星載MEMS原子鐘穩頻系統的優化及實驗研究

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、衛星導航、航天航空、數字通信、同步系統等對時間、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原子鐘的發展。這里介紹一種星載MEMS原子鐘穩頻系統的優化及實驗研究。

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態構成的A 三能級作用，當兩束激光滿足雙光子共振條件時，原子布居數被捕獲在基態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，從而實現原子鐘環路。得到高精度和高穩定度的頻率標準，其評價指標為：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足要求，持續產生CPT效應，才能確保原子鐘的計量精度。

3 穩頻系統優化設計
??? 頻率穩定性通常指激光器在連續運轉時．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，表示頻率的穩定性越好。在工程上，有時也把S的倒數稱為穩定度。頻率穩定度又可分為短期穩定度和長期穩定度，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定度。頻率復現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的精度。
??? 由此可見，頻率的穩定性和復現性是兩個不同的概念。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，由電子伺服系統自動調節，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。

3．1 調制器
??? 該系統設計的伺服控制電路中，欲用10 kHz的正弦信號作為調制信號，故選用RC振蕩電路。正弦波發生器產生信號分2路，1路用作調制信號，1路用作解調信號。采用改進后的維恩振蕩電路實現 RC正弦振蕩信號，得到實際頻率為9．79 kHz，與理論9．95 kHz相差160Hz，幅值調節范圍為50～1 100 mV。頻率及幅值均可滿足系統設計要求。
3．2 移相器
??? 移相器用補償相位移動，或對信號進行反相處理。需要實現0°～360°范圍移相，并且有相位精調功能。采用全通濾波器設計，其特點是保持增益為1，調節時間常數可調節移相范圍。圖1為移相器原理圖及相移曲線。其傳遞函數為：

??

??? 為使得9．79 kHz信號移相90°，設計移相器參數如下：R=1．6 Ω，R1=10 kΩ，C=10 nF；欲實現－90°移相，只需將圖1a中R與C調換。故選用與90°移相器相同參數即可實現－90°移相。180°移相可采用反相器實現。相位微調仍可采用全通濾波器實現，將其中的R或C換成可調的器件即可。保持C不變，設定R的變化范圍為1～7 kΩ，可滿足-47°～50°范圍內的微調。
3．3 鑒相器
??? 鑒相器由模擬乘法器與低通濾波器構成，可通過檢測探測信號與參考信號的相位關系，給出與相位差對應的誤差信號，供校準器調節使用。模擬乘法器有多種用途，如增益控制、附加增益調整、作除法、壓控濾波器、鑒相器等。這里用到的是其鑒相器功能。當兩路正弦信號輸入乘法器，得到差頻、和頻兩種分量信號。當信號頻率相同時，濾掉和頻信號，得到差頻信號為一直流信號，反映兩路信號的相位差。同時，相位差為0°或 180°時得到直流信號最大，這也就是要加移相器以補償相位獲得最佳誤差信號的原因所在。
3．4 校準器
??? 校準器由PI控制器、三角波發生器、模擬開關3部分構成，其作用是校正鑒相器輸出的誤差信號，改善系統快速性與準確性。當激光器受外界干擾跳出鎖頻范圍時，能自動尋找峰值點，自動上鎖。根據設定功能要求，圖2為校準器原理。

??? 圖2中，誤差零點調節的作用是使誤差信號經PI控制器校準輸出鑒頻曲線的零點與中心頻率相對應。PI控制器零點調節與增益放大電路如圖3所示，其中R1=2 kΩ，R2=500 Ω，R3=10 kΩ，增益A=0．25～5．25。

??? PI控制器用于濾除高頻噪聲，并對低頻信號進行積分放大。據此功能要求，設計如圖4所示的PI控制器原理圖。

??? 其傳遞函數為：

???

鑒相器中低通濾波器截止頻率為200 Hz，故設定Pl控制器截止頻率為200 Hz。經多次實驗比較，選取C1=220 nF，C2=15 nF，R1=30 kΩ，R2=50 kΩ。

?圖5為激光器鎖頻判斷示意圖。

??? 圖5中設定閾值電壓是判斷系統用于否超出鎖定范圍。對比PD檢測信號與閾值電壓，當檢測信號高于閾值電壓時，表明系統未失鎖，電壓比較器輸出正電壓：當檢測信號低于閾值電壓時，認為激光器失鎖，電壓比較器輸出負電壓。電壓比較器的輸出信號輸入到模擬開關，控制模擬開關的通斷。

4 87Rb飽和吸收穩頻實驗的研究
??? 87Rb飽和吸收光路如圖6所示。選用87Rb原子F=2態到激發態F'=3態的飽和吸收峰即最高吸收峰作為吸收曲線，以其峰值點對應頻率作為鎖頻參考頻率。半導體激光器DL100中心波長為780 nm，輸出功率為150 mW。DL100通過調節腔長調節激光頻率，伺服系統將控制信號作用于PZT(壓電晶體陶瓷)，通過PZT調節腔長，從而實現頻率調節。通過S曲線法，可以測得閉環后所得到的激光器的頻率穩定度在100 s內為：

??

??? 此穩頻環路很好地改善了激光光源的頻率特性，為了獲得更穩定的CPT原子鐘信號，仍需進一步優化、完善此設計。

5 結束語
??? 針對星載微型CPT原子鐘設計鎖頻電路系統，并詳細分析鎖頻系統中的調頻信號源、鑒相器、校準器等各部分電路模塊，最后利用飽和吸收穩頻實驗說明該鎖頻系統能夠很好地完成激光的穩頻，100 s的頻率穩定度達到了1．6×10-12，完全滿足設計要求。