趙杏文，韋強(qiáng)，李東旭，李宇?yuàn)W，楊林

（成都天奧電子股份有限公司，成都 610036）

0 引言

時(shí)間是國家信息領(lǐng)域的基石，是衛(wèi)星導(dǎo)航與綜合時(shí)空體系的基礎(chǔ)。美國第21號(hào)總統(tǒng)令所確定的16個(gè)關(guān)鍵行業(yè)中，11個(gè)依賴于精準(zhǔn)時(shí)間[1]。中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其表示“2035年前（中國）將建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時(shí)空體系”[2]。

原子鐘是基于原子量子躍遷實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)發(fā)生器，是時(shí)空體系的核心和性能指標(biāo)提升的決定性因素之一。銫原子鐘具有優(yōu)良的頻率準(zhǔn)確度和中長期穩(wěn)定度，理論上沒有漂移，在1967年10月第13屆國際計(jì)量會(huì)議上，時(shí)間單位“秒”采用銫原子鐘提供的頻率來定義，人類進(jìn)入原子時(shí)時(shí)代。銫原子鐘可以用作一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)以及一級(jí)時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，有著廣泛的軍民應(yīng)用價(jià)值，尤其是在軍事指揮、通信和偵察等作戰(zhàn)系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的重要作用，是世界各大國競相開發(fā)利用的重要戰(zhàn)略資源。

常用的商品化小銫鐘有磁選態(tài)和光抽運(yùn)兩種類型[3]。我公司采用光抽運(yùn)方案，實(shí)現(xiàn)了 TA1000型激光抽運(yùn)小型銫原子鐘。2019年，被國際權(quán)度局（BIPM）推薦用于各國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生和國際原子時(shí)比對(duì)。2020年參與守時(shí)工作，2021年7月開始取得權(quán)重。參與制定中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《銫原子鐘技術(shù)要求和測試方法》[4]。為滿足未來應(yīng)用需求，持續(xù)開展了高性能、高可靠、高動(dòng)態(tài)等系列化銫原子鐘研發(fā)，取得了一定的進(jìn)展。

1 激光抽運(yùn)小型銫原子鐘技術(shù)及生產(chǎn)現(xiàn)狀

2015年，成功研制出TA1000型激光抽運(yùn)小型銫原子鐘。

1.1 原理簡介

1.1.1 技術(shù)原理

TA1000型激光抽運(yùn)小型銫原子鐘采用先進(jìn)的激光技術(shù)，采用頻率調(diào)諧于銫原子D2躍遷譜線F= 4→F’ = 4的波長為852.1 nm的≤2 MHz的窄線寬抽運(yùn)激光對(duì)銫原子進(jìn)行原子態(tài)制備。發(fā)散角之內(nèi)的全部原子進(jìn)入微波腔，與9.2 GHz的微波進(jìn)行相互作用。原子共振躍遷出微波腔后進(jìn)入檢測區(qū)，與另一束頻率調(diào)諧于銫原子D2躍遷譜線F= 4→F’ = 5的激光相互作用。該光只激發(fā)產(chǎn)生了躍遷的原子，原子發(fā)射熒光，經(jīng)熒光收集器收集后由光電探測器輸出。這樣，當(dāng)微波頻率在躍遷中心頻率（共振頻率）附近掃描時(shí)，在檢測器后就可觀察到銫原子的頻率響應(yīng)信號(hào)。電子自動(dòng)控制系統(tǒng)把晶體振蕩器的頻率控制在頻率響應(yīng)信號(hào)上，這就構(gòu)成了激光抽運(yùn)銫原子鐘。圖1是TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘原理框圖。

圖1 激光抽運(yùn)銫原子鐘原理框圖

1.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

TA1000型激光抽運(yùn)小型銫原子鐘有3個(gè)技術(shù)優(yōu)勢：① 采用全基態(tài)原子，原子利用率高，從根本上解決了磁選態(tài)銫原子鐘存在的壽命和技術(shù)指標(biāo)無法兼顧的矛盾；② 采用雙頻率的激光進(jìn)行原子態(tài)制備和原子循環(huán)躍遷探測，信噪比達(dá)到8 000以上；③ 利用聲光調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單一激光器輸出兩種不同頻率激光，節(jié)約了成本。

從頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和可靠性3個(gè)核心要素出發(fā)，包括5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。圖2是TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘關(guān)鍵技術(shù)

1）微波腔頻率漂移控制技術(shù)

微波腔組件是銫鐘整機(jī)內(nèi)對(duì)頻率準(zhǔn)確度影響最多的部件。C場頻移、微波泄漏引起的頻移均對(duì)頻率準(zhǔn)確度產(chǎn)生較大的影響。C場本身繞制不均勻、外界磁場的影響都會(huì)引起C場均勻性。另外，如果微波泄漏到互作用區(qū)之外，也會(huì)引起較大的頻移。本產(chǎn)品采用主副線圈相結(jié)合的形式產(chǎn)生的C場；通過增加石墨管，減小微波泄漏。微波泄露可以控制在100 dB以下，此項(xiàng)頻移量在10-13量級(jí)以下。

2）小發(fā)散角銫原子鐘束產(chǎn)生技術(shù)

銫原子利用率決定了銫束管輸出信號(hào)的信噪比，進(jìn)而決定整機(jī)輸出頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。為提高銫原子利用率，必須利用多孔準(zhǔn)直器壓窄銫原子束的發(fā)散角。發(fā)散角與噴射孔的長度成反比，與孔徑成正比。我們采用波紋片疊加方式實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直器，從而兼顧了大深徑比（直徑0.08 mm左右、深度8 mm左右，保證發(fā)散角?。┖涂钻嚵校? mm2左右，200個(gè)通孔，保證原子數(shù)量多）。

3）銫束管熒光穩(wěn)頻技術(shù)

激光二極管鎖定的穩(wěn)定性直接決定了激光抽運(yùn)小型銫原子鐘整機(jī)的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。利用銫原子飽和吸收譜進(jìn)行激光穩(wěn)頻，鎖定效果容易受到飽和吸收銫原子泡的溫度、泵浦激光和探測激光的入射角度和光強(qiáng)大小、周圍的電磁場、飽和吸收泡內(nèi)部的雜質(zhì)等因素的影響，導(dǎo)致激光的中長期穩(wěn)定度不佳。采用銫束管熒光穩(wěn)頻可以有效解決上述問題[5]。傳統(tǒng) TA1000采用飽和吸收穩(wěn)頻技術(shù)；高可靠銫原子鐘采用銫束管熒光穩(wěn)頻技術(shù)。

4）激光自動(dòng)穩(wěn)頻穩(wěn)幅技術(shù)

激光系統(tǒng)容易失鎖是制約國內(nèi)外激光抽運(yùn)小型銫原子鐘實(shí)現(xiàn)的主要障礙之一，而功率穩(wěn)定度差是制約長期穩(wěn)定度指標(biāo)的關(guān)鍵原因。我們采用雙調(diào)制穩(wěn)頻技術(shù)，基于ARM+FPGA平臺(tái)，利用CORDIC算法進(jìn)行激光自動(dòng)找譜、自動(dòng)鎖定以及失鎖自恢復(fù)處理，可實(shí)現(xiàn)在 100 mA、40℃范圍內(nèi)自動(dòng)找譜和自動(dòng)鎖定，失鎖自恢復(fù)時(shí)間＜1 s；利用工作于Bragg衍射狀態(tài)下的聲光調(diào)制器（AOM）進(jìn)行激光穩(wěn)幅處理，激光功率穩(wěn)定度相對(duì)變化可達(dá)＜0.05%。

5）整機(jī)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)

相比磁選態(tài)銫原子鐘，激光抽運(yùn)小型銫原子鐘應(yīng)用了對(duì)溫度、振動(dòng)等高度敏感的半導(dǎo)體激光器，導(dǎo)致整機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和長期運(yùn)行能力變差。TA1000型激光抽運(yùn)小型銫原子鐘創(chuàng)新性地采用了多參數(shù)智能監(jiān)測與伺服控制算法、多層溫度測控設(shè)計(jì)和“目標(biāo)值”自動(dòng)調(diào)控技術(shù)，適應(yīng)0～3 km海拔高度和0℃～40℃的工作環(huán)境，從實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用拓展到復(fù)雜工程應(yīng)用。

1.2 測試情況

1.2.1 靜態(tài)測試

2017年至今，TA1000型激光抽運(yùn)小型銫原子鐘累計(jì)生產(chǎn)了多個(gè)批次，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)一致性較好，達(dá)到Microchip 5071A高性能產(chǎn)品的占比穩(wěn)步提升至60%以上。圖3是TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘與Microchip5071A高性能產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)對(duì)比圖。

圖3 產(chǎn)品測試結(jié)果與Microchip5071A高性能產(chǎn)品對(duì)比

1.2.2 環(huán)境適應(yīng)性測試

通過開展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘在0℃～40℃的工作環(huán)境、0～3 km海拔高度、0～±1 Gauss外磁場范圍內(nèi)，能夠保證頻率準(zhǔn)確度。

1）溫度適應(yīng)性

環(huán)境溫度過高或過低有可能導(dǎo)致激光系統(tǒng)無法鎖定，從而影響整機(jī)正常使用。因此對(duì)于工程化應(yīng)用的光抽運(yùn)小銫鐘產(chǎn)品，需考察其溫度適應(yīng)性。TA1000在-10℃～+40℃范圍能夠正常工作，0℃～+40℃全溫范圍內(nèi)頻率準(zhǔn)確度變化＜1×10-12。圖4是TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘在0℃～+40℃過程中的頻率溫度系數(shù)。

圖4 0℃～40℃溫度試驗(yàn)：頻率溫度系數(shù)

2）低氣壓適應(yīng)性

海拔的變化，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品輸出頻率準(zhǔn)確度發(fā)生細(xì)微變化。為保證一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)良的頻率準(zhǔn)確度指標(biāo)，產(chǎn)品針對(duì)氣壓對(duì)準(zhǔn)確度的影響因素，進(jìn)行了設(shè)計(jì)。TA1000經(jīng)過低氣壓模擬實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)品在海拔500 m（96 kP）～3 km（對(duì)應(yīng)西藏那曲地區(qū)海拔，76 kPa），頻率準(zhǔn)確度變化＜1×10-12。圖5是TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘低氣壓試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 低氣壓試驗(yàn)

3）磁敏感度

外磁場0～±1 Gauss，TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘準(zhǔn)確度變化＜1×10-12。圖6是TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘磁敏感度試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 磁敏感度試驗(yàn)

1.3 批產(chǎn)情況

經(jīng)過多輪產(chǎn)品試制，固化了工藝，制定了產(chǎn)品研制生產(chǎn)流程圖，形成了包括銫原子泡制作、印制板裝配、整機(jī)裝配、整機(jī)調(diào)試等在內(nèi)的全套工藝文件，可有效指導(dǎo)從元器件篩選、印制板裝配、模塊裝配、模塊接線、整機(jī)調(diào)試到測試等產(chǎn)品生產(chǎn)的全部過程。在原有銣原子鐘生產(chǎn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適應(yīng)性的改造設(shè)計(jì)，以滿足光抽運(yùn)銫原子鐘電子線路及整機(jī)裝調(diào)需求。根據(jù)銫原子鐘技術(shù)特點(diǎn)，新建了激光光學(xué)系統(tǒng)調(diào)試和測試、銫束管測試等環(huán)境。圖7是TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘激光系統(tǒng)、銫束管等2個(gè)核心部件調(diào)試及測試平臺(tái)。圖8是TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘整機(jī)測試環(huán)境。

圖7 核心部件調(diào)試及測試平臺(tái)

圖8 整機(jī)測試環(huán)境

2 系列銫原子鐘研制情況

在TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘研制基礎(chǔ)上，公司立足需求，緊跟技術(shù)發(fā)展步伐，持續(xù)開展高性能、高可靠、高動(dòng)態(tài)等系列化銫原子鐘研發(fā)，取得了一定進(jìn)展，下面簡要介紹。

2.1 高性能銫原子鐘

激光抽運(yùn)型銫原子鐘理論上采用全數(shù)原子，并采用循環(huán)躍遷探測的機(jī)制，應(yīng)具有更高的穩(wěn)定度指標(biāo)極限，理論極限為（1 s穩(wěn)定度指標(biāo)主要取決于晶振，因此理論極限從100 s之后開始算）。TA1000激光抽運(yùn)小型銫原子鐘遠(yuǎn)未達(dá)到理論值，未充分發(fā)揮出光抽運(yùn)型產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢，仍需要繼續(xù)開發(fā)。根據(jù)銫原子鐘穩(wěn)定度公式（見公式 1），激光抽運(yùn)小銫鐘的短期穩(wěn)定度指標(biāo)與信噪比成反比、與線寬成正比。線寬主要取決于銫束管，而信噪比與銫束管、激光系統(tǒng)的工作參數(shù)有關(guān)。對(duì)于我們的系統(tǒng)，激光器的線寬會(huì)引起激光頻率噪聲，從而降低系統(tǒng)的信噪比。

式（1）中，R代表信噪比，和銫束管、工作參數(shù)相關(guān)。通過窄線寬激光技術(shù)可以有效增加信噪比；Δυ代表鑒頻曲線線寬；υ0代表躍遷譜線中心頻率9.192 631 770 GHz；τ代表取樣時(shí)間。

目前突破了窄線寬激光技術(shù)，得到了初步的結(jié)果，百秒穩(wěn)定度達(dá)到2.33×10-13，萬秒達(dá)到2.79×10-14，十萬秒達(dá)到1.91×10-14，高出Microchip5071A高性能產(chǎn)品3倍，達(dá)到世界上指標(biāo)最好的OSA3300水平。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在Optics EXPRESS上[6]。預(yù)計(jì)2021年實(shí)現(xiàn)原理樣機(jī)，2022年實(shí)現(xiàn)工程樣機(jī)并小批量試產(chǎn)。圖9是高性能銫原子鐘初步測試結(jié)果。

圖9 高性能銫原子鐘初步測試結(jié)果

2.2 高可靠銫原子鐘

隨著5G通信、智能電網(wǎng)、智慧城市建設(shè)的推進(jìn)，銫原子鐘在民用領(lǐng)域的應(yīng)用日趨明顯。應(yīng)用于數(shù)字同步、電網(wǎng)同步、交通運(yùn)輸行業(yè)的銫原子鐘，相比技術(shù)指標(biāo)，對(duì)可靠性要求更高。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)推出了TA1200高可靠銫原子鐘，在網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間＞10 a，MTBF＞100 000 h。目前已供貨中國電信同步網(wǎng)省級(jí)鐘項(xiàng)目。

2.3 高動(dòng)態(tài)銫原子鐘

為滿足動(dòng)態(tài)計(jì)量、裝備應(yīng)用需求，團(tuán)隊(duì)開展了抗振光抽運(yùn)銫束管技術(shù)、高動(dòng)態(tài)在自動(dòng)伺服技術(shù)、快速預(yù)熱熒光穩(wěn)頻技術(shù)預(yù)先研究，實(shí)現(xiàn)了車載激光抽運(yùn)小型銫原子鐘樣機(jī)，在三級(jí)公路運(yùn)輸條件下，產(chǎn)品能夠穩(wěn)定鎖定。受限于 UPS電源，未能測試車載條件下的穩(wěn)定度指標(biāo)。后續(xù)將繼續(xù)開展適用于車載、機(jī)載銫原子鐘研制。圖10是車載銫原子鐘車載測試現(xiàn)場。

圖10 車載銫原子鐘測試現(xiàn)場

3 結(jié)語

世界各國普遍采用小型銫原子鐘來產(chǎn)生和保持時(shí)間頻率體系的基準(zhǔn)時(shí)間，是時(shí)間頻率體系的核心。隨著時(shí)間頻率體系的不斷升級(jí)，對(duì)小銫鐘技術(shù)指標(biāo)和可靠性要求越來越高。公司實(shí)現(xiàn)了TA1000型激光抽運(yùn)小型銫原子鐘，并為了滿足未來使用需求，持續(xù)開展高性能、高可靠、高動(dòng)態(tài)等系列化銫原子鐘研發(fā)，取得了一定的進(jìn)展。