星载 POP 铷原子钟物理与技术研究

星载原子钟是一个国家的战略资源。本项目针对影响传统星载铷原子钟稳定度的主要问题，采用激光脉冲抽运，Ramsey微波脉冲激励，原子自由感应衰变信号或光吸收信号探测方案实现新型星载铷原子钟。理论上，在旋转波近似下，采用密度矩阵和有限元方法，分析脉冲激光、微波脉冲与铷原子的相互作用过程，研究激光脉冲结构（光强、宽度和间隔）与光频移的关系，Ramsey微波脉冲结构与腔牵引频移的关系；采用量子散射理论，分析研究缓冲气体原子与铷原子的相互碰撞对减小原子钟共振谱线线宽及频移的影响。实验上，研究各物理参量和技术因素对原子钟稳定度的影响规律；研制低温度敏感系数的小型微波腔；研究原子钟频率数字补偿伺服控制和整机性能优化技术等。最终，实现一台比传统星载铷原子钟频率稳定度提高5～10倍的高性能星载POP铷原子钟原理样机，为开发生产新一代高性能的星载铷原子钟奠定坚实基础，解决国家迫切需求。

对POP铷原子钟——激光脉冲抽运、微波分离场与原子共振作用、及原子自由感应衰变微波探测和光探测方式进行了理论与实验研究，探索了主要物理参量与技术因素对其稳定度的影响规律，完成了项目研究内容，突破了关键技术，实现了一台完整的POP Rb原理样机，其输出频率短稳优于4.6E-13，达到国际先进水平，目前正在进行中长期稳定度的提高以及小型化系统的研制。. 获得专利授权8项，其中发明专利7项。发表文章22篇，其中SCI/EI收录14篇。培养硕士研究生17名（毕业6名），培养博士研究生11名（毕业3名）。国内外会议特邀报告3篇。主要成果有： . 1、采用密度矩阵方法，对POP铷原子钟的特性进行了理论研究。研究表明：1）微波信号的强度与激光抽运率成正比，到一定的激光强度后，微波信号的强度达到最大；激光功率带来的剩余光频移在E-13量级，比传统铷原子钟小三个量级；2）不同腔反馈的条件下，当微波脉冲面积为π/2时，腔牵引频移最小。零腔牵引频移时，当腔的反馈系数越大，微波脉冲面积越偏离π/2；在一定的微波腔反馈系数时，Ramsey周期越长，微波脉冲面积越偏离π/2。. 2、对光学和物理部分的实验器件进行了研究，对POP铷原子钟的关键器件—铷泡和微波腔进行了重点研究：对缓冲气体引起的Doppler增宽和碰撞频移规律进行了研究，采用氩气和氮气作为缓冲气体，研究了缓冲气体比例对温度系数和原子钟信噪比的影响，获得了合适的缓冲气体比例；对微波腔的模式、Q值、温度特性等进行了研究，研制设计了2套硬铝和无氧铜的微波腔，在此基础上，研制了固定腔长的微波腔。. 3、搭建了POP铷原子钟实验装置，实现了闭环锁定，获得了较好的短期稳定度，并对其特性进行了实验研究。通过测量了POP铷原子钟的中心频率、以及两个微波脉冲后微波信号强度与微波脉冲Rabi频率的关系，需找到了消除光频移和腔牵引频移合适微波脉冲面积，大于π/2；实验测量第一个微波脉冲后微波辐射功率与激光抽运率的关系，当激光光强较小时，微波辐射信号强度与激光功率成正比，当激光功率增加到25mW后微波辐射信号强度变缓，逐渐达到饱和；测量了温度对Ramsey条纹和中心频率的影响；获得了POP铷原子钟的微波Ramsey条纹和光学Ramsey条纹，线宽分别为65Hz和150Hz；实现了POP铷原子钟桌面系统的闭环锁定。