原子频标光频移优化
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摘 要：通过对被动型原子频标光谱灯光频移的理论分析，得出改善光频移的方法，并针对影响光频移的光谱灯温度、光强及滤光泡温度等参数构建测试系统，完善光频移的优化。
关键字：原子频标；光频移；光谱灯
为提高整个被动型铷原子频标的信噪比，我们采用了光抽运的方法，但抽运光将引起87Rb原子跃迁频率的移动，其本质上是交变光频电场产生的交流斯塔克效应的平均效果。抽运光对87Rb原子基态的能级移动为：
δε＝・(1)
ωαi=(Eα-Ei)/η(2)
其中，P是电偶极矩算符，E时光电场的复振幅，1/γ是|α>激发态的寿命，Eα和Ei分别为激发态和基态能级的能量。对铷原子频标来讲，保持抽运光的光谱线型不变对减小光频移对频标老化漂移的影响是很重要的。
1 光谱灯灯温
我们通常将光强的选择与光谱灯温度的选择勾在一起，这是因为，改变光谱灯的温度，将使整个光谱轮廓发生变化，不同的光谱轮廓下，光强变化对系统的贡献是不一样的。因此，在进一步选择合适的灯光强之前，应该选择一个合适光谱灯灯温。在实际应用中，通过改变光谱灯灯温，测量系统的频率输出，找到灯温对频率的拐点，测试框图如图1所示。
图2为实际测量的光频移－灯温的曲线：
由图2可知，随着光谱灯温度的改变，系统输出的频率会在1×10-12/℃及4×10-11/℃内变化。需要指出的是，在光谱灯控温环节中，实测灯温的变化是很小的，其缩减因子在100左右，因此，首先在大范围搜索灯温对频率的拐点，例如灯温变化步长为1℃，然后，在此灯温点小范围内再搜索一次拐点。
2 激励电流
在对频标整机进行指标测量时，频率稳定性与环境温度有很大的相关性。进一步的试验发现，这一现象与灯激励电流受环境温度影响关系密切相关。光谱灯的发光强度由激励功率决定，因此谱灯光强与激励电流有着直接的关系。振荡的激励电流(即功率)直接受功率管参数β、ICBO、VBEO等的影响。理论和实验证明晶体管参数β、ICBO、VBEO与环境温度T关系密切。
反向穿透电流
ICBO(T)=ICBO(T=25℃)×2(3)
β随温度的变化率为:
Δβ/ΔT=(1+β)2×2×10-4/℃(4)
而晶体管门限电平VBEO随温度变化为：
dVBEO/dT=-2.5mV/℃(5)
由图3可知，随着温度上升，在VBE较小的条件下可以获得较大的静态工作点电流IB。
综合以上三项因素可知，随着环境温度上升，激励管电流IC增大，导致激励功率增大，光强增大；反之则光强减小。实验表明即使是优选的高频功率管，其温度系数仍然是比较大的。必须采取相应的措施来补偿。
3 光谱灯灯泡结构
(1)有利于寿命的改善。从寿命角度看，泡内表面积越小越好，因为影响谱灯寿命的主要因数是铷向玻璃泡壁扩散引起的铷消耗。泡内表面积越小，则扩散越小，铷消耗越小。
(2)有利于冷端的形成。从冷端形成的角度考虑，泡尾需逐步收缩，尖、细、长的泡尾有利于约束等离子的螺旋运动，使泡从头到尾形成合适的温度梯度。使金属铷存储在泡尾，而不是凝结在泡面，既使消耗的铷得到稳定的补充，又不至于影响光强的稳定性。
(3)有利于获得合适的最佳信噪比灯温。泡的形状需要精心设计，通过调节铷的蒸发面积和温度梯度，可以对最佳信噪比灯温实行调节。
(4)有利于机械固定。从(1)(2)两点因素看，水滴状泡最好，但考虑到加强固定的因素最终选择了平面柱状收尾泡。
4 结束语
通过光谱灯灯温-光频移及零光强频移泡温的测试结果，能够找出对应某一台原子频标的最优灯温、腔温及光强参数值，为进一步提高原子频标整机性能给出一定的参照。经过文中具体的技术环节，在我们的系统中能够得到以下测试结果：
(1) 最佳光谱灯温度为131℃，在此温度左右，光谱灯温度变化1℃时，对整机频率稳定度的贡献将小于1×10－12。
(2)零光强频移泡温为72℃，在此泡温下，灯光强变化1%时，对整机频率稳定度的贡献将小于1×10－12。
参考文献
[1] 王义遒.王庆吉等编著，量子频标原理，科学出版社，1986：P366-382
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[6] 刘大同，彭宇，彭喜元 等. 一种分段在线支持向量回归算法. 仪器仪表学报.2010，8：1732-1737
作者简介
雷海东(1978-)，男，2000、9-2006、7就读于中国科学院武汉物理与数学研究所，并取得博士学位。2006、7至今在江汉大学担任教学、科研工作。目前主要研究方向：原子频率标准。