采用铯束管荧光稳频技术的小型光抽运铯原子频率标准

赵杏文 陈海军 杨 林 韦 强 李东旭 李宇奥

(1.成都天奥电子股份有限公司，四川成都，611731；2.中国电子科技集团公司第12研究所，北京，100048)

1 引 言

铯原子频率标准是产生和保持标准时间频率信号的高精度电子仪器设备，与常用的铷原子频率标准相比，其主要优势体现在优良的频率准确度和中长期稳定度，以及几乎没有漂移等方面，可作为守时钟，广泛应用于军用标准时间的产生和保持、导航定位和精确打击、电子对抗和敌我识别、保密通信、智能电网、计量测试等军民领域。

目前，常用的商品化小型铯原子频标有磁选态铯原子频标和光抽运铯束原子频标两种类型[1,2]。对于光抽运铯原子频标来说，半导体激光二极管的稳频效果决定了激光系统的长期频率稳定性，进而决定了整机的长期频率稳定度水平。利用传统的饱和吸收光谱技术实现的激光稳频，稳频效果容易受到饱和吸收铯原子泡的工作温度及温控稳定性、抽运激光和探测激光的入射角度及光强大小、饱和吸收铯原子泡周围的电磁场等因素的影响，需针对饱和吸收铯原子泡采取多层精密温控、磁屏蔽等诸多措施，提高激光稳频效果，整机稳定度≤8.5E-14/d，无法充分发挥束状频标中长期稳定度指标高的技术优势，也影响了整机的环境适应性。利用铯束管荧光信号进行稳定激光输出频率，可规避饱和吸收稳频的缺陷，大幅提高激光系统的中长期频率稳定度和在复杂工程化环境下可靠运转的能力。理论上由于F′=4→F=4不是循环跃迁，荧光信号小，激光稳频参考信号的信噪比低，可能影响铯原子钟整机的短期稳定度指标。基于已实现的激光抽运小型铯原子频标整机，搭建了桌面系统，开展铯束管荧光稳频试验，取得较好的试验结果。证明铯束管荧光稳频技术应用于激光抽运小型铯原子频标，具有提高整机长期稳定度指标和增强环境适应性的潜力。

2 铯束管荧光稳频原理

根据小型光抽运铯原子频标的工作原理，提出开展激光稳频的必要性。通过对比两种稳频方案(饱和吸收稳频与铯束管荧光稳频)，并调研国外同类产品关于稳频方案的选择，认为采用铯束管荧光稳频是提高整机的中长期稳定度指标和环境适应性的重要措施。

2.1 激光稳频的必要性

铯原子频标是一种被动型原子频标，其原理如图1所示。

图1 铯原子频率标准原理框图Fig.1 Principle block diagram of Cs beam frequency standard

其工作过程为：铯炉工作在100℃左右，铯原子从铯炉经准直器泄流出来后，进行原子态制备，从基态F=4和F=3两个能级中选出(或制备好)基态F=3能级的原子进入微波腔。在微波腔内，基态F=3能级的原子与微波相互作用，发生微波跃迁至基态F=4能级。之后，原子离开微波腔进入探测区，通过一定的物理过程对发生了微波跃迁的原子进行识别，光电探测器输出原子跃迁信号。当微波频率在铯原子基态F=3→F=4能级跃迁频率9.192 163 177 0GHz附近扫描时，在探测器后就可观察到铯原子的频率响应信号。控制系统把晶体振荡器的频率锁定在该频率响应信号上，形成一个闭合环路，从而使晶体振荡器的输出与铯原子跃迁谱线一样稳定。

根据133Cs原子基态F=3能级态制备和133Cs原子基态F=3→F=4能级跃迁探测方式的不同，小型铯原子频标可分为传统的磁选态铯束原子频标和新型的光抽运铯原子频标两种类型。顾名思义，光抽运铯原子频标是利用特定波长的激光实现原子态制备133Cs原子基态F=3能级态制备，特定波长的激光实现133Cs原子基态F=3→F′=4能级跃迁探测的。这两束激光分别称为“抽运激光”和“探测激光”。相比于较磁选态铯原子频标，提高了原子利用率和Ramsey干涉条纹的信噪比，有利于提高整机的频率稳定度性能，是小型铯原子频标的发展方向。

根据爱因斯坦提出的受激吸收理论，只有当激光的发光频率等于原子能级跃迁频率时，原子才会吸收此频率的激光产生能级跃迁。因此，在光抽运铯原子频标中，要想利用激光实现上述过程，抽运激光的频率要锁定在铯原子F=4→F′=4能级的跃迁谱线上，探测激光的频率要锁定在铯原子F=4→F′=5能级的跃迁谱线上，如图2所示。

图2 铯原子相关能级图Fig.2 Energy diagram of Cs atom

要实现激光抽运铯原子频标的工程化应用，首先要解决半导体激光二极管的长期连续稳定工作问题，并实现其频率和功率的高稳定输出。但是半导体激光二极管的输出频率受电流、工作温度影响很大。对于我们所使用的半导体激光二极管，电调率为0.003nm/mA，温调率为0.06nm/mK。虽然通过对半导体激光二极管采取多级高精密温控，实现了对mK量级的温控精度；采用负反馈加智能补偿的方案，研制实现了μA量级的高精密恒流源。但由于半导体激光二极管的输出频率与温控温度和驱动电流的变化路径有关，且由于老化因素的存在，工作点(获得某一特定频率，半导体激光二极管的工作温度和工作电流)也不是一成不变的，因此必须在高精密温控和高精度电流源基础上，配合采用激光主动稳频技术[3]提高半导体激光二极管的频率稳定度。

2.2 两种稳频方案比较

激光主控稳频是一个动态的平衡过程，即寻找一个稳定的参考频率，将半导体激光二极管的频率与其进行实时比较，当判断有偏差时，通过反馈机制将半导体激光二极管的频率拉回来。

在激光器稳频技术中，参考频率的选取方法有多种[4]。其中，以原子分子吸收谱线为参考频率的方式最为常见。而在光抽运铯原子频标中，获得原子分子吸收谱线的方式有两种：一是利用激光饱和吸收光谱技术，以此种方式实现的激光稳频称为饱和吸收稳频(SAS)；另一个是采用铯束管内的荧光信号，以此方式实现的激光稳频称为铯束管荧光稳频。

2.2.1激光饱和吸收稳频

基于激光饱和吸收光谱技术实现的激光稳频称为“激光饱和吸收稳频”。激光饱和吸收光谱技术的原理是采用抽运激光和探测激光两束激光，垂直相向打在铯原子泡上。在与铯原子相互作用过程中，速度为零的原子与抽运激光作用后产生饱和，从而对探测激光的吸收为零，形成饱和吸收光谱。原理详见参考文献[5]，原理框图如图3所示。

图3 激光饱和吸收稳频原理框图Fig.3 Principle block diagram of SAS

饱和吸收稳频效果容易受到外界因素及饱和吸收铯原子泡工作状态的影响。在系统中，未对饱和吸收铯原子泡采取任何保护方式的情况下，整机的频率稳定度指标为1.06E-13/d。对铯原子泡进行精密温控、多层磁屏蔽等方式，将整机的天稳定度指标提升至7.1E-14/d。虽然稍有改善，但中长期稳定度指标仍无法达到HP5071A高性能产品水平，无法满足守时需要。如图4所示，其中黑线表示饱和吸收铯原子泡未加温控时的测试曲线；灰线表示饱和吸收铯原子泡加温控后的测试曲线。

图4 对饱和吸收铯原子泡采取温控措施前后整机测试结果图Fig.4 Frequency stability test results before and after temperature control for SAS Cs bubble

根据文献[6]，若想继续提高激光系统的稳频效果，则需要对饱和吸收铯原子泡采取更为苛刻的控制措施，且需要引入光纤，这种方式无法满足工程化要求。

2.2.2铯束管荧光稳频

获得原子(分子)跃迁参考信号的第二种方式是利用铯束管内的荧光信号，基于此方式实现的激光稳频称为铯束管荧光稳频。铯束管内存在铯原子束，抽运激光打入抽运区，由于激光与原子束运动方向相互垂直，去除了一阶多普勒效应的影响，没有了多普勒背景信号。原子受激跃迁后自发辐射产生荧光，被荧光收集器受激之后，形成可以用于稳定激光频率的参考信号。荧光信号如图5所示(灰线)，原理框图如图6所示。

图5 荧光信号曲线图Fig.5 Cesium beam fluorescence

采用铯束管荧光信号进行激光稳频可规避饱和吸收稳频存在的问题，从理论上讲可大幅提高激光系统的中长期频率稳定度。

1)用于产生参考信号的铯原子置于铯束管内，有三层磁屏蔽包裹，杂散磁场强度<1mG，铯原子能级不受外界磁场干扰，谱线更稳定；

2)铯束管为电真空结构，铯炉温度控制更稳定，因此铯原子束的强度也更稳定；

3)铯原子束为自由运行的原子，没有碰撞频移，能级更稳定。

经过调研，国外同类产品多数也采用铯束管荧光稳频的方式，如法国计量局标准时间频率实验室(LPTF)的研制的光抽运铯原子频标[7]，以及法国原子钟实验室(LHA)在欧空局(ESA)支持下为伽利略卫星导航系统研制的光抽运铯原子频标[8]，和一些公司生产的商品型激光抽运小型铯原子频标[9]。

图6 铯束管荧光稳频原理框图Fig.6 Principle Block Diagram of Laser-induced Fluorescence

图7 LHA铯原子钟原理框图Fig.7 Principle block diagram of lha Cs atomic clock

3 试验结果分析

基于上述考虑，我们在基于传统的饱和吸收稳频实现的TA1000激光抽运小型铯原子频标基础上，对铯束管和激光系统进行了改进设计，开展了铯束管荧光稳频试验研究。铯束管方面，在抽运区增加了一个荧光收集器，用于收集铯原子F′=4→F=4荧光信号，进行激光稳频。激光系统方面，由于采用铯束管荧光稳频，激光频率锁定在了铯原子F=4→F′=4跃迁谱线上，通过声光调制器输出F=4→F′=5探测激光。

初步试验结果如图8所示。其中短期频率稳定度指标并没有明显恶化；长期频率稳定度指标有明显提升，比采用激光饱和吸收稳频方案，天稳定度指标提高了1倍，达到3.21E-14。400 000s的频率稳定度指标达到小系数-14量级，并且仍然没有达到闪变平台。天稳及以后的频率稳定度指标有了大幅提升，目前仍在继续进行测试。

图8 铯束管荧光稳频桌面系统试验结果Fig.8 Preliminary results of the Cs atomic clock by laser-induced fluorescence

4 结束语

从上述分析结果可以看出，采用铯束管荧光稳频方案有助于提高小型光抽运铯束原子频率标准的中长期稳定度指标，这是后续研究工作的重点。在桌面系统联调测试过程中，铯束管抽运区杂散原子偏多，并没有形成理想的束状分布，因此激光与各个方向运动的铯原子发生相互作用，还是有一定的多普勒背景信号的存在。下一步，将针对此问题开展技术攻关，实现铯束管荧光稳频样机。