一种基于非标准矩形微波腔的铷频标腔泡系统
A Cavity-cell Assembly of Rubidium Frequency Standard Based on a Non-standard Rectangular Microwave Cavity
通讯作者: 赵峰, Tel: 13476142303, E-mail: ZHAO Feng, Tel: 13476142303, E-mail:
收稿日期: 2020-10-14
基金资助: |
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Received: 2020-10-14
针对超薄型铷频标应用需求,本文研制了一种基于开槽管腔原理的非标准矩形微波腔.它的厚度仅为12 mm,仿真结果显示其微波场方向因子约为0.9.测量了基于该微波腔设计的腔泡系统的87Rb原子双共振跃迁信号,并通过外推法得到铷原子吸收泡内双共振谱线的本征线宽约为452 Hz.在优化后的实验参数下,该腔泡系统散弹噪声对铷频标短期频率稳定度的限制可达到5.2×10-13τ-1/2.
关键词:
To meet the requirement of ultra-thin rubidium frequency standard, we developed a non-standard rectangular cavity based on the slotted-tube microwave cavity with 12 mm thickness and a field orientation factor of about 0.9. The data set of 87Rb double-resonance signals of the cavity-cell assembly was measured. The results showed that the intrinsic linewidth is about 452 Hz. With the optimized experimental parameters, the cavity-cell assembly has a potential short-term stability of 5.2×10-13τ-1/2 limited by the shot noise.
Keywords:
本文引用格式
李菡, 康松柏, 王鹏飞, 赵峰.
LI Han.
引言
本文选用激光作为泵浦光对基于此非标准矩形微波腔的腔泡系统的性能潜力进行了测量与评估.相较于谱灯泵浦,激光泵浦方案能让我们直接获得钟跃迁谱线,从而实现对腔泡系统的原子双共振谱线本征线宽的准确评估.此外,对于将来研制高性能的超薄型激光泵浦铷频标有指导意义.
1 非标准矩形微波腔的结构和场分布
1.1 微波腔及腔泡系统结构
本实验室研制的非标准矩形微波腔尺寸为25.2 mm×18 mm×12 mm.该腔由端盖、腔体和底座构成,如图 1(a)所示.端盖从上端将腔体封闭,底座带有通光孔,从腔体下端插入腔体内部.腔体是一个横截面为“回”字形的金属筒,外侧缠绕C场线圈和加热线圈,分别用来提供静磁场和腔体控温.腔体内部是对称分布的两个U形金属极片,两个极片端面之间构成两个窄槽,类似于开槽管腔,U形极片和金属筒内壁由脊状金属结构连接.U形极片围成的区域内安装长方体状铷原子吸收泡,内部除充有87Rb原子外,还充有缓冲气体(Ar、N2)用来压窄钟跃迁谱线线宽.位于腔体上端侧壁的耦合探针将微波信号馈入物理系统,激励87Rb原子产生钟跃迁信号.
图1
图1
基于非标准矩形微波腔的腔泡系统结构. (a)剖面图;(b)腔泡系统实物图
Fig.1
Structure of the cavity-cell assembly based on the non-standard rectangular microwave cavity. (a) Cross section; (b) Photos of cavity-cell assembly
1.2 微波场分布
图2
图2
非标准矩形微波腔微波场分布仿真
Fig.2
Simulation of microwave field distribution in the non-standard rectangular microwave cavity
磁力线颜色深浅表示磁场强弱,磁力线的箭头表示磁场方向.虚线框处为吸收泡放置处,此处磁力线沿量子化轴分布密集且高度平行,即该区域内微波场激励87Rb原子跃迁的效率最高.仿真结果显示该非标准矩形微波腔的场方向因子达到0.9,与Stefanucci等[9]的研制的高性能微波腔的方向因子相当.
2 原子双共振谱线线宽与鉴频曲线
2.1 腔泡系统双共振谱线线宽测量
气泡型铷频标的光-微波双共振谱线为洛伦兹线型,其谱线展宽主要来自碰撞展宽(本征线宽)、微波功率展宽以及泵浦光功率展宽.根据文献[10],该线宽近似为:
测量腔泡系统双共振谱线的实验装置如图 3所示.将铷原子吸收泡温度控制在343 K,再使用波长为780 nm(87Rb原子的D2,a线,如图 4所示)、线宽约为100 kHz激光泵浦泡中的87Rb原子,实现
图3
图3
测量腔泡系统双共振谱线的实验装置
Fig.3
Experiment setup for measuring double-resonance signal of the cavity-cell assembly
图4
本征线宽是原子双共振谱线的一个重要参数,对铷频标设计具有重要的指导意义.为得到原子双共振谱线的本征线宽,需要消除微波功率展宽和泵浦光功率展宽的影响,为此我们进行了如下实验:首先在相同背景光电流的条件下,测量并记录一组线宽随微波功率变化的数据,然后根据(1)式对这组数据以微波功率为自变量进行拟合得到纵截距,则该纵截距是仅存在本征线宽和光功率展宽的线宽.然后调整背景光电流的数值并重复上述实验操作,得到一组不同光电流值对应的纵截距.将这一组纵截距以背景光电流为自变量进行拟合,外推[11]得到背景光电流为0时的线宽即为本征线宽.实验中,微波功率从0.003 16 mW步径减小至0.000 6 mW,背景光电流值从0.6 μA步径增加至5.1 μA.
图5
图5
(a) 不同微波功率和背景光电流条件下的线宽变化;(b)线宽纵截距随背景光电流的变化
Fig.5
(a) Variation of linewidths under different microwave powers and background light currents; (b) Linewidths without microwave power broadening as a function of background light current
2.2 鉴频曲线的测量
鉴频曲线是腔泡系统的特征曲线,其鉴频斜率和双共振谱线的背景噪声决定了基于该腔泡系统的铷频标短期频率稳定度的极限
N是噪声功率谱密度;
图6
图6
(a) 腔泡系统的双共振谱线;(b)鉴频曲线
Fig.6
(a) Double-resonance signal of the cavity-cell assembly; (b) Frequency discrimination curve
如果仅考虑背景光电流的散弹噪声,其噪声功率谱密度可表示为
3 结论
我们研制了一种可用于铷频标的非标准矩形微波腔,厚度仅为12 mm.该微波腔具有非常优越的场模式,仿真结果显示其场方向因子可达到0.9.另外,对基于该非标准矩形微波腔的腔泡系统的本征线宽进行了测量,结果显示腔内铷原子吸收泡的本征线宽约为452 Hz.最后,在优化后的实验条件下,对该腔泡系统的性能进行了评估,结果显示该腔泡系统的散弹噪声对铷频标短期频率稳定度的限制可达到5.2×10-13τ-1/2,在将来有可能实现高性能铷频标的应用.
参考文献
High-performance laser-pumped rubidium frequency standard for satellite navigation
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用于铷原子频标的磁控管腔研究(英文)
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Loop-gap resonator: A lumped mode microwave resonant structure
[J]. ,DOI:10.1109/TMTT.1983.1131661 [本文引用: 1]
Compact microwave cavity for high performance rubidium frequency standards
[J]. ,DOI:10.1063/1.4759023 [本文引用: 1]
Compact high-performance continuous-wave double-resonance rubidium standard with 1.4x10-13t-1/2stability
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