1 引言

　　相干布居俘獲CPT(Coherent Population Trapping)是原子與相干光相互作用所產(chǎn)生的一種量子干涉現(xiàn)象。利用高分辨CPT光譜研制出的被動型CPT原子頻標(biāo)具有體積小,、功耗低,、啟動快等特點。CPT頻標(biāo)是原理上唯一能制成芯片級尺寸的原子頻標(biāo),，不僅在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有重大意義,，而且在深空探測、衛(wèi)星導(dǎo)航,、航天航空,、數(shù)字通信,、同步系統(tǒng)等對時間,、頻率要求嚴(yán)格的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。20世紀(jì)90年代以來,，激光冷卻技術(shù)飛速發(fā)展,，極大促進冷原子鐘、光鐘以及基于相干布居俘獲的CPT原子鐘的發(fā)展,。這里介紹一種星載MEMS原子鐘穩(wěn)頻系統(tǒng)的優(yōu)化及實驗研究,。

　　2 CPT原子鐘工作原理

　　用頻率為ω1和ω2的兩束激光和兩超精細(xì)能級與激發(fā)態(tài)構(gòu)成的A 三能級作用,，當(dāng)兩束激光滿足雙光子共振條件時，原子布居數(shù)被捕獲在基態(tài)的兩個超精細(xì)能級上,。不再吸收光子,；當(dāng)其中一束光的頻率在原子共振頻率附近掃描時，光在原子介質(zhì)中的透射強度呈現(xiàn)為電磁誘導(dǎo)透明信號,，電磁誘導(dǎo)透明信號經(jīng)過處理后,，可作為誤差信號來鎖定與調(diào)制驅(qū)動信號有關(guān)的本振信號，從而實現(xiàn)原子鐘環(huán)路,。得到高精度和高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn),，其評價指標(biāo)為：短期穩(wěn)定性和頻率漂移。CPT效應(yīng)是由激光與原子相互作用產(chǎn)生的,，其窄小帶寬對激光頻率穩(wěn)定性提出高要求,。只有當(dāng)激光頻率穩(wěn)定性滿足要求，持續(xù)產(chǎn)生CPT效應(yīng),，才能確保原子鐘的計量精度,。

　　3 穩(wěn)頻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

　　頻率穩(wěn)定性通常指激光器在連續(xù)運轉(zhuǎn)時．在一定的時間間隔內(nèi)平均頻率v與該時間內(nèi)頻率變化量 △v之比，即S=v／△v,，很顯然,，變化量△v越小，則S越大,，表示頻率的穩(wěn)定性越好,。在工程上，有時也把S的倒數(shù)稱為穩(wěn)定度,。頻率穩(wěn)定度又可分為短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度,，前者指觀測取樣時間在1 s以內(nèi)的頻率變化，而大于1 s觀測平均時間的就視為長期穩(wěn)定度,。頻率復(fù)現(xiàn)性是表示激光器在不同時間,、地點等條件下頻率重復(fù)或再現(xiàn)的精度。

　　由此可見,，頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性是兩個不同的概念,。因此，對一臺穩(wěn)頻激光器,，不僅要看其穩(wěn)定度,。而且還要看它的頻率復(fù)現(xiàn)性如何。由于激光頻率對環(huán)境溫度的變化,、機械振動等外界干擾極端敏感,，即使采取嚴(yán)格措施，自由運轉(zhuǎn)的激光器頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性也不能達到量級,。必須使用電子伺服系統(tǒng)自動控制激光器,，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離特定的參考頻率時,，可以通過鑒頻信號，由電子伺服系統(tǒng)自動調(diào)節(jié),，將激光器的頻率回復(fù)到特定的參考頻率以達到穩(wěn)頻的目的,。

　　3．1 調(diào)制器

　　該系統(tǒng)設(shè)計的伺服控制電路中，欲用10 kHz的正弦信號作為調(diào)制信號,，故選用RC振蕩電路,。正弦波發(fā)生器產(chǎn)生信號分2路，1路用作調(diào)制信號,，1路用作解調(diào)信號,。采用改進后的維恩振蕩電路實現(xiàn) RC正弦振蕩信號，得到實際頻率為9．79 kHz,，與理論9．95 kHz相差160Hz,，幅值調(diào)節(jié)范圍為50～1 100 mV。頻率及幅值均可滿足系統(tǒng)設(shè)計要求,。

　　3．2 移相器

　　移相器用補償相位移動,，或?qū)π盘栠M行反相處理。需要實現(xiàn)0°～360°范圍移相,，并且有相位精調(diào)功能,。采用全通濾波器設(shè)計，其特點是保持增益為1,，調(diào)節(jié)時間常數(shù)可調(diào)節(jié)移相范圍,。圖1為移相器原理圖及相移曲線。其傳遞函數(shù)為：

　　為使得9．79 kHz信號移相90°,，設(shè)計移相器參數(shù)如下：R=1．6 Ω,，R1=10 kΩ，C=10 nF,；欲實現(xiàn)－90°移相,，只需將圖1a中R與C調(diào)換。故選用與90°移相器相同參數(shù)即可實現(xiàn)－90°移相,。180°移相可采用反相器實現(xiàn),。相位微調(diào)仍可采用全通濾波器實現(xiàn)，將其中的R或C換成可調(diào)的器件即可,。保持C不變,，設(shè)定R的變化范圍為1～7 kΩ，可滿足-47°～50°范圍內(nèi)的微調(diào),。

　　3．3 鑒相器

　　鑒相器由模擬乘法器與低通濾波器構(gòu)成,，可通過檢測探測信號與參考信號的相位關(guān)系，給出與相位差對應(yīng)的誤差信號,，供校準(zhǔn)器調(diào)節(jié)使用,。模擬乘法器有多種用途，如增益控制,、附加增益調(diào)整,、作除法、壓控濾波器,、鑒相器等,。這里用到的是其鑒相器功能。當(dāng)兩路正弦信號輸入乘法器,，得到差頻,、和頻兩種分量信號。當(dāng)信號頻率相同時,，濾掉和頻信號,，得到差頻信號為一直流信號，反映兩路信號的相位差,。同時,，相位差為0°或 180°時得到直流信號最大，這也就是要加移相器以補償相位獲得最佳誤差信號的原因所在,。

　　3．4 校準(zhǔn)器

　　校準(zhǔn)器由PI控制器,、三角波發(fā)生器、模擬開關(guān)3部分構(gòu)成,，其作用是校正鑒相器輸出的誤差信號,，改善系統(tǒng)快速性與準(zhǔn)確性。當(dāng)激光器受外界干擾跳出鎖頻范圍時,，能自動尋找峰值點,，自動上鎖。根據(jù)設(shè)定功能要求,，圖2為校準(zhǔn)器原理,。

 　　圖2中，誤差零點調(diào)節(jié)的作用是使誤差信號經(jīng)PI控制器校準(zhǔn)輸出鑒頻曲線的零點與中心頻率相對應(yīng),。PI控制器零點調(diào)節(jié)與增益放大電路如圖3所示,，其中R1=2 kΩ，R2=500 Ω,，R3=10 kΩ,，增益A=0．25～5．25。

　　PI控制器用于濾除高頻噪聲,，并對低頻信號進行積分放大,。據(jù)此功能要求，設(shè)計如圖4所示的PI控制器原理圖。

　　其傳遞函數(shù)為：  

　　鑒相器中低通濾波器截止頻率為200 Hz,，故設(shè)定Pl控制器截止頻率為200 Hz,。經(jīng)多次實驗比較，選取C1=220 nF,，C2=15 nF,，R1=30 kΩ，R2=50 kΩ,。

　　圖5為激光器鎖頻判斷示意圖,。

　　圖5中設(shè)定閾值電壓是判斷系統(tǒng)用于否超出鎖定范圍。對比PD檢測信號與閾值電壓,，當(dāng)檢測信號高于閾值電壓時,，表明系統(tǒng)未失鎖，電壓比較器輸出正電壓：當(dāng)檢測信號低于閾值電壓時,，認(rèn)為激光器失鎖,，電壓比較器輸出負(fù)電壓。電壓比較器的輸出信號輸入到模擬開關(guān),，控制模擬開關(guān)的通斷,。

　　4 87Rb飽和吸收穩(wěn)頻實驗的研究

　　87Rb飽和吸收光路如圖6所示。選用87Rb原子F=2態(tài)到激發(fā)態(tài)F'=3態(tài)的飽和吸收峰即最高吸收峰作為吸收曲線,，以其峰值點對應(yīng)頻率作為鎖頻參考頻率,。半導(dǎo)體激光器DL100中心波長為780 nm，輸出功率為150 mW,。DL100通過調(diào)節(jié)腔長調(diào)節(jié)激光頻率,，伺服系統(tǒng)將控制信號作用于PZT(壓電晶體陶瓷)，通過PZT調(diào)節(jié)腔長,，從而實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié),。通過S曲線法，可以測得閉環(huán)后所得到的激光器的頻率穩(wěn)定度在100 s內(nèi)為： 

　　此穩(wěn)頻環(huán)路很好地改善了激光光源的頻率特性,，為了獲得更穩(wěn)定的CPT原子鐘信號,，仍需進一步優(yōu)化、完善此設(shè)計,。

　　5 結(jié)束語

　　針對星載微型CPT原子鐘設(shè)計鎖頻電路系統(tǒng),，并詳細(xì)分析鎖頻系統(tǒng)中的調(diào)頻信號源、鑒相器,、校準(zhǔn)器等各部分電路模塊,，最后利用飽和吸收穩(wěn)頻實驗說明該鎖頻系統(tǒng)能夠很好地完成激光的穩(wěn)頻，100 s的頻率穩(wěn)定度達到了1．6×10-12,，完全滿足設(shè)計要求,。