数字调频铯束频标中微波功率对频标准确度的影响

　　1　前言

　　光抽运铯原子束频标的研究已经取得很大进展。大型光抽运铯束频率基准已经研制成功并投入使用,其准确度达到1×10-14,接近铯原子喷泉频标的水平[1]。北京大学铯原子束频标实验室在小型光抽运铯束频标方面业已取得成果,实验系统的短期稳定度达到1.2×天稳定度达到2.0×10-13,而且能够长期连续工作[2]。为了进一步提高这种频标的性能,克服传统的调相及模拟伺服系统对频标性能的影响,我们进行了应用数字伺服和数字调频技术来改善频标系统的性能的实验。目前,应用数字和计算机技术改进频标的性能实现智能化控制是频标发展的一个重要方向,美国HP公司生产的最新的小型铯束频标HP-5071就大量地应用了计算机技术[3]。我们的新实验系统采用了数字调频、数字伺服技术。数字调频是把两个对称分布在中心频率两侧的微波激励信号交替地加在微波腔上,直接比较两个相邻半周期鉴频信号即可获得频标误差信号用来锁定晶体振荡器,从而实现全数字化伺服。当两个频率的平均值对准Ramsey花样的中心频率值时,双频激励信号鉴频后所获得的信号完全相同,避免了调相伺服电路中二次谐波引起的不利影响[4]。我们的频标系统采用数字调频和数字伺服闭环锁定后,频率秒级稳定度达到1.1×10-11。我们在实验中观察到,数字调频频标系统中,虽然避免了正弦调相信号失真以及二次谐波分量引起的偏差,但微波双频功率的不平衡对频标准确度的影响非常严重。对此,我们作了测量并给出了理论解释和计算结果。

　　2　数字调频的实现

　　采用数字频率调制方法和与之相结合的数字伺服电路有助于克服传统的模拟伺服电路中调制信号失真、直流放大器零点漂移等会引起频率偏差的缺点。将两个对称分布在中心频率两侧的微波激励信号交替地加在微波腔上,通过直接比较两个相邻半周期鉴频信号即可获得频标误差信号用来锁定晶体振荡器。由于误差信号来源于两个稳定的微波频率,这就完全避免了正弦调制波形失真引起的偏锁。当两个频率的平均值对准Ramsey花样的中心峰值时,双频激励信号鉴频后所获得的信号完全相同,除了在频率转换瞬间有一尖峰外(可用信号开关予以隔除),整个信号是一个直流信号,不存在正弦调相方法中因二次谐波失真引起的偏差,十分有利于锁定系统的稳定性。

　　双频实现的关键是寻找适当的微波双频值,使得微波频率能够准确地交替工作在这两个微波频率上。双频的间隔应与Ramsey花样中心峰线宽相当,且它们的平均值应略大于铯原子基态超精细结构无干扰0-0跃迁的频率值。通过搜寻各种可能的分频次数,我们找到如下的双频综合途径: