超稳定激光钟

空军为满足先进战斗机的需求已提出高准确度定时频率源和精密惯性导航系统的要求。作者曾提出一种采用多频环形激光陀螺仪(RLG)同时作为陀螺仪和钟的方法。这种器件采用带附加检波器的多频环形激光陀螺,该检波器用于检出583MHz的拍频,并相应地配上必要的电子部件,以产生5MHz的钟信号。已完成两套环形激光陀螺的试验工作。第一套环形激光陀螺在低速旋转时并不起陀螺仪的作用。稳定度数据在lms与200ms之间是较好的,但时间更长则开始变坏。第二套环形激光陀螺起陀螺仪的作用,不过来曾在试验中作过相应的测试。频率稳定度达到4.6×10~(10)/lms;3.4×10~(-10)/10ms;8.7×10~(11)/0.1s;1.6×10~(10)/1.0s;4.5×10~(10)/10s;4.8×10~(-9)/100s。从lms到200 ms的数据主要受量子系统限制。长期稳定度变坏显然是由法拉第转子的温度漂移所引起。建议采用补偿法以改进准确度。环形激光陀螺钟是一种传递型频标,因而在使用前必须调节到参考频率源的频率上。目前可按全球定位系统(GPS)、联合作战情报发布系统(JTIDS)、雷达技术或直接连接到一时间标准等办法作参考来调节环形激光陀螺钟。     

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。     

基于F-P腔的激光频率稳定传递方法

量子传感的发展需要频率高度稳定的激光器为基础,且实现大失谐激光频率稳定通常是提高其精度和灵敏度的关键。针对大失谐激光稳频问题,提出了一种利用法布里-珀罗（F-P）腔传递激光频率稳定性的方法。以饱和吸收稳频法锁定的激光器频率为参考,基于锁相原理,锁定F-P腔长度。利用F-P腔长度这个稳定的参考点,实现目标激光器的频率的精确锁定。实验将目标激光器波长锁定于767.001 nm,失谐频率为150 GHz,锁定后的频率漂移为1 MHz/h。该方法解决了激光大失谐稳频问题,对工程实践和科学研究有重要意义。      

稳频半导体激光器线宽测量

窄线宽稳频激光器在精密干涉测量、光学频率标准、激光通信、激光陀螺、激光雷达、基本物理常数测量、冷原子系统等研究领域有着广泛的应用。稳频激光器的线宽是评价稳频性能的一个重要参数,利用AV4036系列频谱分析仪设计并搭建了用于稳频半导体激光器拍频线宽测量的实验系统,验证了方案的可行性。     

快速精确调节稳频点的远共振线激光稳频方法

原子磁强计、激光冷却等技术需要将激光频率稳定在远离原子跃迁频率几兆赫兹的大失谐处,法拉第旋光光谱稳频方法能够实现远共振线的大失谐处的稳频,但是存在稳频点调节不便的问题。在法拉第旋光光谱稳频方法的基础上进行改进,提出了一种快速精确调节稳频点的远共振线激光稳频方法,能够在几十至几百兆赫兹范围内对稳频点频率进行快速精确的调节。基于该方法使失谐为-6.2 GHz的稳频点精确频移130 MHz,并实现频率漂移3.3 MHz/h,波动均方根值0.6 MHz/h的激光频率稳定度,满足原子磁强计对失谐及频率稳定性的要求。另外,分析了温度对该稳频方法的影响,推导了预估稳频点频率的物理参数,并将温度调节和声光调制器（AOM）调节相结合,以更好地实现在远共振线大失谐处对激光频率的长期稳定和精确控制。      

光滑时变约束转子动力特性分析

光滑时变约束是转静子碰摩所产生的一种力学效果,指静子与转子发生持续接触,静子对转子产生周期时变的约束作用,转子在该约束下的附加刚度曲线是一条光滑可导的函数。根据试验转子在光滑时变约束下的附加刚度曲线建立一种光滑时变约束模型,基于Hill行列式理论分析光滑时变约束转子的模态频率、稳定性及响应,为碰摩转子故障识别和稳定性分析提供一种分析途径。结果表明:光滑时变约束下转子具有频率耦合、多频、失稳特性。失稳转速区中,转子的幅值随时间逐渐增大,引起转子失稳的频率成分即为转子模态分析中特征值实部大于0的频率成分;非失稳转速区中,转子的频率成分主要为转速频率和波动频率构成的频率组合。      

基于多参考源的铷原子钟校频方案的设计与实现

研究了铷钟校频系统的原理,并对校频误差进行了分析,提出了一种基于多参考源的铷原子钟校频方案,可用GNSS/北斗接收机的1PPS,IRIG-B(DC)码以及一级频标的10MHz频率三种方式校频,提供100s,1 000s,10 000s三种不同的校频时间,以满足用户对不同校频时间和校频准确度的综合需求。     

用激光致冷的精确的~9Be+原子钟

在原子频标中采用激光致冷储存离子,因其大大地抑制了多普勒效应,将有可能达到非常高的准确度。利用~(201)Hg~+基态超精细跃迁的原子钟,其准确度与稳定度都可能超过1×10~(-15)量级。但用激光致冷的~9Be~+离子更易于用实验方法获得。所以,研究~9Be~+频标是为了研究离子储存频标中激光致冷的一般性问题。实验中约有300个~9Be~+离子储存在一彭宁陷阱(PenningTrap)中,用激光对其致冷。在～0.82T磁场时,观测到频率为303MHz的基态(MI,MJ)=(-3/2,1/2)→(-1/2,1/2)核自旋翻转超精细跃迁,其跃迁频率与一阶磁场无关。用时域Ramsey询问法测得线宽为25MHz。被锁定到该跃迁频率上的振荡器的稳定度达:采样时间间隔为400s<τ<3200s时(τ)≌2×10~(-11)。用测量离子速度分布的方法测定二阶多普勒频移约在5×10~(-14)量级。在本实验中,磁场不稳定性影响约在3×10~(-14)量级。所有其它系统误差估计皆小于3×10~(-14)。     

铷吸收半导体激光稳频光波长标准研究

介绍了用铷吸收光谱法对半导体激光器进行稳频,通过对包括半导体激光驱动源、稳频器、吸收室、光路等系统的优化设计,达到具有高信噪比微分误差信号,从而大大提高了半导体激光器稳频锁定灵敏度和长期稳定性。采用文中介绍的方法建立的光波长标准系统,其波长的测量重复性、稳定性可满足当前和将来很长一段时间光波长计校准的需要。     

一种用于CPT原子频标的高性能解调电路

介绍了同步积分器和相敏检波器级联的解调电路及该电路在相干布居囚禁（CPT）原子频标中的应用。通过理论计算和先进设计系统软件进行的仿真表明,该解调电路具有很高的Q值和很好的抑制噪声能力,是一种可应用于CPT原子频标的解调电路。对电路的测试结果证实,该电路能够从光检测信号中解调出高性能的用于激光频率稳频的多普勒吸收谱线的微分曲线和用于微波频率稳频的CPT谱线的微分曲线。     

一种新型精密自动频率合成器——美国HP3335A型频率合成器

该仪器为美国Hewlerr Packard公司研制的一种新型的高精度频率合成器。具有频率范围宽(输出频率为200Hz～81MHz、外部频标输入为(40/N)MHz)、分辨力高(0.001Hz)、能自动扫描和调整输出电平等优点,操作迅速、简便,与原子频标配合是一台很理想的标准信号源。     

633nm激光波长标准装置

介绍了几种常见的激光稳频技术,分析了基于饱和蒸汽压的碘稳定633nm He-Ne激光系统。激光器的腔长为260 mm,输出功率为0.8 mW,激光调谐范围能够覆盖从a到n的14个吸收峰。通过实验,其频率的相对标准不确定度优于2.5×10-11,1 000 s的频率稳定度优于6×10-12。     

多位数频标测量系统

介绍一种非整数(多位数)频标频率测量系统的工作原理、误差分析及主要技术指标。频率测量范围从1～80MHz,系统的不确定度α<5×10~(-11)/s。该系统还可以同时进行多台频标的自动测试(配上计算机和多路射频开关)。     

高稳频微弱激光量子源测量标定技术研究

激光雷达探测系统需求稳定的单光子源作为定标光源,通过输出波长及功率可量化溯源的微弱光量子信号,对探测系统的探测不确定度进行分析,并对接收与探测系统性能进行评估。针对这一需求设计并研制一种输出激光波长稳定、输出平均光子数从10^(11) s^(-1)量级至10~3 s^(-1)量级的可调谐高稳频微弱激光量子源,并开展了相关测量标定工作。输出的微弱信号光波长稳定在532.269 nm处,功率覆盖79.3 nW至0.34 fW,平均光子数覆盖10^(11) s^(-1)量级至10~3 s^(-1)量级,在10~5 s^(-1)量级的稳定度优于0.6%,能够满足激光雷达系统探测不确定度分析与性能评估等方面的应用需求。     

用锁相伺服和环形寄存器完全消除磁带记录器输出的码位抖动

磁带记录器分两磁道分别记录数码信号和驱动码的钟频(f_c),采用锁相伺服系统控制磁带速度。设在fr=f_c/N时,N为正整数,磁带读出的钟频经N次分频后能锁定于f_r。在这样的锁相(即不跳周)条件下,能运用附加的环行寄存器,共容量为N位,以磁带读出的钟速率把磁带读出的数码信号(二进制电平)按顺序存入环行寄存器。然后以频率稳定的钟从环形寄存器顺序取出数码信号。这样取出的数码就完全消除了磁带记录器由于机械运动引起的数码相位抖动,其输出信号形式和记录时的数码信号形式完全一样。这种在锁相条件下的环形寄存器可称为最小容量的缓冲寄存器。     

低噪声500MHz频率源

本文介绍一种高可靠、长寿命频率源的设计。为了可靠的工作,该装置采用了备用结构型式,并用体波和声表面波谐振器来保证极低的相位噪声和寄生输出。500MHz 和400MHz 多路输出是由25MHz 参考输入或由一个内部100MHz 温度补偿晶体振荡器直接合成而产生的。当使用外部参考时,25MHz 输入滤波器和两个50MHz、100MHz 附加晶体滤波器保证在最后倍频之前将相位噪声本底减小到理论最小值。500MHz 倍频输出信号用两端口SAW 谐振器进行滤波。这些谐振器在50欧匹配系统中,工作的输入功率电平为+15dBm。滤波电路还保证将内外产生的调制边带减小到可以忽略的程度。在离载波大于2MHz 间隔频率上,其单边带相位噪声低于-174dBc/Hz。同样,在所有频率上,寄生信号均低于-110dBc。频率源工作在有电噪声的环境中。良好的有源、无源滤波和封装屏蔽可保证最小的导电和辐射敏感性。对系统的苛刻要求决定采用无单点故障的备用重复结构。提出的封装设想是使组件的内部连接最短,并使两个备用发生器在物理和电气上互不相关。     

改进的内框架驱动式硅MEMS陀螺温度误差模型

温度误差是MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺仪的主要误差源之一,为了消除温度对内框架驱动式硅MEMS陀螺仪性能的影响,提出了一种改进的温度误差模型.基于硅材料的赛贝克(Seebeek)效应,结合表头温度变形,分析了陀螺仪零偏误差;利用温度引起的干扰力矩,分析了陀螺仪输出与比力及角加速度有关项误差;针对温度引起系统谐振频率的变化,分析了陀螺仪标度因数误差.试验结果表明:在温度变化过程中,比力引起的干扰力矩是导致陀螺仪温度误差的主要因素,验证了改进的温度误差模型的正确性,补偿后陀螺仪的零偏稳定性提高了53.75倍,标度因数精度提高了19.6倍,改进的温度误差模型也适用于其它MEMS陀螺仪.      

极化通道扩展和盲源分离联合抗移频干扰技术

多次移频干扰是一种有效的对抗线性调频(LFM)脉冲压缩雷达的相干干扰样式,应用于自卫式干扰时,能够形成多个超前和滞后分布的假目标。提出利用盲源分离(BSS)的方法来分离回波和干扰信号,并通过频率补偿实现对干扰的抑制。首先分析了利用正交极化辅助天线扩展接收通道的可行性,其次建立了通道扩展后的雷达接收信号模型,讨论了回波与干扰信号的可分离性,最后研究了基于最大信噪比盲源分离和频率补偿的干扰抑制方法,并讨论了干扰机附加噪声对抗干扰效果的影响。仿真结果表明本文提出的方法在干信比为20 d B时,仍可以有效地从回波和干扰混叠信号中提取出目标回波信号,从而实现对主瓣移频干扰的对抗。     

GaAlAs单模半导体激光器的光谱特性

单模半导体激光器与单模气体激光器相比较,具有自由振荡噪声的特性而显示出(1/f)~(1/2)的相关性。自由振荡激光二极管发射复盖的频率范围为几兆赫,并具有明显的频率不稳定性。当观测到的谱线窄到大约100千赫而使频率稳定度有显著提高时,10~(-7)到10~(-5)量级的弱反馈可提高激光的发射。较强的反馈会引起发射特性的迅速恶化。