BD1024铯钟的产品原理和介绍
（一）光抽运铯原子钟研究介绍
铯束原子钟自上个世纪50年代首次研制成功，已被广泛用于守时、卫星定位、高速通信等相关的各个领域。
全球定位导航 潜艇导航 卫星深空导航
上世纪80年代，光抽运铯束原子钟技术的提出，为进一步提高铯束原子钟的性能提供了一种切实可行的办法，并被各国广泛研究。例如世界上的发达国家，包括法国、美国、日本、加拿大、瑞士、韩国等国都参与了研制光抽运铯束原子钟。北京大学是世界上较早参与光抽运铯原子钟的单位，自上个世纪80年代末就开始了光抽运铯束原子钟的研究，并在国际上首次提出了斜光抽运等新型的技术实现方案，且取得了很大的进展。2007年，由北京大学小组研制的小型化光抽运铯束原子钟已经基本达到商品铯钟HP5071普通管的水平。然而，尽管光抽运铯原子从开始研究到现在已经过去35年，由于各国对光抽运铯原子钟研究的前景上，存有不同的看法，到目前为止尚未有商品销售市场。我国是目前在国际上少数几个连续支持光抽运铯原子钟研究的国家，这几年我国铯原子钟的各个研究小组都取得了较大的进展，为了进一步提高铯原子钟性能，突破光抽运铯原子钟的技术瓶颈，北大光抽运铯原子钟研究小组首先从理论和实验上充分分析了影响原子钟稳定度的噪声因素，并着重于影响原子钟短期稳定度的各个因素做了定量计算和实验验证，在技术上与203所、4404厂，同相科技（www.bjtongxiang.cn）合作，突破了各种技术难点，研发出型号BD1024铯钟，目前指标已经日稳已经超过HP5071优质管的指标。我们理论与实验研究表明：光抽运铯原子钟有着很大的潜力，其短期稳定度与长期稳定度都可以超过商品铯钟HP5071优质管的水平。
原子钟的长期稳定度主要决定于原子钟参考谱线所受环境影响的大小，这种影响取决于激光频率、激光功率、微波功率、微波腔长、原子数的起伏等因素受环境的影响程度，这种影响可以用噪声和环境的联系来描述。以下通过分析影响原子钟短期稳定度与长期稳定度的关键因素，来说明如何使光抽运铯原子钟的短期稳定度与长期稳定度超过商品铯钟HP5071优质管的水平。
光抽运铯束原子钟的短期稳定度与Ramsey信号的信噪比成正比，而Ramsey信号的信噪比最后受原子闪弹噪声的限制。因此研究光抽运铯束原子钟的极限短期稳定度首先需要研究利用激光探测信号时，原子闪弹噪声对Ramsey信噪比的影响。图1为光抽运铯原子钟的基本结构，它由原子炉喷射稳定的原子束，经过光抽运激光，将铯原子抽运到跃迁线上，这些实现了态制备的原子两次经过微波腔，实现原子态的干涉（即Ramsey干涉），然后经过检测激光，实现态的测量，检测在跃迁线上原子数，由此将作用于基态超精细能级间的微波锁定于Ramsey峰值，获得高精度铯原子钟信号输出。
在铯原子钟中，光检测到的Ramsey信号是获得原子钟钟频信号的核心，因此分析检测光与原子相互作用，如何获得高信噪比的Ramsey信号是提高原子钟短期稳定度的关键[2],[3]。如果假设是粒子束的束流密度，原子束流有一定速度分布，满足麦克斯韦分布，假设分布函数为：
，， 是玻尔兹曼常数，T是炉温，m是原子质量。对于现实情况下的原子束，需要计算某一时刻在长度L的范围内的粒子数
[1]
利用式 可以得到：
[2]
其中 ，假设对于麦克斯韦分布，可以得到
[3]
由于不同速度群的原子在统计上是不相关的，而且在不同区域的原子也是不相关的，如果原子要在时间间隔内与其他原子相互关联（光探测，有一定的作用区域L），则速度最大只能是。则有
[3]
对于光电探测而言，得到的信号如下式所示
[4]
其中为每个原子发出的平均光子数，由式可得
[5]
而由散弹噪声引起的信号的噪声功率谱密度则表示为下式所示，
[6]
由于信号会通过低通滤波器滤波，取频率的极限，利用Mathematica做二重积分得到：
[7]
这样由信噪比（1Hz带宽）的表达式：
[8]
以上表明，光抽运原子钟的Ramsey极限信噪比只与原子束引起的涨落有关，但是激光光强的涨落、线宽等因素会使得极限信噪比降低，考虑了激光的信噪比[4]-[6]，则Ramsey极限信噪比为：
[9]
将激光的参量代入可得：
[10]
其中
——二能级原子的自发辐射系数，，激光的角频率线宽，激光线宽，——是拉比频率，与激光光强和原子结构有关。如果进一步考虑电路等噪声，公式[9]按激光噪声相同的考虑方法，作进一步修正。
原子钟输出的频率在理论上只与原子能级有关，而原子能级是不随时间变化的，这就是将时间标准建立在原子能级上的初衷。但是在实际系统中，各种器件都存在一定的噪声，外界环境也随时间变化，系统老化，原子之间相互作用等各种因素将影响原子钟的工作频率。这些影响将主要影响原子钟的长期稳定度。为了评价原子钟的长期稳定度性能，实验上利用Allan方差来表征系统的稳定度。Allan方差的定义如下式所示：
[11]
其中N表示的是测量是点的个数，T表示两次测量的间隔，表示测量一次花费的时间。对于频率标准，通常关心其频率稳定度，为此yj表示采样得到的频率值。通常现在选用N=2来表示原子钟的稳定度。上式化简如下所示
[12]
由文献[1]可知，影响原子钟稳定度的噪声主要包括随机行走噪声，白噪声，闪变噪声。由于原子钟为了维持频率的稳定性，通常将原子锁定在某些特定的谱线上。对于铯束原子钟，利用谱线通常为Ramsey谱线，噪声幅度与频率相对变化的关系如下式所示。
[13]
其中为频率的变化量，信号幅度的变化量，u为信号幅度，v0为中心频率，为Ramsey谱线宽度，是因为Ramsey线形。
表 1 不同噪声类型对铯束原子钟稳定性的影响
噪声类型 | 功率谱 | 稳定度 |
白噪声 | ||
闪变噪声 | ||
随机行走噪声 |
对不同噪声的稳定度与噪声的功率谱密度如下式所示
[14]
将上式转换成频率稳定度的公式
[15]
计算可以得到稳定度与噪声的关系如表1所示
由表1可知，系统的白噪声决定了原子钟的短期稳定度，而闪变噪声则决定了原子钟的闪变平台，随机行走噪声的存在使得系统的输出频率稳定性随时间不断变大。对于铯束原子钟而言，闪烁噪声在量级左右。然而原子束的闪弹噪声是白噪声，激光探测的频率噪声也是白噪。闪烁噪声的来源就主要是电子器件（例如半导体器件本身的缺陷和不完整会产生1/f噪声）和外界环境（例如当外界环境变化时，器件的物理特性和电学特性也会发生相应变化，这样就将环境的噪声耦合进系统中）。为此选用对环境不敏感电子器件，并控制系统中的各个参量以减少环境对系统的影响将有利用提高原子钟的长期稳定度。另外由上表公式可知，在铯束原子钟中，线宽窄的Ramsey花样可以获得更好的长期稳定度。
利用Matlab仿真软件可以模拟得到一定时间长度内白噪声、闪烁噪声、随机行走噪声。利用Stable32软件将模拟得到的噪声做稳定度计算可以得到噪声类型与稳定度的对比图。由此我们得到了图3的几种铯原子的长期稳定度的Allan方差曲线。
图3 一些铯束钟铯原子钟的稳定性
由上分析可知，光抽运铯原子的短期稳定度主要受到光检测信噪比的影响，其噪声来源主要是原子束流中与微波相互作用的原子数涨落、激光线宽（激光频率的涨落）、电子学噪声等。光抽运铯原子的长期稳定度主要受到闪烁噪声影响，其来源就主要是电子器件和外界环境。为此选用对环境不敏感电子器件，并控制系统中的各个参量以减少环境对系统的影响将有利用提高原子钟的长期稳定度。我们在实验上已经验证了上述结论，光抽运铯原子钟有着很大的潜力，其短期稳定度与长期稳定度都可以超过商品铯钟HP5071优质管的水平。
光抽运铯原子钟三大组成介绍：
（1）物理部分
物理部分主要包含铯束管、激光器以及相关光路系统。铯束管里有铯炉、抽运区、微波腔、检测区，通过离子泵实现管内真空度为10-6 Pa以内。铯炉里装有铯泡，大约几克重，通过电击穿然后加热形成铯蒸汽，一般加热到100度甚至更高。铯原子经过炉口准直器喷出来形成铯束，由于基态两能级之间的距离比较小，所以可以认为铯原子平均分布在基态62 S1⁄2两子能级上（F=3，F=4）。
铯原子基态能级示意图
铯束首先进入抽运区，与抽运光束发生垂直共振作用。抽运激光频率被锁定在62S1⁄2,F=4→62 P3⁄2,F'=4（4-4）跃迁线上，这样处在基态F=4上的原子就会被激发到激发态F'=4上。由于激发态寿命很短，只有约30ns，所以，原子会很快通过自发辐射跃迁下来，回到基态。根据跃迁选择定则，原子既可以回到F=4态，也可以回到F=3态，差不多都是二分之一的概率。这样，回到F=4态的原子会再次与激光相互作用，重复之前的过程，直到它被抽运到F=3态为止，这就是光抽运的基本过程。根据实际原子速度与光束直径估算，每个原子平均与激光的相互作用时间为20us，也就是说，每个原子最多可能被激发六百多次，所以几乎可以保证所有原子都被抽运到F=3态。
出了抽运区，可以认为原子都处在基态F=3上。然后进入微波区的第一个共振腔。微波腔的谐振频率约为9.2GHz，与铯原子基态两子能级的跃迁频率一致。原子与微波发生磁共振，然后进入自由漂移区，接着进入第二个微波腔，再次与微波发生磁共振。两个微波腔大小一样，腔内的微波频率相位均一致。整个微波区都有一个水平方向且垂直于铯原子束的磁场，称之为C场，用来把原子基态的磁子能级分开，从而挑出其中的F=3,mF=0→F=4,mF=0（0-0）跃迁，作为钟频率参考谱线。
原子经过两次与微波相互作用之后，部分原子会跃迁到基态上能级F=4态上，然而，对于每个原子，我们无法得知它是具体从哪个腔内发生跃迁到上能级的，于是类似于电子的双缝干涉原理，这两个腔内跃迁过程也能发生干涉，外在表现就是检测区F=4态的原子数目，或者说原子处在F=4态的概率，相对与微波频率，呈现干涉条纹。电子双缝干涉属于空间上的干涉，Ramsey条纹可以看成是一种原子内态在时间上的干涉。
我们通过检测激光来检测跃迁到基态上能级F=4态的原子数目。检测激光频率被锁定在4-5跃迁线上。这条谱线又被称之为循环跃迁线，因为原子被激发到激发态F'=5之后，根据电偶极跃迁选择定则，通过自发辐射，原子只能返回到基态F=4态。这样，每个原子就能不断的被激发，然后自发辐射下来，再次被激发，伴随着大量荧光的产生。处在F=4态的原子布居数越多，最后产生的荧光光子数就越多，两者成正比关系。也就是说，可以通过探测荧光信号强度来反推原子处在F=4态的概率。
由于荧光光子是朝四面八方辐射，所以我们设计一个碗状的结构，内壁光滑，对光的反射率非常高，称之为荧光收集器。我们让原子和激光的共振位置处在碗中心，这样，可以将各个方向上的荧光信号全部集中到一点，在那个位置，我们放置了一个光电探测器，把荧光信号转化成电流信号，然后输出，经过IV转换电路，得到电压信号。扫描微波频率，就得到Ramsey条纹。
Ramsey 条纹，微波就锁定于F=3,mF=0→F=4,mF=0（0-0）跃迁的中心位置
（2）稳频激光系统
稳频激光器是光抽运铯束频标里的关键组成部分，也是光抽运区别于同时优于磁选态的根本所在。当然，为了保证原子钟的性能，稳频激光器需要满足很多要求。小型化铯钟最大的一个用途就是守时，这就意味着要长期连续稳定工作（目标连续工作10年）。所以，相应用到的激光器，也得能够达到上电后自动锁频，并且连续稳频工作（10年以上），不能经常失锁，偶尔失锁，也得在几秒时间内，自动重新锁回来。同时，还要考虑到激光器的稳频效果，不能给Ramsey信号带来很大频率噪声。最后，就是稳频激光系统得有很好的稳定性与抗干扰能力，满足原子钟能在不同环境条件下良好工作的需求。
图 饱和吸收谱光路示意图
上图是典型的消本底饱和吸收谱光路示意图。图中DL为DFB半导体激光器，输出激光经过隔离器（ISO），防止光反馈，然后利用半波片和偏振分光片（PBS）进行分束，分出大概300uW的激光去做吸收谱。通过一个厚玻璃，产生两路弱的反射光，用于探测，一路强的透射光，用于泵浦。泵浦光与其中一路探测光在铯泡里重合，另外一路探测光用于探测多普勒本底。两路等光强的探测光被两个平衡光电二极管接收，将它们的差信号转换成电压信号。扫描激光频率，就得到饱和吸收谱。
为了在原子钟里使用，我们把上图整个光路集成到一个10cm*10cm的基座上，如下图所示，整个集成模块体积为500cm3。
图 集成的激光器模块。设计图（左），实物图与电路（右）
通过给激光器电流加一个小的正弦波调制，通过自制的调制解调电路，我们得到稳频所需的一次微分信号。
图 饱和吸收谱（上）及其一次微分信号（下）
一般来说，高次谐波（三次微分）稳频能够消除谱线本底的影响，同时得到更窄线宽的谱线。由于我们设计的饱和吸收谱装置是带消多普勒本底的，所以无需利用三次微分信号来稳频。
要实现稳频，需要采用模拟鉴相数字辅助的方式来进行激光器稳频，如下图显示的初版稳频电路框图，带调制的光谱信号经过隔直放大，将光谱信号中调制频率的一次谐波成分滤出来，作为鉴相器（AD630）的一个输入端；信号源（ICL8038）电路产生两路同频同相信号，其中一路作为参考信号，通过带通滤波整形，然后移相，作为鉴相器的另一个输入端。两路信号鉴相之后，输出到15Hz低通滤波模块，就得到一次微分误差信号。调节移相电路，使得参考信号与光谱中的调制成分相位一致，从而误差信号达到最大。误差信号经过PID电路运算，输入到加法器中。另外一路信号源输出，作为调制信号，经过带通滤波整形，也输入到加法器中。最后，还有一路三角波扫描信号，输入到加法器。加法器的输出反馈到激光器的注入电流里，从而实现闭环稳频。
整个过程中，利用51单片机（C8051f020）来实现全程自动。具体有两个作用：一是产生扫描信号，采集光谱信号，从而实现扫谱、识别等等；二是产生PID开关控制信号，监控光谱电平，实现锁定控制，以及失锁判定。
图 初版稳频电路框图
（3）微波伺服部分
获得Ramsey信号后，需要将微波锁定于铯原子基态的超精细跃迁谱线上，最后微波就锁定于F=3,mF=0→F=4,mF=0（0-0）跃迁的中心位置，频率为：9192631770Hz (它的倒数是1秒的定义)， 而日常使用的频率是10MHz,因此，需要通过频率综合电路将9192631770Hz转换到10MHz,并使10MHz的输出稳定度达10-14/日，也就是要使原子钟最后的输出频率(日)为：
1000000.000000000.00000001(Hz)
为此需要精确的频率控制电路，称为微波伺服电路，微波伺服电路模块主要有两个功能：
一是将本地振荡器通过倍频综合的方式，得到微波频率，然后馈入微波腔。因此，本振频率的变化就会引起微波频率的变化，两者成比例。
二是将Ramsey信号经过伺服电路处理，得到钟频率误差信号，从而反馈控制钟频率。在这个过程中，还包含多个系统参量的周期性伺服优化。
微波伺服电路模块流程图
钟频率伺服的主要原理：我们给微波加个方波调制，调制频率为19 Hz，调制深度为νm，使得微波频率在钟跃迁频率两边来回跳动。假如钟跃迁频率为ν0=9.192631772 GHz，本振频率为f0=10MHz，有：
ν1=(9192.631772-νm ) f0
ν2=(9192.631772+νm ) f0
e=d1-d2
ν1,ν2 表示伺服过程中的微波频率，e代表误差信号，d1,d2分别为不同微波频率下的荧光信号强度。
钟频率锁定示意图
如上图，当本振频率偏离钟跃迁频率的时候，得到的误差信号e将不等于0，利用这个信号反馈给本振的压控输入端，调节本振频率，使得e等于0，从而把本振频率稳定在钟跃迁频率上。
图 北京大学、航天科工集团203所、武汉汉光科技有限公司联合研制的光抽运铯原子钟正在测试
我们的理论与实验研究表明：光抽运铯原子钟有着很大的潜力，其短期稳定度与长期稳定度都可以超过商品铯钟HP5071优质管的水平
北京同相科技有限公司以清华和北大技术实力为依托，专注于时间频率领域，为客户提供高性能的产品和服务。同相科技是国内唯一自主可控拥有完整时频产品线，可为客户提供完整的时频解决方案的高科技民营企业 。
公司标准化产品主要包含以下几类：
基准源产品，主要包含高性能晶振，铷原子钟，铯原子钟等，可以为高性能时频系统，雷达，大科学设备提供高性能时频参考。
钟组时频设备，主要包含信号分配器，倍频器，分频器，相位微跃器，无缝隙切换开关，噪声净化器等，可以为钟组的构建提供全方位的产品支持。
时频传输与同步产品，主要包含基于光纤的时频传输设备，可以利用现有光纤网络资源，实现任意节点之间的高精度时频同步。该技术在军工，天文，加速器，电网，传感器网络，无线定位等领域均有重要应用。
科研级时频组件，主要包含高稳定度频率综合器，铯、铷、汞原子钟微波频率源，变带宽锁相环等产品。
稳定度测试产品，主要包含频率稳定度测试仪，用于晶振，原子钟的稳定度测量。
我们不仅向用户提供完整的时频设备，还提供模块化定制产品，保证产品高性能的同时便于用户的进一步开发集成。
北 京 同 相 科 技 有 限 公 司
BeiJing tong xiang ke ji you xian gong si
营销中心：北京市海淀区上地十街辉煌国际大厦4号楼1115
研发中心：成都市郫都区绿地盈创国际2号楼
公司网址：www.bjtongxiang.cn
联系人 ：毕孔 （销售总监）
咨询电话：1800118 0685
联系邮箱：bk@bjtongxiang.cn
