CPT铷原子钟微波信号源设计

CPT原子钟由于其体积小、重量轻、功耗低等优点,广泛应用于通信、导航及数据传输等领域。设计基于数字锁相倍频技术,采用锁相环芯片ADF4350,根据CPT铷原子钟的需求实现了一种中心频率为3417MHz的微波信号源。经测试,信号源电路尺寸为30mm×30mm,功耗小于150mW,输出微波功率范围为(-20～-5)dBm,输出信号相位噪声与理论分析相符,杂散抑制满足设计要求,可用于CPT铷原子钟。     

激光光谱研究垂直腔面发射激光器的特性

设计并实现了一种通过原子对激光的吸收光谱研究被动型相干布居囚禁(CPT)原子钟所使用的垂直腔面发射激光器(VCSEL)特性的实验方法。通过切换输入VCSEL的微波功率,实验记录原子对单色和调频多色激光的吸收谱,借助光谱分析研究了VCSEL激光管自身温度变化速度、微波功率变化造成VCSEL的温度变化及VCSEL输出波长随温度的变化等特性,以及通过所实现的光谱直接测量所用VCSEL制备CPT态的效率。该方法为CPT原子钟所用的VCSEL提供了一个有用的测试、研究平台,对于原子钟的研制和VCSEL研究具有实际价值。     

相干布居陷俘原子钟的发展概况

简述了相干布居陷俘（coherent population trapping，CPT）效应的基本原理，介绍了CPT原子钟的研制概况，包括主要方案、特点及研制水平等，最后展望了CPT原子钟的发展和应用前景。     

基于85Rb的微型化CPT原子钟的设计和实现

介绍基于85Rb原子相干布居囚禁(CPT)现象的微型原子钟的设计与实现,系统以MSP430单片机作为主控芯片,实现电流源、TCXO和射频等功能模块,并与CPT原子钟物理部分实现联调与整机封装,实现了高稳定度、低功耗的小型CPT原子钟。整机体积只有31 cm3,功耗为660 mW,测得10 MHz输出信号稳定度约为2×10-10 s-1,4×10-11/1 000 s。系统采用全宽调制在85Rb的D1线实现CPT原子钟方案,可提升CPT共振谱线对比度,提高原子钟稳定度。     

新型原子钟及其在我国的发展

简述了原子喷泉(铯和铷)钟、离子微波钟、原子(离子)光钟、相十布居陷俘(CPT)钟、脉冲激光抽运(POP)铷原子钟以及积分球冷原子钟等新犁原子钟的基本原理;概述了这些新型原子钟在我国的研制概况,包括主要方案、特点和进展情况;指出了这种采用激光冷却和陷俘以及新物理原理的新型原子钟具有很高的潜在稳定度和准确度.最后,表明这种新型原子钟,尤其是原子(离子)光钟在我国的发展尚处起步阶段,并对这种新型原子钟在我国的发展提出了建议和评述.     

基于DFT算法的新型CPT原子钟设计

CPT原子钟应用Rb85原子的相干布居囚禁原理,避免了厘米量级的微波谐振腔,使得原子钟的微型化成为可能。采用传统采样比较方式,频率稳定度在百秒稳之后难以驯服。本文介绍了一种以FPGA为主控模块的新型CPT原子钟,并用DFT算法改进了锁定方式提高了系统的抗噪声能力,最后给出了样机测试结果,其千秒稳达到1.96×10-11。     

两种激光器主从锁频产生lin⊥lin准双色光

<正>交线偏振(lin⊥lin)相干双色光作为光源可以用于实现性能较好的相干布居囚禁(CPT)原子钟。研究了用外腔式激光器(ECDL)出射光对受到微波调制的纵腔面发射激光器(VCSEL)产生的多色激光+1级边带注入锁频,用主从锁频激光系统实现lin⊥lin准双色光束方案,进而研究了所获光束的特性以及与原子作用实现CPT共振的效果,获得一些有意义的结果。研究结果对于CPT原子钟研究有参考价值。     

空间冷原子钟原理样机地面测试结果

介绍了空间激光冷却原子钟地面原理样机的实验进展。该样机是以在空间微重力条件下应用为目标而研制的超高精度激光冷却铷原子钟,主要由物理单元、光学单元、微波单元和控制单元四个部分组成。该原理样机已经成功研制了空间冷原子钟所需要的超高真空系统、激光冷却光学平台、高性能微波源以及微波环形腔,实现了全过程自动运行,并获得了在地面重力条件下标志原子钟信号精度的Ramsey条纹,确定了高精度空间冷原子钟的主要科学参数和技术指标,为进一步空间工程应用奠定了科学和技术基础。     

芯片原子钟——CPT钟研究进展

介绍了基于激光与原子相干布局囚禁(CPT)理论的芯片原子钟(CSAC)钟.该原子钟代表了小型化原子钟未来发展方向,近年来在设计技术、制造工艺以及物理机制方面都取得了较大进展,并实现了芯片级的CPT钟原理样机.预计,在未来3～5年将会有芯片原子钟产品面世.     

CPT铷原子钟锁相环频率合成器设计和分析

基于CPT(相干布局囚禁)87铷原子钟设计出输出频率为3417 MHz的锁相环频率合成器,通过ADIsimPLL仿真出最佳环路带宽,环路滤波器参数以及相位噪声等,并通过STM32对锁相环芯片进行控制。对频率合成器进行了测试,电路尺寸为40 mm×40 mm,输出信号功率范围为-4 dBm^+5 dBm可调,输出信号噪声满足要求-88.65 dBc/Hz@1 kHz,-92.31 dBc/Hz@10 kHz,-104.63 dBc/Hz@100 kHz,杂散和谐波得到抑制,设计的频率合成器能很好的应用于原子钟的射频信号源。     

Ramsey-CPT原子频标的高性能小型脉冲微波源研究

根据Ramsey-CPT原子频标对脉冲微波源高性能小型化的要求,采用直接数字频率合成器（DDS）激励锁相环频率合成器,再结合可编程数字功率衰减器和阻抗匹配电路,从而实现具有高稳定度、高分辨率、快跳频速度、低相位噪声、小体积、小步长扫描的脉冲微波源。比较应用于Ramsey-CPT原子频标的脉冲微波源方案,介绍脉冲微波源的基本原理,简述其具体实现方法,并通过仿真优化得到最佳的输出性能。实现的脉冲微波源具有优良的技术性能,进一步提高了Ramsey-CPT原子频标输出频率的性能。同时,达到了设计小型化的要求,有利于Ramsey-CPT原子频标的便携式应用。     

GPS驯服CPT原子钟方法研究

本文针对全球定位系统（GPS,Global Position System）接收机输出秒脉冲（1PPS,1 Pulse Per Second）信号的特点,以及相干布居囚禁（CPT,Coherent Population Trapping）原子钟输出频率信号的特性,设计并实现了GPS驯服CPT原子钟方案.我们建立了适合抑制1PPS信号抖动的卡尔曼滤波模型,通过理论推导和计算获得了相应噪声参数,并采用卡尔曼滤波器与平均滤波器相结合,对CPT原子钟输出频率实施滤波处理,并用GPS接收机输出的1PPS信号实施频率校准,所实现GPS驯服的CPT原子钟输出频率的中短期频率误差降低半个量级,天频率稳定度提高一个量级.     

垂直腔面发射激光器的内调制特性

面向芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock,CSAC)的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)通过微波调制产生具有特定光频差的相干激光,与原子作用后的跃迁谱线频率作为参考标准,最终可获取高精度的频率信号。因此,垂直腔面发射激光器在芯片原子钟系统中至关重要。介绍了VCSEL激光器的内调制原理,搭建了其内调制特性实验测试平台,开展了激光器对射频调制响应特性研究,记录了激光器边带信号随着注入电流和射频输出功率的变化情况,并分析了射频调制对激光器边带信号的影响特性以及Bogatov现象引起的边带不对称现象。实验结果显示:当射频信号频率为3.41734 GHz,注入电流为1.2 mA,射频输出功率为3.5 dBm时,可获得优化的高频调制光谱,为芯片原子钟提供优质的光源。     

基于CPT原子钟的VCSEL激光器控制系统设计

设计基于原子相干布居俘获原理(CPT)的原子钟系统中垂直腔面发射激光器(VCSEL)控制器,其包括20 mA量程、低噪声、精密直流稳流电源、介绍VCSEL控制系统组成和工作原理,并时VCSEL激光器系统进行了测试分析.结果表明.该控制系统可以实现单模态、窄线宽及低功耗稳定光源,对CPT原子钟VCSEL光源应用具有参考和使用价值.     

基于DSP的微波信号源控制

为了实现信号源的小型化,便携性,采用DSP芯片TMS320LF2407A利用具有脉宽调制（PWM）功能的引脚,根据芯片资料中控制信号的数学关系式和时钟关系,编程实现输出3路同步时钟控制信号CLOCK,DATA,LE控制AD公司频率合成芯片ADF4156的方法来控制微波信号源的点频扫频等动作。做了示波器测试控制信号,频谱仪测试信号源实验,可以清晰地看到控制信号在时域上的对应关系以及频谱仪中所设置频率信号的功率以及信号在整个频段的移动过程。结果表明输出的控制信号能够精确地使信号源实现点频和扫频功能,具有控制时钟,扫频速度可调,按键控制灵活的特点。     

星载MEMS原子钟稳频系统的优化及实验研究

简要介绍CPT原子钟工作原理,讨论原子频标的两个重要指标：短期稳定性和频率漂移。对CPT原子钟的锁频伺服控制电路进行系统分析和优化设计,并通过饱和吸收稳频实验验证所设计伺服控制电路的稳频性能．100s的频率稳定度达到1．6×10^-12,有望进一步提高频率稳定性。     

基于TDC的二级频率标准驯服算法

利用全球定位系统(GPS)接收到的秒脉冲(1PPS),对常见的二级频率源温补晶振(TCXO)和相干布局囚禁(CPT)原子钟驯服开展研究。设计了硬件锁相环的驯服方案,利用时间数字转换器(TDC)测量本地分频1PPS与GPS接收机收到的1PPS时间差,实现本地信号相对GPS时间信号的锁定。锁定之后,TCXO实现了万秒稳定度为 8.5 × 10 - 12 ,驯服后3.5×10 ⁴ s的平均频率准确度提升至5倍以上。此外,深入研究了CPT原子钟的噪声模型,在Matlab上对其进行仿真,建立起频率白噪声和频率随机游走噪声在阿伦方差曲线上的对应关系,对比了平均滤波和平均滤波+卡尔曼滤波2种滤波测频方案对CPT原子钟的驯服效果,频率稳定度在5×10 ⁴ s时有一个数量级的提升。