一种铷原子钟超高信噪比物理系统的研究
崔家齐 1 , 2 , 3 , 刘康琦 1 , 2 , 3 , 李俊瑶 1 , 2 , 3 , 王芳 1 , 2 , 明刚 1 , 2 , 赵峰 1 , 2 , 梅刚华 , 1 , 2 , # , 钟达 , 1 , 2 , *
1.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，湖北 武汉 430071
2.中国科学院原子频标重点实验室, 湖北 武汉 430071
3.中国科学院大学，北京 100049
Investigation of an Ultra High Signal-to-noise Ratio Physics Package for the Rubidium Atomic Clock
CUI Jiaqi 1 , 2 , 3 , LIU Kangqi 1 , 2 , 3 , LI Junyao 1 , 2 , 3 , WANG Fang 1 , 2 , MING Gang 1 , 2 , ZHAO Feng 1 , 2 , MEI Ganghua , 1 , 2 , # , ZHONG Da , 1 , 2 , *
1. Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China
2. Key Laboratory of Atomic Frequency Standards, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
摘要
在卫星导航、深空探测等尖端技术应用的需求牵引下，谱灯抽运铷原子钟的性能有了很大提升，其短期频率稳定度已达到小系数10-13 τ -1/2 水平．为能进一步提高铷钟稳定度并探索铷钟性能指标极限，本文在前期对物理系统（Φ 40微波腔）结构的重新设计及实验验证的基础上，通过对物理系统的光学系统全面优化设计，改善了光谱灯及抽运光的性能，最终使物理系统信噪比获得了明显提升．测试及分析评估结果表明，新设计的物理系统的散粒噪声对铷钟稳定度的贡献为4.2×10-14 τ -1/2 ，本文的研究结果为今后铷钟短稳实现5×10-14 τ -1/2 、长稳突破1×10-15 进入~10-16 奠定了基础．
关键词：
铷原子钟 物理系统 信噪比 光谱灯 频率稳定度
Abstract
Driven by the demand for satellite navigation and deep space exploration, the performance of lamp-pumped rubidium atomic clock has been greatly improved, and its short-term frequency stability has reached the level of a small coefficient of 10-13 τ -1/2 . To further improve the frequency stability of rubidium clock and explore its performance limit, this article is based on the redesign and experimental verification of the structure of the physical package (PP, Φ 40 microwave cavity) in the early stage, with a comprehensively optimized design of the optical system of PP, the performance of the spectral lamp and pumping light has been enhanced. Finally, the SNR of PP has been significantly increased. The test and evaluation results showed that the contribution of the shot noise of the newly designed PP to the frequency stability of rubidium clock is 4.2×10-14 τ -1/2 . The results of this research lay the foundation for the short-term stability of rubidium clocks to achieve 5×10-14 τ -1/2 , and the long-term stability to break through 1×10-15 .
Keywords：
rubidium atomic clock physics package signal-to-noise ratio spectral lamp frequency stability
本文引用格式
崔家齐, 刘康琦, 李俊瑶, 王芳, 明刚, 赵峰, 梅刚华, 钟达. 一种铷原子钟超高信噪比物理系统的研究 [J]. 波谱学杂志, 2023, 40(4): 462-470 doi:10.11938/cjmr20233056
CUI Jiaqi, LIU Kangqi, LI Junyao, WANG Fang, MING Gang, ZHAO Feng, MEI Ganghua, ZHONG Da. Investigation of an Ultra High Signal-to-noise Ratio Physics Package for the Rubidium Atomic Clock [J]. Chinese Journal of Magnetic Resonance , 2023, 40(4): 462-470 doi:10.11938/cjmr20233056
引言
铷原子钟（简称铷钟）是世界上应用最广泛的原子钟，其大量应用于通信、导航、授时和精密测量等领域[1 ⇓ -3 ] ，众多应用场景也对铷钟提出了各自不同的要求，从而促进了铷钟的不断发展，尤其是二十世纪末、本世纪初，在卫星导航系统迅猛发展对高性能铷钟的强力驱动下，铷钟的性能有了很大的提升.二十世纪90年代，美国卫星导航系统GPS-II的星载铷钟短期频率稳定度（简称短稳）在3×10-12 τ -1/2 水平[4 ] ，目前美国最新一代GPS-III星载铷钟的短稳和长稳指标分别为≤ 1×10-12 τ -1/2 和≤ 5×10-15 /d水平.进入二十一世纪后，我国铷原子钟的研究发展进入快车道.2017年，本实验室为北斗三号卫星导航系统研制的甚高精度铷钟短稳和长稳指标分别达到6.1×10-13 τ -1/2 和3.9×10-15 /d水平[5 ] ，已处于国际先进水平.近年来，本实验室持续开展超高精度谱灯抽运铷钟的研究工作，2021年底我们研制的铷钟实验样机的稳定度已达到1.5×10-13 τ -1/2 （1~100 s）水平[6 ] ，该结果表明，谱灯抽运铷钟的短期稳定度性能已赶超了被动型氢原子钟的水平[7 ] .
为了实现更高的导航定位和授时（PNT）精度，以满足下一代北斗卫星导航系统和其它深空探测任务需求，同时也为了探索铷原子钟性能的极限，我们期望铷钟短稳能突破1×10-13 τ -1/2 甚至逼近5×10-14 τ -1/2 水平.该目标的实现必将进一步拓展铷钟在尖端领域的应用，可使之与其他高性能微波钟（诸如汞离子钟、冷原子喷泉钟等）相结合，以铷钟替代高稳晶振作为本振进一步提升这类原子钟的短稳性能.
根据谱灯抽运铷原子钟的工作机理，其短稳极限主要受制于物理系统的散粒噪声和电路系统产生的交调噪声.据国外文献报道，2015年欧洲某研究小组已研制出交调噪声贡献仅为2×10-14 τ -1/2 的原子钟电路系统[9 ] ，基于这种低噪声电路，如果物理系统散粒噪声贡献可降至≤ 4.5×10-14 τ -1/2 水平，那么铷钟短稳预期可达到或逼近5×10-14 τ -1/2 的目标.本文在本研究组此前铷钟研究工作[6 ] 的基础上，设计并实现了一种新的超高信噪比铷钟物理系统，并对其进行实验测试和性能分析评估.
1 物理系统工作原理
铷原子钟本质上是一个锁频环路，环路中作为量子鉴频器的物理系统是铷钟的核心，图1 为物理系统工作原理的示意图.在物理系统工作时，抽运光由87 Rb光谱灯产生，它经由85 Rb原子（滤光泡）进行同位素滤光，滤除抽运光中D1 与D2 线的a线后照射到87 Rb原子（吸收泡）上，实现基态的两个超精细子能级的布居数反转.吸收泡置于一个共振微波腔内，在光透过吸收泡后的位置安装了光探测器（光电池），用以探测经吸收泡透射输出的光强.当馈入微波腔的微波激励信号频率远离87 Rb基态超精细跃迁频率（${{v}_{0}}\approx $ 6.835 GHz）时，由于原子处于上能级饱和的状态，铷原子蒸汽对光吸收较少，光电池探测到的光强较强.当输入微波信号频率接近${{v}_{0}}$ 87 Rb原子受激辐射，使得吸收泡中铷原子蒸汽对光的吸收率增加，并导致光电池探测到的透射光强减弱，而当馈入的微波信号频率等于跃迁频率${{v}_{0}}$ ${{v}_{0}}$ [10 ] .
图1
图1
铷原子钟物理系统工作原理示意图
Fig. 1
Schematic diagram of the working principle of the physical package of rubidium atomic clock
在评估铷钟物理系统的性能时，通常以信噪比（SNR）作为评估指标.其中，信号指的就是物理系统产生的鉴频信号，其性能可以用鉴频曲线中心部分的鉴频斜率来表征.而噪声指的是物理系统内的原子体系产生的噪声，包括自发辐射噪声、热噪声和散粒噪声.但因为铷钟作为钟频信号的87 Rb原子跃迁频率较低，其自发辐射速率会远低于受激辐射速率，所以常常忽略自发辐射噪声.而热噪声由于其随取样时间τ -1 的时域噪声特性，相较于特性为τ -1/2 的散粒噪声也不会占主导地位.因此在评估物理系统噪声对铷钟稳定度的贡献${{\sigma }_{\text{P}}}(\tau )$ [11 ] ：
(1) ${{\sigma }_{\text{P}}}(\tau )=\frac{\sqrt{2e{{I}_{0}}}}{\sqrt{2}{{v}_{0}}{{K}_{\text{d}}}}{{\tau }^{-1/2}}$
上式中，$\sqrt{2e{{I}_{0}}}$ e 是电荷电量，${{I}_{0}}$ ${{v}_{0}}$ ${{K}_{\text{d}}}$ ${{\sigma }_{\text{P}}}(\tau )$ ${{\sigma }_{\text{P}}}(\tau )$
2 物理系统优化设计
本文介绍的超高信噪比物理系统是在文献[6 ] 工作基础上重新优化设计完成的，此前的工作已对物理系统Φ 40微波腔等进行了细致的研究及实验测试分析，本文的工作则主要针对物理系统的热结构和光学系统进行优化设计.
2.1 热结构优化设计与实验验证
此前物理系统的结构设计是将各部件沿着抽运光的光路及微波腔轴向进行固定连接，谱灯组件、腔泡系统组件分别独立安装在一块金属底板上，二者并无直接的固定连接.这种结构在滤光泡与吸收泡集成控温设计的物理系统上体现出了优异的特性，紧凑的结构很好的减小了物理系统体积，而且轴向固定的设计也保证了谱灯与吸收泡之间良好的平行度.但在腔泡系统分离控温设计的物理系统中，灯泡、滤光泡和吸收泡均独立控温，存在三个控温区，其典型值分别为110 ℃、95 ℃和65 ℃.在我们之前设计的三泡独立控温物理系统中[6 ] ，滤光泡和吸收泡组件共享一个底座且直接固定相连接，两个工作温区之间存在较强的热耦合，滤光泡的温度变化会直接影响吸收泡的工作温度.此外，这两个泡的工作温度之间存在30 ℃的较大温差，受热耦合及外界环境温度共同影响，它们的工作温区会产生温度梯度效应.这意味着滤光泡和吸收泡各自的内部温度分布不均匀，在泡的前后端面及内部的原子蒸汽中也会呈现温度梯度分布，这将破坏泡内液态铷分布的稳定性，甚至可能导致在泡端面或侧面形成无规的铷凝结以及铷在泡内产生随机迁移等问题，从而破坏抽运光光强的稳定性. 此外，从介观意义上来看，吸收泡内原子蒸汽温度的不均匀分布也将展宽原子跃迁谱线的线宽[12 ] ，最终导致物理系统的SNR下降.
为解决上述问题，我们重新设计了物理系统（Φ 40微波腔）的结构.如图2 所示，新物理系统主体分为三个部件，分别是光谱灯、滤光系统和腔泡系统，三个部件不再沿轴向直接相连，而是各自独立分别安装于底板上，这使得三个部件相互之间没有直接的热传导，有效降低了它们之间的热耦合，实现了各自工作温区的独立控制.此外，我们为温控电路以及电路中用以驱动加热丝的大功率三极管分别设计了独立工作区，这是因为随着物理系统Φ 40微波腔及三个泡体积的增大，需要维持其工作温度的加热功率均需增加，此时大功率三极管产生的热耗散功率也不容忽视，为了防止其高温发热影响三个泡的工作温区，我们为这些大功率三极管设计了独立的安置空间.而温控电路设计独立工作区间，则是为了隔离其他热源对其影响，减小温控电路自身的温度系数，使之为物理系统提供更为稳定的控温能力.另一方面，在物理系统的底板上沿各个工作温区分布开窄槽，进一步减少各温区之间通过底板的热传导.上述各温区的设置在图2(b) 中用虚线框标出.
图2
图2
(a)物理系统结构设计侧视图；(b)物理系统结构设计俯视图
Fig. 2
(a) Side view of the structure design of the physical package (PP); (b) top view of the structure design of the PP
我们的设计不仅减小了物理系统各工作温区之间的热传导效应，同时也考虑了热对流以及热辐射效应.针对三个温区分别设计了封闭隔热罩[图2(b) 中紫、红、绿色虚线框内的棕黄色结构]，通过适度厚的聚酰亚胺隔热材料以及在通光孔处设置蓝宝石玻璃片实现了物理系统三个部件与外部气流的隔离，从而减小了三个温区与外部环境的热对流以及热辐射效应.
通过实验对改进前后滤光泡与吸收泡之间的热耦合特性进行了实验测量，测量结果如图3 所示，通过对测试结果进行线性拟合及分析后得出结论：改进前，滤光泡温度每改变1 ℃导致吸收泡温度变化90.8 m℃，两泡之间的热阻系数为1 000 m℃／90.8 m℃≈11；设计改进后，滤光泡温度每改1 ℃导致吸收泡温度变19.2 m℃，热阻系数为1 000 m℃／19.2 m℃≈52.因此，滤光系统和吸收泡系统之间的热阻系数从改进前的11提升到了目前的52，改善了约3.7倍.
图3
图3
吸收泡与滤光泡热耦合关系测试曲线
Fig. 3
Test curves of thermal coupling relationship between absorption cell and filter cell
2.2 新型光谱灯设计
铷钟产生抽运光的光谱灯是一种无极放电灯，工作时灯泡放置于射频振荡器的一个电感线圈中，通过线圈内激发的高频电磁场来激励灯泡中的87 Rb原子发光，振荡频率在100 MHz附近.此前设计的谱灯选用Clapp振荡电路作为射频振荡器，绕在灯泡外壁上的线圈用作振荡器谐振回路的电感，该电感与电路中的谐振电容共同决定了振荡频率.这种振荡电路的频率比较稳定，且容许在一定范围内因调节频率而改变电容参数时不影响电路的起振，但随着高性能铷钟物理系统研究工作的逐渐深入，我们发现该振荡电路也存在一定的缺陷，即电路中的谐振电容不仅决定了振荡频率，也会影响射频振荡信号馈入线圈及灯泡内的耦合效率，进而影响激励功率大小.
随着高信噪比物理系统微波腔（Φ 40）、吸收泡体积的增大，为达到最佳抽运效果，与之配套的光谱灯灯泡体积也需相应增大.当灯泡尺寸增大后，我们发现绕在灯泡上的电感线圈尺寸及电感量也会发生变化.为了获得足够大的射频激励功率，可通过调节振荡电路中的谐振电容来实现，但此时激励振荡信号频率却无法调整到合理的工作区间，导致振荡电路起振困难或激励振荡频率产生的抽运光光谱异常.反之，如果通过调节谐振电容使振荡电路容易起振且振荡频率产生的抽运光光谱正常，则导致激励功率偏小，灯泡发光太弱.总之，对于较大尺寸灯泡，传统谱灯激励电路的振荡频率和激励功率二者不能同时兼顾，无法独立调节.
为解决上述问题，我们设计了一种新型的铷光谱灯.新谱灯的工作原理示于图4 ，先由独立射频信号源产生所需工作频率的射频信号输出，经过一个功率可调的射频功率放大器放大，再经过匹配电路将信号耦合至灯激励线圈中，该线圈与谐振电路无关，仅起到耦合射频信号能量的作用.其中的射频信号源可选用晶体振荡器，但特殊振荡频率的晶振需提前定制.为了实验方便，方案验证阶段选用微波信号源仪器，其频率、功率均可调.与传统谱灯激励振荡电路相比，由上述两种信号源构成的谱灯激励振荡器都将显著提升射频激励信号的频率稳定度，这将进一步改善谱灯产生的抽运光之稳定性.
图4
图4
新型光谱灯工作原理框图
Fig. 4
Block diagram of the working principle of the new spectrum lamp
实验测试表明，新设计的光谱灯确实具有激励信号频率和功率可独立、方便调节的优点.但对于一个实用的高性能铷钟，其谱灯激励信号源不可能采用价格昂贵、体积庞大的微波（射频）信号源，而应通过实验确定谱灯激励信号频率，并据此频率去定制专用的晶体振荡器.因此，为了确定谱灯设计的最终方案，首先应优化确定谱灯激励信号频率.我们将新设计谱灯灯头装入物理系统并测量其输出信号，采用微波源在很宽的频率范围内调节改变激励信号频率，通过同步测试并计算物理系统的散粒噪声贡献来评估优化激励信号频率，图5 给出了谱灯激励频率优化过程的测量结果，最终我们在90 MHz附近获得了新谱灯激励频率的最佳工作点.至于谱灯激励信号功率的调节或优化，则可通过谱灯的功放电路或匹配电路在铷钟调试过程中实时、方便地进行，无需提前确定.
图5
图5
光谱灯激励信号频率优化过程的实验测试曲线
Fig. 5
Test curve of the spectral lamp excitation signal frequency optimization process experiment
2.3 光路仿真及优化设计
光谱灯发射出的光具有发散性，而这会导致处于光路中吸收泡内一些原子虽然参与了双共振过程，但过大的发散角使得对应透射光无法被探测器光电池检测到（即落到光电池之外），这部分原子信号没有对物理系统输出的总原子信号产生贡献，原子利用率的降低会导致物理系统信噪比的降低.因此，我们有必要对谱灯光束进行准直，然而谱灯并不是一个理想光源，此前在物理系统光路中使用一个透镜对其准直的效果欠佳，在新物理系统中我们采用了由两个透镜构成透镜组的设计.
新透镜组的调节、优化参数比较多，单纯采用实验方法会使优化过程繁琐且效率低，因此，我们借助光学仿真软件进行透镜组设计.因为我们物理系统设定的光谱灯工作模式为环模[13 ] ，所以仿真时对光源建立的模型为一个圆柱面和一个圆面的结合，用以模拟谱灯在环模工作状态下灯泡圆柱壁面和端面的发光情况，并依据灯头结构对激励线圈以及隔热部件等不透光的部分建立了光阑模型，也对灯头内的金属结构建立了反射面及散射面.在建立好谱灯的光源模型后，依次将两个透镜的焦距以及各自到光源的距离设为变量，设置滤光泡的端面直径为光束的约束条件，利用软件的优化函数设置光斑半径以及光束发散角.并在光路上等距离设置了四个探测面，最后一个探测面放置的位置等同于物理系统内探测器光电池的位置，用于观察光束的发散角以及光电池处的光斑大小及光强分布情况.
上述仿真设计的结果如图6 所示，当分别选用D = 30 mm（直径）、f = 30 mm（焦距）和D = 40 mm、f = 80 mm的两种透镜构建成透镜组时，获得了比较满意的光路.而根据四个探测面上的光斑直径差值以及探测面之间距离的正切关系可以计算得出光束发散角约为8°，相较于改进前的20°发散角，准直性优化了1倍以上，从最后一个探测器上得到的光斑[图6(b) ]直径约为34 mm，且光斑内光强分布均匀，有利于物理系统获得高信噪比原子信号.
图6
图6
(a)抽运光传播轨迹仿真；(b)探测器光电池上光斑相对强度仿真
Fig. 6
(a) Simulation of pumping light propagation trajectory; (b) simulation of light spot distribution on the detector photocell
3 性能测试与结果分析
在完成在上述各项优化设计并装配、调试新物理系统后，我们对新物理系统的性能进行了实验测试与评估.如前所述，我们以散粒噪声为主要噪声来源，对物理系统信噪比及其对铷钟的影响进行分析评估.由(1)式可知，如能测试获得背景光电流${{I}_{0}}$ ${{K}_{\text{d}}}$ ${{\sigma }_{\text{P}}}(\tau )$ ${{I}_{0}}$ ${{K}_{\text{d}}}$ 图7 所示，测试信号由微波信号源产生，信号源一路产生调制频率为136 Hz的6.835 GHz受调微波探询信号，另一路则产生136 Hz的同步解调参考信号，其中的微波探询信号馈入到物理系统中的微波腔内用以激励87 Rb原子跃迁，同时控制微波探询信号在钟跃迁频率6.835 GHz附近一定范围内进行扫频，此时将在光探测器上检测到带有136 Hz调制信号的原子跃迁谱线信号，也即光检信号.光检信号经前置放大器放大后与同步解调参考信号均输入到锁相放大器中进行同步解调，解调出来得到的即是原子跃迁谱线的微分信号，也就是鉴频曲线，取鉴频曲线中心部分的斜率也就获得了鉴频斜率${{K}_{\text{d}}}$ .
图7
图7
鉴频曲线测量装置及实验过程示意图
Fig. 7
Schematic diagram of frequency discrimination curve measurement device and experimental process
根据上述实验，我们测得Φ 40微波腔新物理系统的背景光电流${{I}_{0}}=$ 187.74(33) μA，鉴频斜率${{K}_{\text{d}}}=$ 19.31(8) nA/Hz，通过(1)式计算得出该物理系统信噪比对铷钟稳定度的贡献为${{\sigma }_{\text{P}}}(\tau )=$ 4.169(5) ×10-14 τ -1/2 .如果能匹配噪声水平优于3×10-14 τ -1/2 的铷钟电路系统，那么从理论上分析评估可得出结论，基于该物理系统研制的铷钟之频率短稳将可达到5×10-14 τ -1/2 水平.
我们早期研制的Φ 20和Φ 30微波腔物理系统信噪比对铷钟短稳的贡献分别为2.5×10-13 τ -1/2 和7.5×10-14 τ -1/2 （见文献[14 ,15 ]），本文设计的Φ 40微波腔物理系统相较于早期物理系统的性能获得了明显提升，但仍未使铷原子钟达到其稳定度极限.我们认为，今后随着技术的进步及铷钟研究的深入，在物理系统原子跃迁信号增强、散粒噪声降低、电路系统降噪以及铷钟整机参数优化等方面仍有潜力可挖，最终使铷钟短期稳定度达到小系数10-14 τ -1/2 水平是很有可能的.
4 结论
我们通过对谱灯抽运铷钟Φ 40微波腔物理系统结构的重新优化设计，有效地解决了物理系统内部热耦合及温度梯度问题；通过对物理系统之光学系统的全面优化设计，改善了铷光谱灯及抽运光的性能，最终使物理系统信噪比获得了明显提升.实验测试及分析评估结果表明，新设计的物理系统之散粒噪声对铷钟稳定度的贡献为4.2×10-14 τ -1/2 ，据已知的国内外文献报道，这是目前谱灯抽运铷原子钟性能的世界领先水平，该结果为今后超高性能铷钟整机的短稳实现5×10-14 τ -1/2 、长稳突破1×10-15 进入~10-16 奠定了基础，这也必将进一步拓展铷原子钟在尖端科技领域的应用范围.
利益冲突
参考文献
View Option
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The Global Navigational Satellite System (GNSS) technique is naturally sensitive to the geocenter motion, similar to all satellite techniques. However, the GNSS-based estimates of the geocenter used to contain more orbital artifacts than the geophysical signals, especially for the Z component of the geocenter coordinates. This contribution conveys a discussion on the impact of solar radiation pressure (SRP) modeling on the geocenter motion estimates. To that end, we process 3 years of GPS, GLONASS, and Galileo observations (2017–2019), collected by a globally distributed network of the ground stations. All possible individual system-specific solutions, as well as combinations of the available constellations, are tested in search of characteristic patterns in geocenter coordinates. We show that the addition of a priori information about the SRP-based forces acting on the satellites using a box-wing model mitigates a great majority of the spurious signals in the spectra of the geocenter coordinates. The amplitude of the 3 cpy (about 121 days) signal for GLONASS has been reduced by a factor of 8.5. Moreover, the amplitude of the spurious 7 cpy (about 52 days) signal has been reduced by a factor of 5.8 and 3.1 for Galileo and GPS, respectively. Conversely, the box-wing solutions indicate increased amplitudes of the annual variations in the geocenter signal. The latter reaches the level of 10–11 mm compared to 4.4 and 6.0 mm from the satellite laser ranging observations of LAGEOS satellites and the corresponding GNSS series applying extended empirical CODE orbit model (ECOM2), respectively. Despite the possible improvement in the GLONASS-based Z component of the geocenter coordinates, we show that some significant power can still be found at periods other than annual. The GPS- and Galileo-based estimates are less affected; thus, a combination of GPS and Galileo leads to the best geocenter estimates.
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CAMPARO J MACKAY R Spectral mode changes in an alkali RF discharge
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DOI:10.1063/1.2435914
URL
[本文引用: 1]
As a result of observations made by Shaw (M.S. thesis, Cornell University, 1964) in the mid-1960s, alkali rf discharges are known to operate in two spectral modes, the so-called ring mode and the red mode. Experience has shown that the ring mode is best for discharge lamps used in quantum-electronic devices such as atomic clocks and optically pumped magnetometers and that the performance of these devices seriously degrades when the lamp operates in the red mode. Understanding the origin of these modes therefore has application to understanding and improving various quantum-electronic devices. Here we show that Shaw’s model for these modes is inconsistent with observation, and we propose an alternate model based on the role of radiation trapping in multistep ionization.
[14]
XU F HAO Q WANG P F et al. A high signal to noise ratio physics package with a slotted-tube cavity for rubidium atomic clock
[J]. Acta Metrologica Sinica , 2016 , 37 (4 ): 437 -440 .
[本文引用: 1]
许风 , 郝强 , 王鹏飞 , 等 . 基于开槽管腔的高信噪比铷原子钟物理系统
[J]. 计量学报 , 2016 , 37 (4 ): 437 -440 .
[本文引用: 1]
[15]
NIE S WANG P F ZHAO F et al. A physics package with shot-noise limited frequency stability better than 1×10-13 τ -1/2 for rubidium atomic frequency standards
[J]. Chinese J Magn Reson , 2022 , 39 (1 ): 108 -114 .
[本文引用: 1]
聂帅 , 王鹏飞 , 赵峰 , 等 . 散弹噪声极限稳定度优于1×10-13 τ -1/2 的铷频标物理系统
[J]. 波谱学杂志 , 2022 , 39 (1 ): 108 -114 .
[本文引用: 1]
GPS block IIF atomic frequency standard analysis
1
2010
... 铷原子钟（简称铷钟）是世界上应用最广泛的原子钟，其大量应用于通信、导航、授时和精密测量等领域[1 ⇓ -3 ] ，众多应用场景也对铷钟提出了各自不同的要求，从而促进了铷钟的不断发展，尤其是二十世纪末、本世纪初，在卫星导航系统迅猛发展对高性能铷钟的强力驱动下，铷钟的性能有了很大的提升.二十世纪90年代，美国卫星导航系统GPS-II的星载铷钟短期频率稳定度（简称短稳）在3×10-12 τ -1/2 水平[4 ] ，目前美国最新一代GPS-III星载铷钟的短稳和长稳指标分别为≤ 1×10-12 τ -1/2 和≤ 5×10-15 /d水平.进入二十一世纪后，我国铷原子钟的研究发展进入快车道.2017年，本实验室为北斗三号卫星导航系统研制的甚高精度铷钟短稳和长稳指标分别达到6.1×10-13 τ -1/2 和3.9×10-15 /d水平[5 ] ，已处于国际先进水平.近年来，本实验室持续开展超高精度谱灯抽运铷钟的研究工作，2021年底我们研制的铷钟实验样机的稳定度已达到1.5×10-13 τ -1/2 （1~100 s）水平[6 ] ，该结果表明，谱灯抽运铷钟的短期稳定度性能已赶超了被动型氢原子钟的水平[7 ] . ...
Past, present and future of atomic clocks for GNSS
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2021
... 铷原子钟（简称铷钟）是世界上应用最广泛的原子钟，其大量应用于通信、导航、授时和精密测量等领域[1 ⇓ -3 ] ，众多应用场景也对铷钟提出了各自不同的要求，从而促进了铷钟的不断发展，尤其是二十世纪末、本世纪初，在卫星导航系统迅猛发展对高性能铷钟的强力驱动下，铷钟的性能有了很大的提升.二十世纪90年代，美国卫星导航系统GPS-II的星载铷钟短期频率稳定度（简称短稳）在3×10-12 τ -1/2 水平[4 ] ，目前美国最新一代GPS-III星载铷钟的短稳和长稳指标分别为≤ 1×10-12 τ -1/2 和≤ 5×10-15 /d水平.进入二十一世纪后，我国铷原子钟的研究发展进入快车道.2017年，本实验室为北斗三号卫星导航系统研制的甚高精度铷钟短稳和长稳指标分别达到6.1×10-13 τ -1/2 和3.9×10-15 /d水平[5 ] ，已处于国际先进水平.近年来，本实验室持续开展超高精度谱灯抽运铷钟的研究工作，2021年底我们研制的铷钟实验样机的稳定度已达到1.5×10-13 τ -1/2 （1~100 s）水平[6 ] ，该结果表明，谱灯抽运铷钟的短期稳定度性能已赶超了被动型氢原子钟的水平[7 ] . ...
Applications of clocks and frequency standards: from the routine to tests of fundamental models
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2005
... 铷原子钟（简称铷钟）是世界上应用最广泛的原子钟，其大量应用于通信、导航、授时和精密测量等领域[1 ⇓ -3 ] ，众多应用场景也对铷钟提出了各自不同的要求，从而促进了铷钟的不断发展，尤其是二十世纪末、本世纪初，在卫星导航系统迅猛发展对高性能铷钟的强力驱动下，铷钟的性能有了很大的提升.二十世纪90年代，美国卫星导航系统GPS-II的星载铷钟短期频率稳定度（简称短稳）在3×10-12 τ -1/2 水平[4 ] ，目前美国最新一代GPS-III星载铷钟的短稳和长稳指标分别为≤ 1×10-12 τ -1/2 和≤ 5×10-15 /d水平.进入二十一世纪后，我国铷原子钟的研究发展进入快车道.2017年，本实验室为北斗三号卫星导航系统研制的甚高精度铷钟短稳和长稳指标分别达到6.1×10-13 τ -1/2 和3.9×10-15 /d水平[5 ] ，已处于国际先进水平.近年来，本实验室持续开展超高精度谱灯抽运铷钟的研究工作，2021年底我们研制的铷钟实验样机的稳定度已达到1.5×10-13 τ -1/2 （1~100 s）水平[6 ] ，该结果表明，谱灯抽运铷钟的短期稳定度性能已赶超了被动型氢原子钟的水平[7 ] . ...
Rubidium atomic frequency standards for GPS block IIR
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1990
... 铷原子钟（简称铷钟）是世界上应用最广泛的原子钟，其大量应用于通信、导航、授时和精密测量等领域[1 ⇓ -3 ] ，众多应用场景也对铷钟提出了各自不同的要求，从而促进了铷钟的不断发展，尤其是二十世纪末、本世纪初，在卫星导航系统迅猛发展对高性能铷钟的强力驱动下，铷钟的性能有了很大的提升.二十世纪90年代，美国卫星导航系统GPS-II的星载铷钟短期频率稳定度（简称短稳）在3×10-12 τ -1/2 水平[4 ] ，目前美国最新一代GPS-III星载铷钟的短稳和长稳指标分别为≤ 1×10-12 τ -1/2 和≤ 5×10-15 /d水平.进入二十一世纪后，我国铷原子钟的研究发展进入快车道.2017年，本实验室为北斗三号卫星导航系统研制的甚高精度铷钟短稳和长稳指标分别达到6.1×10-13 τ -1/2 和3.9×10-15 /d水平[5 ] ，已处于国际先进水平.近年来，本实验室持续开展超高精度谱灯抽运铷钟的研究工作，2021年底我们研制的铷钟实验样机的稳定度已达到1.5×10-13 τ -1/2 （1~100 s）水平[6 ] ，该结果表明，谱灯抽运铷钟的短期稳定度性能已赶超了被动型氢原子钟的水平[7 ] . ...
Characteristics of the space-borne rubidium atomic clocks for the BeiDou III navigation satellite system
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2021
... 铷原子钟（简称铷钟）是世界上应用最广泛的原子钟，其大量应用于通信、导航、授时和精密测量等领域[1 ⇓ -3 ] ，众多应用场景也对铷钟提出了各自不同的要求，从而促进了铷钟的不断发展，尤其是二十世纪末、本世纪初，在卫星导航系统迅猛发展对高性能铷钟的强力驱动下，铷钟的性能有了很大的提升.二十世纪90年代，美国卫星导航系统GPS-II的星载铷钟短期频率稳定度（简称短稳）在3×10-12 τ -1/2 水平[4 ] ，目前美国最新一代GPS-III星载铷钟的短稳和长稳指标分别为≤ 1×10-12 τ -1/2 和≤ 5×10-15 /d水平.进入二十一世纪后，我国铷原子钟的研究发展进入快车道.2017年，本实验室为北斗三号卫星导航系统研制的甚高精度铷钟短稳和长稳指标分别达到6.1×10-13 τ -1/2 和3.9×10-15 /d水平[5 ] ，已处于国际先进水平.近年来，本实验室持续开展超高精度谱灯抽运铷钟的研究工作，2021年底我们研制的铷钟实验样机的稳定度已达到1.5×10-13 τ -1/2 （1~100 s）水平[6 ] ，该结果表明，谱灯抽运铷钟的短期稳定度性能已赶超了被动型氢原子钟的水平[7 ] . ...
Design and studies of an ultra high-performance physics package for vapor-cell rubidium atomic clock
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2022
... 铷原子钟（简称铷钟）是世界上应用最广泛的原子钟，其大量应用于通信、导航、授时和精密测量等领域[1 ⇓ -3 ] ，众多应用场景也对铷钟提出了各自不同的要求，从而促进了铷钟的不断发展，尤其是二十世纪末、本世纪初，在卫星导航系统迅猛发展对高性能铷钟的强力驱动下，铷钟的性能有了很大的提升.二十世纪90年代，美国卫星导航系统GPS-II的星载铷钟短期频率稳定度（简称短稳）在3×10-12 τ -1/2 水平[4 ] ，目前美国最新一代GPS-III星载铷钟的短稳和长稳指标分别为≤ 1×10-12 τ -1/2 和≤ 5×10-15 /d水平.进入二十一世纪后，我国铷原子钟的研究发展进入快车道.2017年，本实验室为北斗三号卫星导航系统研制的甚高精度铷钟短稳和长稳指标分别达到6.1×10-13 τ -1/2 和3.9×10-15 /d水平[5 ] ，已处于国际先进水平.近年来，本实验室持续开展超高精度谱灯抽运铷钟的研究工作，2021年底我们研制的铷钟实验样机的稳定度已达到1.5×10-13 τ -1/2 （1~100 s）水平[6 ] ，该结果表明，谱灯抽运铷钟的短期稳定度性能已赶超了被动型氢原子钟的水平[7 ] . ...
... 根据谱灯抽运铷原子钟的工作机理，其短稳极限主要受制于物理系统的散粒噪声和电路系统产生的交调噪声.据国外文献报道，2015年欧洲某研究小组已研制出交调噪声贡献仅为2×10-14 τ -1/2 的原子钟电路系统[9 ] ，基于这种低噪声电路，如果物理系统散粒噪声贡献可降至≤ 4.5×10-14 τ -1/2 水平，那么铷钟短稳预期可达到或逼近5×10-14 τ -1/2 的目标.本文在本研究组此前铷钟研究工作[6 ] 的基础上，设计并实现了一种新的超高信噪比铷钟物理系统，并对其进行实验测试和性能分析评估. ...
... 本文介绍的超高信噪比物理系统是在文献[6 ] 工作基础上重新优化设计完成的，此前的工作已对物理系统Φ 40微波腔等进行了细致的研究及实验测试分析，本文的工作则主要针对物理系统的热结构和光学系统进行优化设计. ...
... 此前物理系统的结构设计是将各部件沿着抽运光的光路及微波腔轴向进行固定连接，谱灯组件、腔泡系统组件分别独立安装在一块金属底板上，二者并无直接的固定连接.这种结构在滤光泡与吸收泡集成控温设计的物理系统上体现出了优异的特性，紧凑的结构很好的减小了物理系统体积，而且轴向固定的设计也保证了谱灯与吸收泡之间良好的平行度.但在腔泡系统分离控温设计的物理系统中，灯泡、滤光泡和吸收泡均独立控温，存在三个控温区，其典型值分别为110 ℃、95 ℃和65 ℃.在我们之前设计的三泡独立控温物理系统中[6 ] ，滤光泡和吸收泡组件共享一个底座且直接固定相连接，两个工作温区之间存在较强的热耦合，滤光泡的温度变化会直接影响吸收泡的工作温度.此外，这两个泡的工作温度之间存在30 ℃的较大温差，受热耦合及外界环境温度共同影响，它们的工作温区会产生温度梯度效应.这意味着滤光泡和吸收泡各自的内部温度分布不均匀，在泡的前后端面及内部的原子蒸汽中也会呈现温度梯度分布，这将破坏泡内液态铷分布的稳定性，甚至可能导致在泡端面或侧面形成无规的铷凝结以及铷在泡内产生随机迁移等问题，从而破坏抽运光光强的稳定性. 此外，从介观意义上来看，吸收泡内原子蒸汽温度的不均匀分布也将展宽原子跃迁谱线的线宽[12 ] ，最终导致物理系统的SNR下降. ...
Space passive hydrogen maser a passive hydrogen maser for space applications
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2016
... 铷原子钟（简称铷钟）是世界上应用最广泛的原子钟，其大量应用于通信、导航、授时和精密测量等领域[1 ⇓ -3 ] ，众多应用场景也对铷钟提出了各自不同的要求，从而促进了铷钟的不断发展，尤其是二十世纪末、本世纪初，在卫星导航系统迅猛发展对高性能铷钟的强力驱动下，铷钟的性能有了很大的提升.二十世纪90年代，美国卫星导航系统GPS-II的星载铷钟短期频率稳定度（简称短稳）在3×10-12 τ -1/2 水平[4 ] ，目前美国最新一代GPS-III星载铷钟的短稳和长稳指标分别为≤ 1×10-12 τ -1/2 和≤ 5×10-15 /d水平.进入二十一世纪后，我国铷原子钟的研究发展进入快车道.2017年，本实验室为北斗三号卫星导航系统研制的甚高精度铷钟短稳和长稳指标分别达到6.1×10-13 τ -1/2 和3.9×10-15 /d水平[5 ] ，已处于国际先进水平.近年来，本实验室持续开展超高精度谱灯抽运铷钟的研究工作，2021年底我们研制的铷钟实验样机的稳定度已达到1.5×10-13 τ -1/2 （1~100 s）水平[6 ] ，该结果表明，谱灯抽运铷钟的短期稳定度性能已赶超了被动型氢原子钟的水平[7 ] . ...
Compact high-performance continuous-wave double-resonance rubidium standard with 1.4×10-13 τ -1/2 stability
2014
Simple-design ultra-low phase noise microwave frequency synthesizers for high-performing Cs and Rb vapor-cell atomic clocks
1
2015
... 根据谱灯抽运铷原子钟的工作机理，其短稳极限主要受制于物理系统的散粒噪声和电路系统产生的交调噪声.据国外文献报道，2015年欧洲某研究小组已研制出交调噪声贡献仅为2×10-14 τ -1/2 的原子钟电路系统[9 ] ，基于这种低噪声电路，如果物理系统散粒噪声贡献可降至≤ 4.5×10-14 τ -1/2 水平，那么铷钟短稳预期可达到或逼近5×10-14 τ -1/2 的目标.本文在本研究组此前铷钟研究工作[6 ] 的基础上，设计并实现了一种新的超高信噪比铷钟物理系统，并对其进行实验测试和性能分析评估. ...
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1989
... 铷原子钟本质上是一个锁频环路，环路中作为量子鉴频器的物理系统是铷钟的核心，图1 为物理系统工作原理的示意图.在物理系统工作时，抽运光由87 Rb光谱灯产生，它经由85 Rb原子（滤光泡）进行同位素滤光，滤除抽运光中D1 与D2 线的a线后照射到87 Rb原子（吸收泡）上，实现基态的两个超精细子能级的布居数反转.吸收泡置于一个共振微波腔内，在光透过吸收泡后的位置安装了光探测器（光电池），用以探测经吸收泡透射输出的光强.当馈入微波腔的微波激励信号频率远离87 Rb基态超精细跃迁频率（${{v}_{0}}\approx $ 6.835 GHz）时，由于原子处于上能级饱和的状态，铷原子蒸汽对光吸收较少，光电池探测到的光强较强.当输入微波信号频率接近${{v}_{0}}$ 87 Rb原子受激辐射，使得吸收泡中铷原子蒸汽对光的吸收率增加，并导致光电池探测到的透射光强减弱，而当馈入的微波信号频率等于跃迁频率${{v}_{0}}$ ${{v}_{0}}$ [10 ] . ...
Recent progress in laser-pumped rubidium gas-cell frequency standards
1
1996
... 在评估铷钟物理系统的性能时，通常以信噪比（SNR）作为评估指标.其中，信号指的就是物理系统产生的鉴频信号，其性能可以用鉴频曲线中心部分的鉴频斜率来表征.而噪声指的是物理系统内的原子体系产生的噪声，包括自发辐射噪声、热噪声和散粒噪声.但因为铷钟作为钟频信号的87 Rb原子跃迁频率较低，其自发辐射速率会远低于受激辐射速率，所以常常忽略自发辐射噪声.而热噪声由于其随取样时间τ -1 的时域噪声特性，相较于特性为τ -1/2 的散粒噪声也不会占主导地位.因此在评估物理系统噪声对铷钟稳定度的贡献${{\sigma }_{\text{P}}}(\tau )$ [11 ] ： ...
Mesoscopic physics in vapor-cell atomic clocks
1
2017
... 此前物理系统的结构设计是将各部件沿着抽运光的光路及微波腔轴向进行固定连接，谱灯组件、腔泡系统组件分别独立安装在一块金属底板上，二者并无直接的固定连接.这种结构在滤光泡与吸收泡集成控温设计的物理系统上体现出了优异的特性，紧凑的结构很好的减小了物理系统体积，而且轴向固定的设计也保证了谱灯与吸收泡之间良好的平行度.但在腔泡系统分离控温设计的物理系统中，灯泡、滤光泡和吸收泡均独立控温，存在三个控温区，其典型值分别为110 ℃、95 ℃和65 ℃.在我们之前设计的三泡独立控温物理系统中[6 ] ，滤光泡和吸收泡组件共享一个底座且直接固定相连接，两个工作温区之间存在较强的热耦合，滤光泡的温度变化会直接影响吸收泡的工作温度.此外，这两个泡的工作温度之间存在30 ℃的较大温差，受热耦合及外界环境温度共同影响，它们的工作温区会产生温度梯度效应.这意味着滤光泡和吸收泡各自的内部温度分布不均匀，在泡的前后端面及内部的原子蒸汽中也会呈现温度梯度分布，这将破坏泡内液态铷分布的稳定性，甚至可能导致在泡端面或侧面形成无规的铷凝结以及铷在泡内产生随机迁移等问题，从而破坏抽运光光强的稳定性. 此外，从介观意义上来看，吸收泡内原子蒸汽温度的不均匀分布也将展宽原子跃迁谱线的线宽[12 ] ，最终导致物理系统的SNR下降. ...
Spectral mode changes in an alkali RF discharge
1
2007
... 新透镜组的调节、优化参数比较多，单纯采用实验方法会使优化过程繁琐且效率低，因此，我们借助光学仿真软件进行透镜组设计.因为我们物理系统设定的光谱灯工作模式为环模[13 ] ，所以仿真时对光源建立的模型为一个圆柱面和一个圆面的结合，用以模拟谱灯在环模工作状态下灯泡圆柱壁面和端面的发光情况，并依据灯头结构对激励线圈以及隔热部件等不透光的部分建立了光阑模型，也对灯头内的金属结构建立了反射面及散射面.在建立好谱灯的光源模型后，依次将两个透镜的焦距以及各自到光源的距离设为变量，设置滤光泡的端面直径为光束的约束条件，利用软件的优化函数设置光斑半径以及光束发散角.并在光路上等距离设置了四个探测面，最后一个探测面放置的位置等同于物理系统内探测器光电池的位置，用于观察光束的发散角以及光电池处的光斑大小及光强分布情况. ...
基于开槽管腔的高信噪比铷原子钟物理系统
1
2016
... 我们早期研制的Φ 20和Φ 30微波腔物理系统信噪比对铷钟短稳的贡献分别为2.5×10-13 τ -1/2 和7.5×10-14 τ -1/2 （见文献[14 ,15 ]），本文设计的Φ 40微波腔物理系统相较于早期物理系统的性能获得了明显提升，但仍未使铷原子钟达到其稳定度极限.我们认为，今后随着技术的进步及铷钟研究的深入，在物理系统原子跃迁信号增强、散粒噪声降低、电路系统降噪以及铷钟整机参数优化等方面仍有潜力可挖，最终使铷钟短期稳定度达到小系数10-14 τ -1/2 水平是很有可能的. ...
基于开槽管腔的高信噪比铷原子钟物理系统
1
2016
... 我们早期研制的Φ 20和Φ 30微波腔物理系统信噪比对铷钟短稳的贡献分别为2.5×10-13 τ -1/2 和7.5×10-14 τ -1/2 （见文献[14 ,15 ]），本文设计的Φ 40微波腔物理系统相较于早期物理系统的性能获得了明显提升，但仍未使铷原子钟达到其稳定度极限.我们认为，今后随着技术的进步及铷钟研究的深入，在物理系统原子跃迁信号增强、散粒噪声降低、电路系统降噪以及铷钟整机参数优化等方面仍有潜力可挖，最终使铷钟短期稳定度达到小系数10-14 τ -1/2 水平是很有可能的. ...
散弹噪声极限稳定度优于1×10-13 τ -1/2 的铷频标物理系统
1
2022
... 我们早期研制的Φ 20和Φ 30微波腔物理系统信噪比对铷钟短稳的贡献分别为2.5×10-13 τ -1/2 和7.5×10-14 τ -1/2 （见文献[14 ,15 ]），本文设计的Φ 40微波腔物理系统相较于早期物理系统的性能获得了明显提升，但仍未使铷原子钟达到其稳定度极限.我们认为，今后随着技术的进步及铷钟研究的深入，在物理系统原子跃迁信号增强、散粒噪声降低、电路系统降噪以及铷钟整机参数优化等方面仍有潜力可挖，最终使铷钟短期稳定度达到小系数10-14 τ -1/2 水平是很有可能的. ...
散弹噪声极限稳定度优于1×10-13 τ -1/2 的铷频标物理系统
1
2022
... 我们早期研制的Φ 20和Φ 30微波腔物理系统信噪比对铷钟短稳的贡献分别为2.5×10-13 τ -1/2 和7.5×10-14 τ -1/2 （见文献[14 ,15 ]），本文设计的Φ 40微波腔物理系统相较于早期物理系统的性能获得了明显提升，但仍未使铷原子钟达到其稳定度极限.我们认为，今后随着技术的进步及铷钟研究的深入，在物理系统原子跃迁信号增强、散粒噪声降低、电路系统降噪以及铷钟整机参数优化等方面仍有潜力可挖，最终使铷钟短期稳定度达到小系数10-14 τ -1/2 水平是很有可能的. ...
