星載MEMS原子鐘穩頻系統的優(yōu)化及實(shí)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(chǎn)生的一種量子干涉現象。利用高分辨CPT光譜研制出的被動(dòng)型CPT原子頻標具有體積小、功耗低、啟動(dòng)快等特點(diǎn)。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(lǐng)域有重大意義，而且在深空探測、衛星導航、航天航空、數字通信、同步系統等對時(shí)間、頻率要求嚴格的領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。20世紀90年代以來(lái)，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原子鐘穩頻系統的優(yōu)化及實(shí)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(mǎn)足雙光子共振條件時(shí)，原子布居數被捕獲在基態(tài)的兩個(gè)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(shí)，光在原子介質(zhì)中的透射強度呈現為電磁誘導透明信號，電磁誘導透明信號經(jīng)過(guò)處理后，可作為誤差信號來(lái)鎖定與調制驅動(dòng)信號有關(guān)的本振信號，從而實(shí)現原子鐘環(huán)路。得到高精度和高穩定度的頻率標準，其評價(jià)指標為：短期穩定性和頻率漂移。CPT效應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定性提出高要求。只有當激光頻率穩定性滿(mǎn)足要求，持續產(chǎn)生CPT效應，才能確保原子鐘的計量精度。

3 穩頻系統優(yōu)化設計
頻率穩定性通常指激光器在連續運轉時(shí)．在一定的時(shí)間間隔內平均頻率v與該時(shí)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，表示頻率的穩定性越好。在工程上，有時(shí)也把S的倒數稱(chēng)為穩定度。頻率穩定度又可分為短期穩定度和長(cháng)期穩定度，前者指觀(guān)測取樣時(shí)間在1 s以?xún)鹊念l率變化，而大于1 s觀(guān)測平均時(shí)間的就視為長(cháng)期穩定度。頻率復現性是表示激光器在不同時(shí)間、地點(diǎn)等條件下頻率重復或再現的精度。
由此可見(jiàn)，頻率的穩定性和復現性是兩個(gè)不同的概念。因此，對一臺穩頻激光器，不僅要看其穩定度。而且還要看它的頻率復現性如何。由于激光頻率對環(huán)境溫度的變化、機械振動(dòng)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定性和復現性也不能達到量級。必須使用電子伺服系統自動(dòng)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(shí)，可以通過(guò)鑒頻信號，由電子伺服系統自動(dòng)調節，將激光器的頻率回復到特定的參考頻率以達到穩頻的目的。