不僅要看其穩(wěn)定度。而且還要看它的頻率復現(xiàn)性如何。由于激光頻率對環(huán)境溫度的變化、機械振動等外界干擾極端敏感，即使采取嚴格措施，自由運轉的激光器頻率穩(wěn)定性和復現(xiàn)性也不能達到量級。必須使用電子伺服系統(tǒng)自動控制激光器，當外界影響使激光頻率偏離特定的參考頻率時，可以通過鑒頻信號，由電子伺服系統(tǒng)自動調節(jié)，將激光器的頻率回復到特定的參考頻率以達到穩(wěn)頻的目的。