【摘要】：當(dāng)今世界上各種科學(xué)技術(shù)測(cè)量中,最為準(zhǔn)確的要算是對(duì)時(shí)間頻率的測(cè)量了。現(xiàn)在國(guó)際上正式采用銫原子躍遷頻率9192631770Hz作為時(shí)間單位“秒”(s)的定義,即“1s是相當(dāng)于銫原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)躍遷輻射周期的9192631770倍的持續(xù)時(shí)間”�！懊搿倍x的頻率為位于海平面上的~(133)銫(~(133)Cs)原子基態(tài)在零磁場(chǎng)中的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)的躍遷頻率,銫冷原子噴泉鐘作為能復(fù)現(xiàn)上述“秒”定義的裝置,實(shí)際上各種環(huán)境以及系統(tǒng)因素的干擾,會(huì)使輸出信號(hào)的頻率與基準(zhǔn)頻率有頻率偏移。閉環(huán)后銫原子噴泉鐘給出的誤差信號(hào),通過(guò)伺服控制系統(tǒng)使受控晶體振蕩器的頻率得到糾正,輸出信號(hào)頻率的穩(wěn)定性決定于原子躍遷頻率的穩(wěn)定性。原子頻標(biāo)的基本性能指標(biāo)是其頻率穩(wěn)定度和頻率不確定度。頻率穩(wěn)定度描述輸出信號(hào)的波動(dòng)程度,一般采用阿侖方差表征,這種波動(dòng)是由頻率噪聲引起的,探測(cè)激光噪聲是影響頻率穩(wěn)定度的重要來(lái)源之一。頻率不確定度表示輸出頻率與其標(biāo)稱頻率的吻合程度,由各種物理因素引起的相對(duì)頻移的不確定度的合成來(lái)估算,其中,冷原子碰撞頻移是很重要的一項(xiàng),它的頻移不確定度的評(píng)估直接影響到銫原子噴泉鐘準(zhǔn)確度的性能指標(biāo)。本學(xué)位論文圍繞噴泉鐘的兩大性能指標(biāo)頻率穩(wěn)定度和頻率準(zhǔn)確度展開(kāi)研究,首先在具有抗振特性的外腔半導(dǎo)體激光器基礎(chǔ)上,研究了具有調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜的穩(wěn)頻技術(shù)對(duì)銫原子噴泉鐘探測(cè)激光系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)頻;研究了能夠獲得高低密度原子樣品數(shù)目比例恒為2的選態(tài)冷原子團(tuán)的量子絕熱躍遷技術(shù)。然后在實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)上,測(cè)得了銫原子噴泉鐘的冷原子碰撞頻移及其不確定度,具體可將研究?jī)?nèi)容和成果歸納為以下四個(gè)方面:(一)銫原子噴泉鐘探測(cè)激光系統(tǒng)的穩(wěn)頻。NTSC-CsF1的852nm波長(zhǎng)的抗振外腔半導(dǎo)體激光器,它具有參數(shù)自恢復(fù)鎖頻功能,且準(zhǔn)直性好、亮度高,在此基礎(chǔ)上,搭建調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜技術(shù)的電路和光路穩(wěn)頻系統(tǒng),成功應(yīng)用于銫原子噴泉鐘裝置。分析研究了基于電光調(diào)制器EOM的調(diào)制以及近簡(jiǎn)并四波混頻后的光束通過(guò)探測(cè)器后的拍頻所實(shí)現(xiàn)的調(diào)制轉(zhuǎn)移的原理,測(cè)試了所獲得的探測(cè)激光的飽和吸收光譜及其誤差信號(hào)的特性。在誤差信號(hào)的鑒頻基礎(chǔ)上,能夠獲得信噪比更高、鎖頻時(shí)間更長(zhǎng)的探測(cè)激光頻率,提升了探測(cè)激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(二)銫原子噴泉鐘選態(tài)樣品原子的制備。在銫原子噴泉鐘光學(xué)系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、微波頻率綜合系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電子學(xué)系統(tǒng)共同工作的基礎(chǔ)上,搭建滿足量子絕熱躍遷條件的微波頻率、功率綜合系統(tǒng),成功的制備了高低原子團(tuán)數(shù)目比恒為2的選態(tài)冷原子團(tuán)。分析研究了銫原子噴泉鐘的選態(tài)過(guò)程及原理,分析了量子絕熱躍遷的過(guò)程和原理,測(cè)得了所獲得的高低密度比為2的選態(tài)冷原子團(tuán)的數(shù)目波動(dòng)比以及百秒穩(wěn)定度。在量子絕熱躍遷基礎(chǔ)上得到了按事先預(yù)計(jì)好的成倍數(shù)關(guān)系的冷原子樣品。(三)頻率、功率隨任意波形變化的微波功率模塊的研制。在量子絕熱躍遷技術(shù)理論及實(shí)驗(yàn)可行的基礎(chǔ)上,把所需設(shè)備及元件進(jìn)行模塊化,易于操作。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)的產(chǎn)品可以滿足該要求,需要零件進(jìn)行集成。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,成功研制了這個(gè)功率模塊。(四)冷原子碰撞頻移的評(píng)定技術(shù)研究。在量子絕熱躍遷技術(shù)制備選態(tài)冷原子團(tuán),獲得冷原子團(tuán)高低數(shù)目密度比恒為2的基礎(chǔ)上,采用高低密度交替上拋運(yùn)行250個(gè)周期的方法,連續(xù)運(yùn)行15天,測(cè)得冷原子團(tuán)高密度及低密度的頻率。分析研究了原子密度與冷原子碰撞頻移的原理,分析了差分法測(cè)量冷原子碰撞頻移所滿足的條件,分析了冷原子碰撞頻移及其不確定度的計(jì)算方法,測(cè)得了銫原子噴泉鐘的冷原子碰撞頻移及其不確定度,得到了更好的評(píng)定指標(biāo)。
【圖文】：

銫原子噴泉鐘的原理圖

圖2.2雙能級(jí)探測(cè)系統(tǒng)圖
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM935.1

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