星载MEMS原子钟稳频系统的优化及实验研究

星载MEMS原子钟稳频系统的优化及实验研究

1 引言
    相干布居俘获CPT(Coherent Population Trapping)是原子与相干光相互作用所产生的一种量子干涉现象。利用高分辨CPT光谱研制出的被动型CPT原子频标具有体积小、功耗低、启动快等特点。CPT频标是原理上唯一能制成芯片级尺寸的原子频标，不仅在基础研究领域有重大意义，而且在深空探测、卫星导航、航天航空、数字通信、同步系统等对时间、频率要求严格的领域有着广泛的应用前景。20世纪90年代以来，激光冷却技术飞速发展，极大促进冷原子钟、光钟以及基于相干布居俘获的CPT原子钟的发展。这里介绍一种星载MEMS原子钟稳频系统的优化及实验研究。

2 CPT原子钟工作原理
    用频率为ω1和ω2的两束激光和两超精细能级与激发态构成的A 三能级作用，当两束激光满足双光子共振条件时，原子布居数被捕获在基态的两个超精细能级上。不再吸收光子；当其中一束光的频率在原子共振频率附近扫描时，光在原子介质中的透射强度呈现为电磁诱导透明信号，电磁诱导透明信号经过处理后，可作为误差信号来锁定与调制驱动信号有关的本振信号，从而实现原子钟环路。得到高精度和高稳定度的频率标准，其评价指标为：短期稳定性和频率漂移。CPT效应是由激光与原子相互作用产生的，其窄小带宽对激光频率稳定性提出高要求。只有当激光频率稳定性满足要求，持续产生CPT效应，才能确保原子钟的计量精度。

3 稳频系统优化设计
    频率稳定性通常指激光器在连续运转时．在一定的时间间隔内平均频率v与该时间内频率变化量 △v之比，即S=v／△v，很显然，变化量△v越小，则S越大，表示频率的稳定性越好。在工程上，有时也把S的倒数称为稳定度。频率稳定度又可分为短期稳定度和长期稳定度，前者指观测取样时间在1 s以内的频率变化，而大于1 s观测平均时间的就视为长期稳定度。频率复现性是表示激光器在不同时间、地点等条件下频率重复或再现的精度。
    由此可见，频率的稳定性和复现性是两个不同的概念。因此，对一台稳频激光器，不仅要看其稳定度。而且还要看它的频率复现性如何。由于激光频率对环境温度的变化、机械振动等外界干扰极端敏感，即使采取严格措施，自由运转的激光器频率稳定性和复现性也不能达到量级。必须使用电子伺服系统自动控制激光器，当外界影响使激光频率偏离特定的参考频率时，可以通过鉴频信号，由电子伺服系统自动调节，将激光器的频率回复到特定的参考频率以达到稳频的目的。

3．1 调制器
    该系统设计的伺服控制电路中，欲用10 kHz的正弦信号作为调制信号，故选用RC振荡电路。正弦波发生器产生信号分2路，1路用作调制信号，1路用作解调信号。采用改进后的维恩振荡电路实现 RC正弦振荡信号，得到实际频率为9．79 kHz，与理论9．95 kHz相差160Hz，幅值调节范围为50～1 100 mV。频率及幅值均可满足系统设计要求。
3．2 移相器
    移相器用补偿相位移动，或对信号进行反相处理。需要实现0°～360°范围移相，并且有相位精调功能。采用全通滤波器设计，其特点是保持增益为1，调节时间常数可调节移相范围。图1为移相器原理图及相移曲线。其传递函数为：

  

    为使得9．79 kHz信号移相90°，设计移相器参数如下：R=1．6 Ω，R1=10 kΩ，C=10 nF；欲实现－90°移相，只需将图1a中R与C调换。故选用与90°移相器相同参数即可实现－90°移相。180°移相可采用反相器实现。相位微调仍可采用全通滤波器实现，将其中的R或C换成可调的器件即可。保持C不变，设定R的变化范围为1～7 kΩ，可满足-47°～50°范围内的微调。
3．3 鉴相器
    鉴相器由模拟乘法器与低通滤波器构成，可通过检测探测信号与参考信号的相位关系，给出与相位差对应的误差信号，供校准器调节使用。模拟乘法器有多种用途，如增益控制、附加增益调整、作除法、压控滤波器、鉴相器等。这里用到的是其鉴相器功能。当两路正弦信号输入乘法器，得到差频、和频两种分量信号。当信号频率相同时，滤掉和频信号，得到差频信号为一直流信号，反映两路信号的相位差。同时，相位差为0°或 180°时得到直流信号最大，这也就是要加移相器以补偿相位获得最佳误差信号的原因所在。
3．4 校准器
    校准器由PI控制器、三角波发生器、模拟开关3部分构成，其作用是校正鉴相器输出的误差信号，改善系统快速性与准确性。当激光器受外界干扰跳出锁频范围时，能自动寻找峰值点，自动上锁。根据设定功能要求，图2为校准器原理。

    图2中，误差零点调节的作用是使误差信号经PI控制器校准输出鉴频曲线的零点与中心频率相对应。PI控制器零点调节与增益放大电路如图3所示，其中R1=2 kΩ，R2=500 Ω，R3=10 kΩ，增益A=0．25～5．25。

    PI控制器用于滤除高频噪声，并对低频信号进行积分放大。据此功能要求，设计如图4所示的PI控制器原理图。

    其传递函数为：

   

鉴相器中低通滤波器截止频率为200 Hz，故设定Pl控制器截止频率为200 Hz。经多次实验比较，选取C1=220 nF，C2=15 nF，R1=30 kΩ，R2=50 kΩ。

 图5为激光器锁频判断示意图。

    图5中设定阈值电压是判断系统用于否超出锁定范围。对比PD检测信号与阈值电压，当检测信号高于阈值电压时，表明系统未失锁，电压比较器输出正电压：当检测信号低于阈值电压时，认为激光器失锁，电压比较器输出负电压。电压比较器的输出信号输入到模拟开关，控制模拟开关的通断。

4 87Rb饱和吸收稳频实验的研究
    87Rb饱和吸收光路如图6所示。选用87Rb原子F=2态到激发态F'=3态的饱和吸收峰即最高吸收峰作为吸收曲线，以其峰值点对应频率作为锁频参考频率。半导体激光器DL100中心波长为780 nm，输出功率为150 mW。DL100通过调节腔长调节激光频率，伺服系统将控制信号作用于PZT(压电晶体陶瓷)，通过PZT调节腔长，从而实现频率调节。通过S曲线法，可以测得闭环后所得到的激光器的频率稳定度在100 s内为：

  

    此稳频环路很好地改善了激光光源的频率特性，为了获得更稳定的CPT原子钟信号，仍需进一步优化、完善此设计。

5 结束语
    针对星载微型CPT原子钟设计锁频电路系统，并详细分析锁频系统中的调频信号源、鉴相器、校准器等各部分电路模块，最后利用饱和吸收稳频实验说明该锁频系统能够很好地完成激光的稳频，100 s的频率稳定度达到了1．6×10-12，完全满足设计要求。