星载MEMS原子钟稳频系统的优化及实验研究

1 引言

相干布居俘获CPT(Coherent Population Trapping)是原子与相干光相互作用所产生的一种量子干涉现象。利用高分辨CPT光谱研制出的被动型CPT原子频标具有体积小、功耗低、启动快等特点。CPT频标是原理上唯一能制成芯片级尺寸的原子频标，不仅在基础研究领域有重大意义，而且在深空探测、卫星导航、航天航空、数字通信、同步系统等对时间、频率要求严格的领域有着广泛的应用前景。20世纪90年代以来，激光冷却技术飞速发展，极大促进冷原子钟、光钟以及基于相干布居俘获的CPT原子钟的发展。这里介绍一种星载MEMS原子钟稳频系统的优化及实验研究。

2 CPT原子钟工作原理

用频率为ω1和ω2的两束激光和两超精细能级与激发态构成的A 三能级作用，当两束激光满足双光子共振条件时，原子布居数被捕获在基态的两个超精细能级上。不再吸收光子；当其中一束光的频率在原子共振频率附近扫描时，光在原子介质中的透射强度呈现为电磁诱导透明信号，电磁诱导透明信号经过处理后，可作为误差信号来锁定与调制驱动信号有关的本振信号，从而实现原子钟环路。得到高精度和高稳定度的频率标准，其评价指标为：短期稳定性和频率漂移。CPT效应是由激光与原子相互作用产生的，其窄小带宽对激光频率稳定性提出高要求。只有当激光频率稳定性满足要求，持续产生CPT效应，才能确保原子钟的计量精度。

3 稳频系统优化设计

频率稳定性通常指激光器在连续运转时．在一定的时间间隔内平均频率v与该时间内频率变化量 △v之比，即S=v／△v，很显然，变化量△v越小，则S越大，表示频率的稳定性越好。在工程上，有时也把S的倒数称为稳定度。频率稳定度又可分为短期稳定度和长期稳定度，前者指观测取样时间在1 s以内的频率变化，而大于1 s观测平均时间的就视为长期稳定度。频率复现性是表示激光器在不同时间、地点等条件下频率重复或再现的精度。

由此可见，频率的稳定性和复现性是两个不同的概念。因此，对一台稳频激光器，不仅要看其稳定度。而且还要看它的频率复现性如何。由于激光频率对环境温度的变化、机械振动等外界干扰极端敏感，即使采取严格措施，自由运转的激光器频率稳定性和复现性也不能达到量级。必须使用电子伺服系统自动控制激光器，当外界影响使激光频率偏离特定的参考频率时，可以通过鉴频信号，由电子伺服系统自动调节，将激光器的频率回复到特定的参考频率以达到稳频的目的。

3．1 调制器

该系统设计的伺服控制电路中，欲用10 kHz的正弦信号作为调制信号，故选用RC振荡电路。正弦波发生器产生信号分2路，1路用作调制信号，1路用作解调信号。采用改进后的维恩振荡电路实现 RC正弦振荡信号，得到实际频率为9．79 kHz，与理论9．95 kHz相差160Hz，幅值调节范围为50～1 100 mV。频率及幅值均可满足系统设计要求。

3．2 移相器

移相器用补偿相位移动，或对信号进行反相处理。需要实现0°～360°范围移相，并且有相位精调功能。采用全通滤波器设计，其特点是保持增益为1，调节时间常数可调节移相范围。图1为移相器原理图及相移曲线。其传递函数为：

为使得9．79 kHz信号移相90°，设计移相器参数如下：R=1．6 Ω，R1=10 kΩ，C=10 nF；欲实现－90°移相，只需将图1a中R与C调换。故选用与90°移相器相同参数即可实现－90°移相。180°移相可采用反相器实现。相位微调仍可采用全通滤波器实现，将其中的R或C换成可调的器件即可。保持C不变，设定R的变化范围为1～7 kΩ，可满足-47°～50°范围内的微调。

3．3 鉴相器

鉴相器由模拟乘法器与低通滤波器构成，可通过检测探测信号与参考信号的相位关系，给出与相位差对应的误差信号，供校准器调节使用。模拟乘法器有多种用途，如增益控制、附加增益调整、作除法、压控滤波器、鉴相器等。这里用到的是其鉴相器功能。当两路正弦信号输入乘法器，得到差频、和频两种分量信号。当信号频率相同时，滤掉和频信号，得到差频信号为一直流信号，反映两路信号的相位差。同时，相位差为0°或 180°时得到直流信号最大，这也就是要加移相器以补偿相位获得最佳误差信号的原因所在。

3．4 校准器

校准器由PI控制器、三角波发生器、模拟开关3部分构成，其作用是校正鉴相器输出的误差信号，改善系统快速性与准确性。当激光器受外界干扰跳出锁频范围时，能自动寻找峰值点，自动上锁。根据设定功能要求，图2为校准器原理。