宽带微波电场量子化计量技术研究

随着国际单位制7个基本单位已由基本物理常数定义,计量单位进入了量子化时代。基于里德堡原子干涉效应的微波电场测量技术,依托里德堡原子的稳定性、可复现性等特点,可实现对微波电场的高灵敏度、低不确定度测量,将微波场强幅值直接溯源至时间频率单位,实现场强参数溯源链路的扁平化。文章利用室温铯原子蒸汽室作为探头,采用AT分裂方案和外差法方案,实现了微波频率范围(1~40) GHz,场强幅度范围5 mV/m~10 V/m的微波电场精确测量。本工作在计量、雷达、太赫兹通信、电磁信号监测等领域有广泛的应用前景。     

基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术研究进展

近年来，采用里德堡原子的微波电场测量技术得到了迅速发展，获得了广泛应用。该电场探测技术是一项全新技术，可以将微波电场通过基本物理常数与频率测量直接关联，具有测量动态范围大、测量灵敏度高和测量不确定度小的特点，有望替代传统溯源路径，直接关联国际单位制（SI）。本文基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术原理，针对国内外微波电场的高准确度、高灵敏度和极化方向测量技术发展现状，和对微波电场测量的工程化光源系统，蒸气室探头的仿真验证实验和集成式蒸气室探头的设计研究等方面的相关进展做了详细介绍。     

国内外频率标准发展现状

时间频率在国家经济建设、科学研究、国家安全具有十分重要的意义。本文介绍了国内外高稳晶振、铷原子频率标准、守时型氢原子频率标准和铯原子频率标准、微型相干布局囚禁原子钟、低温蓝宝石微波源和超稳激光微波源以及铯原子喷泉钟的国内外发展情况、技术指标等。铷原子频率标准打破国外垄断，为北斗导航系统提供高精度的时间基准，守时型氢原子频率标准和铯原子频率标准已实现工程化，但日频率稳定度和日频率漂移率指标有待进一步提高，铯喷泉基准方面已接近国际先进水平，新型原子频标发展方兴未艾。     

主动光频标的研究进展

传统被动光钟激光锁频系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声,是目前光频标发展面临的主要技术瓶颈之一。主动式新型光频标利用光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级间形成多原子相干受激辐射,该受激辐射输出信号可直接作为钟跃迁信号使用,相比于被动光钟,主动光中原理上可实现更窄的量子极限线宽,并具有腔牵引抑制优势。分别介绍了国内外在主动光频标研究现状,主要介绍北京大学在该研究方向取得的理论及实验研究进展。为了实现窄线宽连续型主动光频标,提出双波长好坏腔方案减小剩余腔牵引效应对四能级主动光钟的影响,其中Nd:YAG 1 064nm好腔激光和铯原子1 470nm坏腔激光共腔输出,分别工作在好、坏腔区域,好腔激光通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术锁定主动光钟谐振腔的腔长,由于坏腔激光相比于好腔激光具有腔牵引抑制优势,因此坏腔激光线宽有望在腔长锁定之后的好腔激光的基础上进一步压窄。目前两套双波长系统的1 470nm钟激光拍频线宽受限于两个谐振腔腔长的相对抖动,为了抑制共模噪声对钟激光拍频信号的影响,并验证采用PDH稳频技术实现腔长锁定的可行性,本文利用相位锁定技术同步两套双波长好坏腔系统的谐振腔腔长,从而消除腔长共模噪声对钟激光拍频线宽的影响,进而分析除剩余腔牵引效应以外的其他因素对1470nm主动光频标的影响。     

主动光频标的研究进展

传统被动光钟激光锁频系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声，是目前光频标发展面临的主要技术瓶颈之一。主动式新型光频标利用光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级间形成多原子相干受激辐射，该受激辐射输出信号可直接作为钟跃迁信号使用，相比于被动光钟，主动光中原理上可实现更窄的量子极限线宽，并具有腔牵引抑制优势。分别介绍了国内外在主动光频标研究现状，主要介绍北京大学在该研究方向取得的理论及实验研究进展。为了实现窄线宽连续型主动光频标，提出双波长好坏腔方案减小剩余腔牵引效应对四能级主动光钟的影响，其中Nd:YAG 1 064nm好腔激光和铯原子1 470nm坏腔激光共腔输出，分别工作在好、坏腔区域，好腔激光通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术锁定主动光钟谐振腔的腔长，由于坏腔激光相比于好腔激光具有腔牵引抑制优势，因此坏腔激光线宽有望在腔长锁定之后的好腔激光的基础上进一步压窄。目前两套双波长系统的1 470nm钟激光拍频线宽受限于两个谐振腔腔长的相对抖动，为了抑制共模噪声对钟激光拍频信号的影响，并验证采用PDH稳频技术实现腔长锁定的可行性，本文利用相位锁定技术同步两套双波长好坏腔系统的谐振腔腔长，从而消除腔长共模噪声对钟激光拍频线宽的影响，进而分析除剩余腔牵引效应以外的其他因素对1 470nm主动光频标的影响。     

铯原子Ramsey跃迁仿真模型与实验研究

基于现有理论,建立了一种铯原子Ramsey跃迁仿真模型。该模型不仅可以对理想情况下微波腔内发生的跃迁线形进行仿真模拟,而且能够对铯束频标中比较常见的相邻σ跃迁、微波腔两互作用区相位差,以及C场不均匀对跃迁线形的影响进行模拟。实验测试与仿真模拟的对比表明:利用本模型可以高度还原铯束频标实验测得的跃迁线形,并给出具体的参数偏差,对铯束频标的频移分析与控制具有重要的指导作用。     

采用铯束管荧光稳频技术的小型光抽运铯原子频率标准

对于小型光抽运铯原子频率标准来说，激光稳频参考源的稳定性决定了激光系统的频率稳定性，进而决定了整机的频率稳定度指标。激光稳频可以采用饱和吸收稳频和铯束管荧光稳频两种方案。经对比了采用这两种激光稳频方式的整机指标，取得了初步的结果：与采用饱和吸收稳频相比，采用铯束管荧光稳频后，整机的短期稳定度指标没有明显恶化，长期稳定度指标有了明显提升，3.21E-14/100 000s，1.13E-14/400 000s，未出现闪变平台，仍在继续测试中。结果显示，铯束管荧光稳频技术应用光抽运小型铯原子频率标准，具有提高整机长期稳定度指标和增强环境适应性的潜力。     

光抽运小铯束频率标准中光频移的测量

对光抽运小铯束管的光频移进行了测量 ,并对结果进行了简要的分析 ,估算了射入Ramsey腔的相应光强。导致光频移的光源是抽运光和检测光通过漫反射进入微波腔的部分和原子束中的铯原子自发辐射所产生的荧光。     

通用原子公司高能激光器完成光束质量评估

<正>通用原子航空系统公司在4月8日宣布,美国政府授权的一家独立测量团队已经完成了对该公司Gen 3高能激光系统的光束质量和输出功率的测量。这次测量证实了Gen 3高能激光系统极高的光束质量,该激光系统堪称下一代电泵浦激光器的领导者,通用原子任务系统执行副总裁称。新的激光器采用了第三代技术,该技术继承自此前的"高能液体激光区域防御系统"(HELLADS)Gen 1。Gen 3激光     

导航铯原子钟的发展现状及趋势

1 引言 目前,国际上导航原子钟的类型主要是传统的原子钟,包括铷钟、氢钟和铯钟.在这三者中,铷原子钟在质量、体积、功耗等方面占有优势,氢钟在短期和中期稳定度指标方面占有优势,铯钟的准确度和漂移率指标在三者中最好.由于铯原子钟的上述优势,美国的"全球定位系统"(GPS)和俄罗斯的"全球导航卫星系统"(GLONASS)都采用了铯原子钟, GPS Block-1、2、2A和2F采用了磁选态铯钟,未来,GPS-3拟采用激光抽运铯钟.俄罗斯GLONASS Block-2A、2B、2C及GLONASS-M、K都搭载了磁选态铯钟.     

NIM4#铯冷原子喷泉钟新一代时间频率基准

回顾了NIM4 #钟实现 5 μK冷原子云 ,74cm原子喷泉和 0 95Hz线宽Ramsey跃迁实验 ,报道了 9 19GHz微波锁定到铯原子秒定义跃迁 ,频率稳定性达到 (5 - 7)× 10 -15(15 0 0 0s)。目前我们正在进行不确定度评估 ,可望不确定度进入 10 -15量级 ,建立我国新一代时间频率基准装置。     

基于EFPI-FBG结构的光纤复合传感器研究

研究了一种基于非本征型Fabry-Perot干涉仪(EFPI)和光纤Bragg光栅(FBG)串联结构构成的EFPI-FBG光纤复合传感器,用于实现对压力和温度信号的同步测量。传感器选用熔融石英作为压力敏感材料,利用飞秒激光焊接技术实现传感器探头结构的封装。对传感器的工作原理进行了分析,制作并封装传感器工程样机,搭建测试系统,对传感器的性能进行了灵敏度及交叉敏感性分析。结果表明,该传感器在0.8 MPa范围内的灵敏度约为-0.729μm/MPa,在50℃~200℃范围的温度灵敏度为0.009 nm/℃,传感器压力测量最大允许误差为±4.12%FS。该EFPI-FBG复合传感器有望应用于压力—温度双参数测量需求的技术领域。     

激光泵浦铯-氦磁强计的噪声抑制

介绍了一种利用单模激光进行泵浦的铯-氦磁强计。由于单模激光比铯元素放电灯具有更高的泵浦效率，这种铯-氦磁强计得到了比传统的放电灯铯-氦磁强计更强的磁共振信号。通过测量各试验因素中引入的磁噪声，发现激光的光功率涨落是目前磁噪声的主要来源；通过分析信噪比与光强的关系，得到了最优化的光强；通过主动光强降噪技术，在最佳试验条件下，铯-氦磁强计的噪声峰峰值可以优于0.02 nT。结果表明，通过提升激光功率的稳定性，激光泵浦式的铯-氦磁强计非常有潜力得到比质子磁强计更高的准确度，可作为恒定弱磁场计量标准的新一代主标准器。     

全向电场探头及数据采集系统

全向电场探头及数据采集系统是一种近区电场测量装置,主要用于电磁敏感度(EMS)实验,屏蔽室及无回波室内电磁场辐射强度大小的测定。借助于薄膜沉淀与光刻技术,电阻锥形加载的使用,对传统的偶极子单元作了重要改进。拓宽了带宽,得到了平坦的频率响应,宽的动态范围,小的尺寸,减少场的扰动和失真并完全消除了带内谐振。频率范围:100kH～18GHz,频率响应:±2dB(10MHz～18GHz),动态测量范围:1～1600V/m。数据采集系统光纤通讯技术的应用,使电磁场的测量进入了一个新的领域,增强了测试系统的防泄漏、抗干扰能力。微处理器芯片及标准IEEE-488接口的使用,实现了测试设备的可程控、自动化功能。它是一种先进的近区电场测量装置,并且是电磁兼容计量测试实验室中必不可少的测量装置之一。     

一种用于GPS时差比对数据处理的卡尔曼滤波器设计

介绍了一种用于GPS时差比对数据处理的自适应卡尔曼滤波器,在Matlab环境下编写了离散时间形式的卡尔曼滤波算法程序,利用该算法对GPS信号与铯原子频标的时差比对数据进行了分析处理,最后介绍了该算法的数字芯片FPGA实现。     

CPT铯原子钟微波信号源设计与分析

CPT原子钟由于其体积小、功耗低等优点广泛应用于通信、导航及数据传输等领域。本文采用数字锁相倍频的方法,根据CPT铯原子钟对微波信号的需求设计了一种中心频率为4 596MHz的信号源,并对其输出信号的相位噪声进行了分析。经测试,信号源电路尺寸为30mm×50mm,功耗小于200mW,输出微波功率范围为（-20~-5）dBm,输出信号噪声与理论分析相符,杂散抑制满足设计要求,调制信号频率为500Hz,可用于CPT铯原子钟。     

基于串联低中频替代法的衰减测量系统

介绍了一种以半自动感应分压器作为中频标准衰减器,可实现准确、快速衰减测量的基于串联低中频替代法的微波衰减测量系统,并对半自动感应分压器、测量系统、测量结果和系统改进方法等部分进行了详细的分析。该系统在10MHz至18GHz频率范围内可测量衰减的范围为(0~80)dB。     

宇航计测技术 2004年 总目次(总第139期～144期)

第 1期建设我国独立自主时间频率系统的思考王义遒 (1)………………………………………………………………………………TAI和UTC的进展王正明 (11)…………………………………………………………………………………………………………一种新型铷汽室频标电路方案冯克明　等 (16 )……………………………………………………………………………………NIM4 #铯冷原子喷泉钟新一代时间频率基准李天初　等 (2 0 )……………………………………………………………………光抽运小铯束频率标准中光频移的测量张军海　等 (2 6 )………………………     

小型铯原子钟微波腔调谐过程的仿真研究

通过建立模型,利用Ansoft HFSS 12.0对小型铯原子钟内微波腔的调谐过程进行了仿真,得到了调谐棒半径、在调配器内长度与微波腔谐振频率之间的关系曲线。结果表明,调谐棒半径一定时,调谐棒长度在一定范围内,微波腔谐振频率随着长度的增加逐渐下降;随着半径的增大,微波腔谐振频率的变化范围逐渐增大,在铯原子跃迁中心频率处,调谐棒长度对微波腔谐振频率的影响变大。根据仿真结果,给出了调谐棒半径的取值范围,为微波腔的设计、加工和调谐提供了理论指导。     

磁选态铯原子钟弱信号直接采样方法研究

磁选态铯原子钟的输出频率与铯束管输出的弱电流信号有关，影响其频率稳定度。为了提高其频率稳定度技术指标，在对磁选态铯原子钟主伺服电路弱信号压频转换（V-F）和模/数 (A/D)直接采样对比的基础上，设计了基于DSP28335芯片的A/D直接采样电路，利用CAN总线通信技术与主控CPU板进行通信，实现整钟闭环锁定的方案。通过试验与被测磁选态铯原子钟现有压频转换法进行对比，结果表明，所设计的A/D直接采样法较压频转换法减小了磁选态铯原子钟相对频率偏差范围，改善了短期频率稳定度，具有实用价值。