铷原子频标中微波功率频移的实验研究

　　1引言

　　铷原子频标因其结构简单、体积小、价格便宜等优点正得到越来越广泛的应用,但与其它原子频标相比其长期稳定度较差,所以如何改善物原子频标的长期稳定度是一项很有意义的工作。为此,必须对铆原子频标中存在的各种频移进行详细的研究。一台设计合理的铆原子频标,影响其长期稳定度的频移来自物理部分,主要是碰撞频移、光频移,和微波功率频移。

　　关于微波功率频移成因,传统的解释归结为C场和光强的不均匀性以及引起0—0跃迁的微波场强的不均匀性;而新近提出的一种解释则归结为微波场引起0一0跃迁的二级微扰(类似光频场)。由传统的解释必然得出结论:(1)微波功率频移系数可正可负;(2)当0—0跃迁的饱和因子远小于1时不存在微波功率频移。但是,以往的实验结果表明,微波功率频移系数总是正的,这不符合传统解释所得的结论。我们对不同微波功率下的微波功率频移进行了测量,从实验上证明了新解释的正确性。

　　微波功率频移的存在并不引起起原子频标的长期慢漂移,而是表现为枷原子频标的温度系数增大。因为环境温度改变引起微波功率改变,通过微波功率频移引起频标输出频率改变。本文提出并实现了一种对微波功率频移进行补偿的方法,以改善铆原子频标的温度系数。

　　2实验装置与实验结果

　　测量微波功率频移的实验装置框图如图1所示。我们用枷原子频标1作为参考标准,在整个测量时间(约几个小时)内,其频率波动在10^-12数量级。物原子频标2为被测频标,其中输至物理部分的微波功率靠改变综合器(频率为5.3125Hz)输至阶跃恢复二极管的电压幅度来调节。输至物理部分的微波功率(频率为6834.6875MHz)由微波频谱仪来测量,同时用示波器来监视不同微波功率下锁定信号的大小。

　　在测量过程中有一个问题值得注意:当改变微波功率时,频标的环路增益也在改变。为了保证频率的测量误差在1X10^-11以下,晶振厂自剩余频偏也要保持小于1X10^-11。因此,必须严格地调节伺服电路末级运放的输出零点,以保保证晶振原始频偏足够小。这个问题在微波功率小时(此时环路增益也小,晶振剩余频偏增大)应特别注意。

　　测量结果如图2中实线所示,其中纵坐标表示钩原子频标2相对于钩原子频标1的频差,横坐标表示锁定信号的大小。图3所示为锁定信号大小与微波功率的关系。由图2可见,微波功率频移与锁定信号大小基本上成正比关系,而由图3可以看出,在我们所使用的微波功率范围内,锁定信号与微波功率也成正比关系,这意味着0—0跃迁的饱和因子远小于1。由此可以得出结论:微波功率频移与微波功率成正比,其系数是正的;即使当0—0跃迁的饱和因子远小于1时,仍然存在微波功率频移。这与微波功率频移的传统解释所得出的结论不符,而符合新解释所预期的结果。