铷原子频标老化的成因及消除

　　1　引言

　　铷原子频标由于其结构简单、体积小、价格便宜而日益得到广泛的应用,但与别的原子频标如商品小铯钟相比,其主要缺点是存在老化现象,即其输出频率有单方向的慢变化,数量级约为10-11/月。本文对影响铷原子频标长期稳定度的各种因素进行了分析,特别对频率老化的成因作了探讨,并采取了有效措施,基本上消除了老化现象,从而使铷原子频标的性能得到了重大突破,有可能接近商品小铯钟的水平。

　　2　影响铷原子频标长期稳定度的各种因素的分析及改进措施

　　铷原子频标频率的长期变化可分为两部分:1)与环境温度无关的部分,包括单方向变化(老化)和无规则波动;2)与环境温度有关的部分,即温度特性。从铷原子频标的结构来分析,电子线路的不完善只会引起温度特性变坏和无规则波动,不会造成老化,本文对此不作细分析,而仅就物理部分中存在的几种频移来分析它们对长期稳定度的影响。

　　铷原子频标的物理部分中都采用光抽运、光检测和在铷吸收泡中充以缓冲气体的办法来提高铷原子基态0—0跃迁谱线的信噪比及减小其线宽,从而达到提高短期稳定度的目的。但是由此却引入了光频移[1]和碰撞频移[2];此外,C场不均匀和微波场的交流塞曼效应又产生了微波功率频移[3,4]。由于这 3种频移的存在,使得铷原子频标的准确度变坏,只能用作二级频标;而且由于这3种频移的频移量很难保持长期不变,因而严重影响了铷原子频标的长期稳定度。这3种频移对长期稳定度的影响并不一样,下面分别进行讨论。

　　2·1　微波功率频移

　　微波功率频移只在输入到物理部分的微波功率发生变化时才产生,而微波功率的变化往往决定于电子线路中倍频链的温度特性,即阶跃恢复二级管输出的微波功率是随环境温度变化的,所以微波功率频移的存在往往表现为频标整机的温度特性。当然,如果倍频链不够稳定,除温度变化外还存在其它不稳定因素,那么微波功率频移还会引起铷原子频标长稳中的无规则波动。但是微波动功率不可能出现长时期的单方向变大或变小,所以它决不可能引起老化。为了消除微波功率频移对铷原子频标长期稳定度的有害影响,我们采用了补偿法[5],也可以在电子线路中采用对微波功率进行自动稳定的办法。

　　2·2　光频移

　　光频移的本质是抽运光的交流斯塔克效应,它的频移量与作用在铷原子上的抽运光强成正比。光频移与物理部分中铷吸收泡的温度有着密切的关系 [6],对于常用的铷吸收泡,这关系如图1中的实线所示。图中实线与横坐标轴的交点的横坐标T0称为零光频移温度,不同的光谱线型对应有不同的光频移曲线,也即具有不同的T0值。通常,T0处的曲线斜率为10-10/℃量级。为了减小光频移,铷吸收泡的工作温度应控制在T0上。