能够长期自主运行的稳频激光器是喷泉原子钟连续工作的基础。基于铷原子喷泉钟中的780 nm商用半导体激光器,利用嵌入式系统设计了一个长期全自动稳频系统。该系统具有自动识别铷饱和吸收谱线的目标峰、长期锁定频率与意外失锁后的快速重锁的功能。提出了一种动态调整工作点的方法。在激光器长期运行过程中,受温度、湿度和器件老化等因素的影响,目标工作点会随时间发生变化,所提方法可解决该问题。利用该方法,激光器的稳频系统不易失锁,即使失锁也可以快速重新锁回。将所提稳频系统成功应用于可搬运铷喷泉原子钟中,铷喷泉原子钟在搬运后能够快速投入工作,激光频率的长期锁定时间可达一个月以上。激光频率相对于铷饱和参考谱线的频率长期稳定度约为2.3×10 ^-13,可搬运铷喷泉原子钟的长期稳定度在搬运前后均达到了10 ^-16量级。

原子喷泉钟是具有重要应用价值的冷原子装置,紧凑型光学系统设计是研制可搬运冷原子喷泉钟的关键技术之一。介绍了一种以通用铝型材搭建的网格化光学平台,并基于此平台实现了 85Rb喷泉钟紧凑型光路。通过仿真,证明了该型材网格平台在二维方向均具有较好的力学性能。在该平台上,设计并搭建了四倍频移、注入锁定放大、冷却光路、再泵浦光路和探测光路等单元模块,满足了喷泉钟的所有要求。该网格平台面积为50 cm×50 cm,高度为2.5~3 cm。该光路实现了8个月以上的持续运行,功率的起伏小于5%。基于该紧凑型光学系统,完成了后续的 85Rb喷泉钟的物理实验和微波实验。

采用低相位噪声频率合成和锁相技术,为世界首台 85Rb喷泉钟研制了低相位噪声微波频率综合器,实现了低相位噪声的钟频信号输出。当该微波频率综合器的频率分辨率为0.7 μHz,输出频率为3.036 GHz时,在傅里叶频率1 Hz,100 Hz和10 kHz处的单边带相位噪声谱密度分别为-97 dBc·Hz -1,-127 dBc·Hz -1和-130 dBc·Hz -1,剩余相位噪声比本机振荡器绝对噪声低20 dB以上。研究了量子散弹噪声和Dick效应,发现在微波链路噪声为主要噪声的情况下, 85Rb喷泉钟的稳定度与目前 87Rb和 133Cs喷泉钟相当。微波系统对 85Rb喷泉钟稳定度的贡献为2.9×10 -13τ-1/2,其中频率综合器的剩余相位噪声贡献为1.2×10 -14τ-1/2(τ为积分时间)。利用该微波综合器,可以实现 85Rb喷泉钟的高稳定运行,并为其性能的提升打下基础。

利用拉曼光场代替喷泉原子钟的微波腔实现拉曼喷泉原子钟。将分离拉曼光场技术与冷原子喷泉技术相结合,避免了在真空腔内放置微波腔,简化了真空系统,同时还保持了很高的准确度。采用半经典理论研究了冷原子喷泉与拉曼光场的相互作用过程,得到了冉赛(Ramsey)条纹。比较了拉曼喷泉原子钟与热铯束拉曼原子钟,前者有更小的体积和功耗,其精度可能达到或超过商用小铯钟。还比较了拉曼喷泉原子钟与微波喷泉原子钟的差别,分析了光子反冲的影响,提出利用同向传播和相向传播的两台拉曼原子钟测量精细结构常数。