【摘 要】
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脉冲光抽运（pulsed optically pumped,POP）铷原子频标一方面继承了传统铷原子频标易于小型化的优势;另一方面基于脉冲光抽运和Ramsey分离振荡场理论思想,采用脉冲光抽运、双微波脉冲激励、钟跃迁检测的周期运行模式,可以获得更好的稳定度性能;因而作为卫星导航系统候选的新一代空间原子频标之一备受关注。目前相关的研究聚焦在两点:（1）在工程化研发的过程中,对光学系统、物理装置和电学
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院国家授时中心
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脉冲光抽运（pulsed optically pumped,POP）铷原子频标一方面继承了传统铷原子频标易于小型化的优势;另一方面基于脉冲光抽运和Ramsey分离振荡场理论思想,采用脉冲光抽运、双微波脉冲激励、钟跃迁检测的周期运行模式,可以获得更好的稳定度性能;因而作为卫星导航系统候选的新一代空间原子频标之一备受关注。目前相关的研究聚焦在两点:（1）在工程化研发的过程中,对光学系统、物理装置和电学部分各模块进行集成化、小型化;（2）通过理论分析影响短期和长期稳定度的主要因素,改善相应模块的关键性能指标,或改进技术手段,进一步提高优化频标的稳定度性能。本论文以POP铷原子频标短期稳定度性能的提升为核心,围绕光源（激光系统）和微波源（6.8 GHz微波频率合成链）的小型化和性能优化,开展了相关研究工作。主要研究工作和成果概括为以下四点。（1）从理论上分析了影响短期稳定度的主要因素,围绕激光和微波的小型化和性能指标优化提升短期稳定度。在短期稳定度的分析中,将泡内原子布朗运动引起的透射噪声带来的影响考虑进来,从而进一步提高理论估计模型的合理性。（2）设计并研制了紧凑型可移动激光系统。将激光系统的光路模块和激光驱动控制电路模块上下叠放,减小了系统体积。相比已报道的用于POP铷原子频标的激光系统光学模块,按照热、磁、电相互隔离需求,将一体化的机壳内部分成独立的子腔空间隔间,减小关键器件相互干扰;加入了需要较大间距的扩束透镜组光路,包含了激光准直整形、饱和吸收光路、声光调制光路、以及扩束光路在内的所有光学模块,同时不增加光学模块的机壳体积。经实验测试,输出激光的功率最大可达35 m W;探测激光的相对强度噪声低于3×10-121 Hz@200～4000 Hz;输出激光的频率稳定度为3.0×10-12@1 s,3.5×10-12@10~4s,功率稳定度为3.5×10-4@1 s,3.9×10-4@10~4s;对短期稳定度的影响分量为1.96×10-13-1/2,满足了POP铷原子频标小型化激光系统的设计要求。（3）设计并研制了专用微波频率合成链电路模块。采用锁相环（phase-locked loop,PLL）和直接数字频率合成（direct digital synthesis,DDS）混合式频率合成方案:选用锁相环介质谐振振荡器（phase-locked-loop dielectric resonance oscillator,PDRO）作为固定点频源,实现10 MHz输入参考频率的670倍整数倍频,输出6.7 GHz频率分量;用PLL驱动DDS的方案,PLL实现10 MHz输入频率的100倍整数倍频,再由DDS实现可调的～0.134682倍的小数倍频得到～134.682 MHz频率分量;两者混频得到～6.834682 GHz微波频率信号。这样分别由PDRO和PLL实现倍频,避免了倍频器多级倍频带来的杂散和相噪,性能更为稳定可靠;且PDRO相比“锁相环+GHz振荡器”集成度高,体积小,功耗低,能极大减小微波泄露。输出的微波信号频率在±10 k Hz范围内可调,功率在-50 d Bm～0 d Bm范围内可调。经实验测试,合成的6.8 GHz微波相位噪声为-92d Bc/Hz@100 Hz,-122 d Bc/Hz@1 k Hz,给频标短期稳定度带来的影响为1.3×10-13-1/2。（4）完成了光探测POP铷原子频标闭环测试,测量得到的短期稳定度为2.7×10-13-1/2@1～100 s,实现了短期稳定度优于5.0×10-13-1/2的研究目标;接近目前已报道的光探测POP铷原子频标短期稳定度的最好水平;同时和理论估计的短期稳定度较为吻合。以上研究工作改善和提升了POP铷原子频标的稳定度性能;同时有助于推进系统的工程化研发。
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