聶 帥，王鵬飛，趙 峰，王 芳，明 剛，邱紫敬，康松柏， 梅剛?cè)A

散彈噪聲極限穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-13-1/2的銣頻標(biāo)物理系統(tǒng)

聶 帥1,2,3，王鵬飛1,2#，趙 峰1,2，王 芳1,2，明 剛1,2，邱紫敬1,2，康松柏1,2， 梅剛?cè)A1,2*

1.中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院，湖北 武漢 430071； 2.中國科學(xué)院原子頻標(biāo)重點實驗室, 湖北 武漢 430071； 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

近年來，銣原子頻標(biāo)研究取得長足進(jìn)展，頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-13-1/2量級．為進(jìn)一步改善銣頻標(biāo)穩(wěn)定度性能，本文設(shè)計了一種高信噪比物理系統(tǒng)．物理系統(tǒng)中的腔泡組件采用微波場磁力線與量子化軸方向高度平行的開槽管式微波腔，濾光泡和吸收泡獨立控溫．抽運光源采用了光學(xué)濾光和同位素濾光雙重濾光方案．本文實測了背景光電流0和鑒頻斜率K，結(jié)果分別為95 μA和7.7 nA/Hz，在此基礎(chǔ)上計算物理系統(tǒng)的散彈噪聲極限穩(wěn)定度為7.5×10-14-1/2．研究結(jié)果表明，只要鎖頻環(huán)路的電子學(xué)噪聲得到有效控制，銣頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度突破1×10-13-1/2，進(jìn)入10-14-1/2量級是完全可能的．

銣原子頻標(biāo)；物理系統(tǒng)；開槽管微波腔；散彈噪聲；頻率穩(wěn)定度

引 言

近幾十年來，衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用極大促進(jìn)了銣原子頻標(biāo)（簡稱銣頻標(biāo)）的發(fā)展．早期的銣頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度指標(biāo)在10-11-1/2水平．1990年代，Riley等[1]為GPS IIR研制星載銣頻標(biāo)，短期穩(wěn)定度為3×10-12-1/2．2010年，Dupuis等[2]報道的為GPS IIF系統(tǒng)研制的星載銣頻標(biāo)，短期穩(wěn)定度提升到1×10-12-1/2．目前GPS III系統(tǒng)的星載銣頻標(biāo)短期穩(wěn)定度為1×10-12-1/2 [3]．Spectratime公司為Galileo系統(tǒng)研制的星載銣頻標(biāo)，短期穩(wěn)定度為3×10-12-1/2 [4]．本實驗室長期致力于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星載銣頻標(biāo)研制，用于北斗二號系統(tǒng)的星載銣頻標(biāo)，短期穩(wěn)定度為3×10-12-1/2[5]；用于北斗三號系統(tǒng)的星載銣頻標(biāo)，短期穩(wěn)定度達(dá)到6.1×10-13-1/2 [6]．本實驗室郝強等[7]設(shè)計出一種銣頻標(biāo)桌面系統(tǒng)，獲得了2.4×10-13-1/2（1～100 s）穩(wěn)定度測試結(jié)果．2018年，我們實現(xiàn)了一種銣頻標(biāo)整機，頻率穩(wěn)定度測定為2.1×10-13-1/2（1～100 s）[8]，與郝強等的結(jié)果相當(dāng)．這些結(jié)果表明傳統(tǒng)銣頻標(biāo)性能已經(jīng)逼近新一代激光抽運銣頻標(biāo)，目前已被報道的激光抽運銣頻標(biāo)的最好穩(wěn)定度指標(biāo)為1.4×10-13-1/2（1～100 s）[9]．銣頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度能否進(jìn)一步提升，達(dá)到甚至超過激光抽運銣頻標(biāo)的水平，是一個很值得研究的問題．

銣頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度主要決定于物理系統(tǒng)產(chǎn)生的原子鑒頻信號的信噪比和鎖頻環(huán)路的電子學(xué)噪聲，主要難點是前者．最近，我們在文獻(xiàn)[8]工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新結(jié)構(gòu)物理系統(tǒng)，實測了原子鑒頻信號的信噪比和鑒頻斜率，據(jù)此計算出物理系統(tǒng)散彈噪聲極限穩(wěn)定度為7.5×10-14-1/2．該結(jié)果表明，從物理系統(tǒng)設(shè)計角度看，銣頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度突破1×10-13-1/2是完全可能的．

1 銣頻標(biāo)散彈噪聲極限穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度是銣原子頻標(biāo)的核心指標(biāo)．銣頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度可以分為短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度兩類．短期穩(wěn)定度好并不直接導(dǎo)致長期穩(wěn)定度好，但是決定銣頻標(biāo)穩(wěn)定度極限的是短期穩(wěn)定度．銣頻標(biāo)整機由物理系統(tǒng)和電路系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，整機的短期穩(wěn)定度主要受限于物理系統(tǒng)的散彈噪聲極限穩(wěn)定度和電路系統(tǒng)交互調(diào)制效應(yīng)，本文重點研究前一個因素．

物理系統(tǒng)的散彈噪聲極限穩(wěn)定度可表達(dá)為[10]：

由以上分析可知，改善銣頻標(biāo)的穩(wěn)定度，可從兩方面入手．一是降低散彈噪聲，主要途徑是提高光抽運效率，以強度最低的抽運光獲取最大的鐘躍遷能級布居數(shù)反轉(zhuǎn)．二是增強原子的微波躍遷信號，主要途徑是優(yōu)化微波腔的特性，增加參與躍遷的原子數(shù)量．這構(gòu)成本項研究的主要思路．

2 物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計

2.1 物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示于圖1．銣光譜燈發(fā)出的光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入濾光泡進(jìn)行同位素濾光，再通過帶通式干涉濾光片進(jìn)行光學(xué)濾光．濾光后的光束進(jìn)入銣吸收泡，對其中的87Rb原子進(jìn)行光抽運．外部微波信號經(jīng)耦合環(huán)饋入微波腔，激勵吸收泡中的87Rb原子發(fā)生微波躍遷，光吸收信號用光電池探測．亥姆霍茲線圈產(chǎn)生弱定向磁場，為原子的微波躍遷提供量子化軸．磁屏蔽的作用是消除外部地磁場和雜散磁場對原子躍遷信號的干擾．

圖1 分區(qū)控溫的物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.2 抽運光濾光和光路優(yōu)化

為降低散彈噪聲，本文采用了光學(xué)濾光和同位素濾光兩級濾光方案．光學(xué)濾光的作用是濾除光譜燈中啟輝氣體（本實驗中為Xe氣）發(fā)光．這種光譜成分對銣原子光抽運沒有貢獻(xiàn)，僅貢獻(xiàn)為散彈噪聲．同位素濾光的作用是濾除光譜燈銣發(fā)光光譜中的無用成分，這部分光也僅貢獻(xiàn)為散彈噪聲．為了提高同位素濾光效率，采用了吸收泡和濾光泡分別獨立溫控的設(shè)計方案．在我們先前的設(shè)計中，吸收泡和濾光泡均在微波腔內(nèi)，共用一個溫度控制器[8]．這種設(shè)計的優(yōu)點是系統(tǒng)的集成度較高，缺點是濾光泡溫度不能獨立調(diào)節(jié)，這會導(dǎo)致同位素濾光不完全，抽運光中仍含有較多無用光成分，形成散彈噪聲[11]．

為了使更多的原子參與雙共振躍遷，提高原子的利用率，需要對光束進(jìn)行準(zhǔn)直，使其變?yōu)闇?zhǔn)平行光，且光束盡可能充滿整個吸收泡．光束準(zhǔn)直不能簡單采用長焦距透鏡，焦距過長會導(dǎo)致光的利用率過低，影響抽運效果．焦距過短，則光束準(zhǔn)直更加困難．為了兼顧這一矛盾，我們選用了直徑為25 mm、焦距為25.8 mm的透鏡．考慮到燈泡的體光源特性，燈泡不能嚴(yán)格放置在透鏡焦點位置，而應(yīng)根據(jù)光束的準(zhǔn)直效果優(yōu)化選?。畧D2給出了燈泡與透鏡之間的距離優(yōu)化以后光路各處光斑等效直徑（用光強半高寬定義）測量結(jié)果．由圖2可見，在吸收泡入光面、出光面和光電池處（參見圖1），光斑等效直徑基本不變，約為20 mm，略小于吸收泡內(nèi)徑27 mm．吸收泡內(nèi)靠近泡壁處的銣原子由于壁弛豫效應(yīng)存在較大的譜線增寬[12]，不是理想的工作物質(zhì)，因此光斑直徑略小于吸收泡內(nèi)徑的設(shè)計是合理的．

圖2 光路準(zhǔn)直后光在吸收泡入光面、吸收泡出光面、光電池位置處的光強分布

2.3 微波腔設(shè)計

微波腔采用本實驗室發(fā)明的開槽管式微波腔[13]，腔內(nèi)徑為30 mm，可以容納外徑為30 mm的吸收泡．微波腔內(nèi)駐波場的特性直接影響鐘躍遷信號強度．根據(jù)量子力學(xué)原理，只有平行于量子化軸（一般為腔軸）的微波場磁分量，才能夠激勵銣原子的鐘躍遷．因此，微波腔特性用反映微波腔內(nèi)鐘躍遷頻率處的駐波場磁場分量與量子化軸平行程度的方向因子表征，它定義為在腔內(nèi)微波與原子作用區(qū)中，沿量子化軸方向的磁場能量與總磁場能量之比[14]：

圖3 (a)開槽管腔內(nèi)磁場分布；(b) 87Rb原子基態(tài)能級Zeeman譜

3 散彈噪聲極限穩(wěn)定度的評估

圖4 測量鑒頻曲線的原理

圖5 鑒頻曲線測量結(jié)果

4 結(jié)論

無

[1] RILEY J W.Rubidium atomic frequency standards for GPS block IIR [C]//Proceedings of 22nd Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Applications and Planning Meeting.Vienna, Virginia, 1990: 221-230.

[2] DUPUIS R T, LYNCH T J, VACCARO J R, et al.Rubidium frequency standard for the GPS IIF program and modifications for the RAFSMOD program[C]//Proceedings of the 23rd International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2010).2010: 781-788

[3] RILEY J W.A history of the rubidium frequency standard[OL].http://ieee-uffc.org/about-us/history/a-history-of-the-rubidium-frequency- standard.pdf.2019.

[4] iSpace+ Space Qualified RAFS Spec[R].https://www.orolia.com/sites/default/files/document-files/Spectratime-RAFS-Spec-01-19-21.pdf.2021.

[5] MEI G H, ZHONG D, AN S F, et al.Main features of space rubidium atomic frequency standard for BeiDou satellites[C]//2016 European Frequency and Time Forum (EFTF).IEEE, 2016: 1-4.

[6] MEI G H, ZHAO F, Qi F, et al.Characteristics of the space-borne rubidium atomic clocks for the BeiDou Ⅲ navigation satellite system[J].Scientia Sinica: Physica, Mechanica & Astronomica, 2021, 51(1): 118-124.

梅剛?cè)A, 趙峰, 祁峰, 等.用于北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星載銣原子鐘特性[J].中國科學(xué): 物理學(xué)力學(xué)天文學(xué), 2021, 51(1): 118-124.

[7] HAO Q, LI W B, HE S G, et al.A physics package for rubidium atomic frequency standard with a short-term stability of 2.4×10? 13τ?1/2[J].Rev Sci Instrum, 2016, 87(12): 123111.

[8] NIE S, WANG P F, QIU Z J, et al.A lamp-pumped rubidium atomic frequency standard with a short-term stability at the level of 2×10-13τ-1/2[C]// China Satellite Navigation Conference (CSNC) 2019 proceedings.Springer, Singapore, 2019: 556-563.

[9] BANDI T, AFFOLDERBACH C, STEFANUCCI C.et al, Compact high-performance continuous-wave double-resonance rubidium standard with 1.4×10-13τ-1/2stability[J].IEEE transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2014, 61 (11): 1769-1778.

[10] VANIER J.On the signal-to-noise ratio and short-term stability of passive rubidium frequency standards[J].IEEE T Instrum Meas, 1981, 30(4): 277-282.

[11] XU F, HAO Q, WANG P F, et al.A high signal to noise ratio physics package with a slotted-tube cavity for rubidium atomic clock[J].Acta Metrologica Sinica, 2016, 37(4): 437-440.

許風(fēng), 郝強, 王鵬飛, 等.基于開槽管腔的高信噪比銣原子鐘物理系統(tǒng)[J].計量學(xué)報, 2016, 37(4): 437-440.

[12] MICALIZIO S, GODONE A, LEVI F, et al.Pulsed optically pumped87Rb vapor cell frequency standard: A multilevel approach [J].Phys Rev A, 2009, 79(1): 013403.

[13] MEI G H, ZHONG D, AN S F, et al.Miniaturized microwave cavity for atomic frequency standard: U.S.Patent, 6,225,870[P], 2001-05-01.

[14] STEFANUCCI C, BANDI T, MERLI F, et al.Compact microwave cavity for high performance rubidium frequency standards[J].Rev Sci Instrum, 2012, 83: 104706.

A Physics Package with Shot-noise Limited Frequency Stability Better Than 1×10-13-1/2for Rubidium Atomic Frequency Standards

1,2,3，1,2#，1,2，1,2，1,2，1,2，1,2，1,2*

1.Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 2.Key Laboratory of Atomic Frequency Standards, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

The performance of the rubidium (Rb) atomic frequency standard has achieved significant improvement in recent years.Its frequency stability has already reached the order of 10-13-1/2.To further improve Rb frequency standard's stability performance, we developed a high signal-to-noise ratio (SNR) physics package whose cavity-cell assembly consists of a slotted-tube microwave cavity, separated filter and absorption cells.The microwave cavity has a homogenous field distribution along the quantization axis, and the filter and absorption cells are temperature-controlled independently.We also used an optical and isotopic filtering scheme to suppress shot noise from the pumping light.The physics package’s final background photocurrent0and the frequency discrimination slopeKwere measured to be 95 μA and 7.7 nA/Hz, respectively, and the calculated limit stability of the shot noise of the physical package was 7.5×10-14-1/2.The result shows that Rb frequency standard can reach an unprecedented stability level below 1×10-13-1/2as long as the electronic system’s noise could be well controlled.

rubidium atomic frequency standards, physics package, slotted-tube cavity,shot noise,frequency stability

O482.53

A

10.11938/cjmr20212897

2021-03-18;

2021-04-09

中國科學(xué)院重點部署項目(ZDRW-KT-2021-2)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(11903069).

# Tel: 15377057079, E-mail: wpengfei@apm.ac.cn;

. * Tel: 027-87197190, E-mail: mei@apm.ac.cn.