铯原子喷泉钟NTSC-F1研制进展

阮军，王心亮,3，刘丹丹,3，管勇,3，张辉，陈江,3，林睿,3，余凤翔,3，施俊如,3，张首刚



铯原子喷泉钟NTSC-F1研制进展

阮军1,2，王心亮1,2,3，刘丹丹1,2,3，管勇1,2,3，张辉1,2，陈江1,2,3，林睿1,2,3，余凤翔1,2,3，施俊如1,2,3，张首刚1,2

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049）

铯原子喷泉钟在守时系统起校准作用。介绍了铯原子喷泉钟NTSC-F1的4个子系统及运行参数，与氢钟比对测量获得了NTSC-F1的频率稳定度性能，实现了系统不确定度的初步评定，给出了各频移项的频移量和不确定度，并对NTSC-F1的改进进行了介绍。

铯原子喷泉钟；频率稳定度；频率不确定度

0 引言

中国科学院国家授时中心担负着我国标准时间和频率的产生、保持和发播任务，建立的本地协调时UTC（NTSC）通过长短波授时系统进行发播，并且参与标较北斗卫星导航系统、“长河二号”的系统时间。铯原子喷泉钟作为基准钟具有最高的准确度性能，在标准时间的产生中起到校准作用[1-4]，其运行能够完善国家授时中心的守时系统，提高UTC（NTSC）的准确度[5-7]。

本文首先介绍国家授时中心研制的铯原子喷泉钟装置，包括铯原子喷泉钟的物理系统、光学系统、微波频率综合器、控制系统；然后介绍铯原子喷泉钟的运行特点，给出当前铯原子喷泉钟频率稳定度指标，对影响其稳定度性能的噪声源进行了分析；随后介绍频率不确定度评定的方法和结果，对4项需要进行修正的频移项的不确定度进行详细的分析；最后对提高铯原子喷泉钟性能的技术进行了介绍。

1 铯原子喷泉钟NTSC-F1装置

1.1 物理系统

图1为铯原子喷泉钟NTSC-F1的物理系统。约2 g铯原子储存在铜质的铯炉中，铯炉通过真空角阀与二维磁光阱（2DMOT）腔体相连，2DMOT真空腔中铯原子的最可几速度为300 m/s，在2DMOT冷却光与梯度磁场的共同作用下形成最可几速度为25 m/s的冷原子束并注入3DMOT阱区。6束冷却光与一组反亥姆霍兹线圈形成（1，1，1）结构的磁光阱。磁光阱俘获原子数为108个，原子团的高斯直径约为4 mm。时序控制俘获光的参数实现冷原子黏团的上抛和偏振梯度冷却，原子团的上抛速度为几米每秒，温度约为3µK。原子团上抛进入选态腔，选出参与作用的塞曼子能级的原子，不参与作用的原子被设置在选态腔上方的一束行波光推除。选态后的原子继续上行、回落两次通过谐振腔与谐振腔内微波场作用，回落的原子经过探测区，通过双能级探测获得归一化的跃迁概率。在喷泉管侧面平行原子运行方向设置一方形线圈用于通入低频信号，激发原子塞曼子能级之间的跃迁，跃迁概率同样通过双能级探测获得。磁光阱周围设计6个地磁补偿线圈，使阱中心区域（直径1cm的球形区域）地磁场变化小于1µT。谐振腔外围设置C场线圈，线圈通电358 µA，产生C场强度约为110 nT。C场线圈外覆盖3层磁屏蔽，屏蔽因子大于10 000。为延长C场的均匀区长度分别在C场线圈的上端设置两个圆形补偿线圈，在C场线圈下端设计一个方行补偿线圈，调整3个线圈的电流可以使48 cm内的磁场起伏优于2 nT[8]。

图1 NTSC-F1物理系统

1.2 光学系统

NTSC-F1光学系统如图2所示。光学系统提供铯原子冷却、上抛和跃迁几率探测用的所有激光。冷却激光由一台锥形放大器放大的商用激光器（Topitica TA pro）提供；在锥形放大器之前，利用分束器的部分光双次通过声光调制器锁定在铯原子的|＝4〉－ |＝5’〉的跃迁谱线上；在锥形放大器之后，同样采用双次通过声光调制器的方法来控制激光的频率和功率，实现原子上抛、偏振梯度冷却所需的频率跳变、线性调谐以及功率衰减。探测原子跃迁几率的激光功率通过伺服控制声光调制器的驱动功率来实现。重抽运光使用DFB激光器提供，通过饱和吸收光谱直接锁定在原子|＝3〉－ |＝4’〉的跃迁谱线上。冷却光和抽运光通过定制的光纤分束器后连接至一体化镜筒，实现原子的操纵和探测。

注：AOM为声光调制器；PBS为偏振分光棱镜；PD为光电探测器；Cs Cell为铯泡；2D MOT为二维磁光阱；3D MOT为三维磁光阱；IO为光隔离器；λ/2为1/2玻片；λ/4为1/4玻片。

1.3 微波频率综合器

铯原子喷泉钟是把晶体振荡器锁定在原子跃迁线9.192 GHz的装置，因此，需要频率综合器把晶体振荡器输出的10 MHz信号变频至9.192 GHz，其结构如图3所示。以10 MHz的超稳晶振（OCXO 8607，相位噪声-130 dBc@1 Hz）为源，首先经过一个500 Hz带宽的锁相环路把100 MHz的压控振荡器锁定，经倍频获得200 MHz的信号，通过功率分配器获得3路输入。一路经过5分频获得40 MHz的频率信号，作为直接数字频率合成器DDS的外部参考；第2路200 MHz频率信号通过NLTL（梳状发生器）获得9 GHz的信号，通过与介质振荡器DRO混频后相位锁定在DDS输出的7.3 MHz信号上，获得8.992 GHz信号；第3路200 MHz信号经过数字衰减器后，与8.992 GHz信号混频获得9.192 GHz钟跃迁信号。频率综合器输出的9.192 GHz信号的频率调制和时序控制可以通过PC控制DDS的输出信号频率值实现，其功率调节通过PC控制200 MHz信号的衰减量来实现。图4是5 MHz倍频到9.192 GHz这个频率链的相位噪声测量结果，频率链附加引入的相位噪声大约为-82 Rad2/Hz @ 1Hz。

图3 NTSC-F1频率综合器

图4 频率综合器相位噪声

1.4 控制系统

铯原子喷泉钟以脉冲方式工作，即在计算机控制下按照设定的时序周期性地实现原子冷却—上抛—深度冷却—微波激励—探测—频率伺服控制等，实现喷泉钟的运行。NTSC-F1控制系统如图5所示。计算机控制系统硬件部分由研华工控机610L和NI公司的多种功能卡组成，软件部分基于Labwindows/CVI平台进行开发。计算机时序控制系统首先通过6602计数/定时卡打开2D MOT磁场和光开关5，实现慢束原子束，与此同时上下冷却光开关2、3打开进行原子的装载，800 ms后关断微波开关2、3，切换到微波开关4、1，实现原子上抛。通过6723-32模拟输出卡控制压控振荡器和衰减器从而控制上、下冷却光的频率失谐和功率，对上抛原子进行深度冷却，而后通过光开关2、3彻底关断上下冷却光，2 ms后抽运光通过光开关4关断。当原子经过选态腔时，打开微波开关5和光开关1，激励原子在选态腔中从|＝4，m＝0＞跃迁到|＝3，m＝0＞，推掉|＝4，m≠0＞的原子。原子上升、下落与微波强相互作用后，打开光开关1、4对原子在不同能级的原子数目通过荧光探测，输入到MIO-16E-4数据采集卡进行处理。计算机控制程序通过控制信号源DS345对9.192 GHz微波频率进行方波调制，每上抛2次获得1次误差控制信号，锁定馈入激励腔的微波频率。

图5 NTSC-F1控制系统

2 铯原子喷泉钟NTSC-F1的运行

利用控制系统实现对物理系统的2DMOT、3DMOT反亥姆赫兹磁场线圈，光学系统的声光调制器、光开关，微波频率综合器以及数据采集卡的统一控制，按设定时序周期性地重复实现慢速原子束制备—原子团装载—冷却—后冷却—选态—Ramsey激励—探测，时序如图6所示。计算机时序控制首先打开2DMOT区冷却光和磁场，制备慢速原子束；与此同时，6束3DMOT冷却光和磁场也同时打开，实现原子团的装载。经过~800 ms时间的装载后，关断2DMOT和3D MOT区的磁场，仅用6束激光对原子粘团进行35 ms的冷却。然后，通过切换声光调制器驱动源的频率，产生上、下冷却光的频率阶跃（持续时间1.5 ms），实现对原子的上抛，之后通过增大冷却光频率失谐量、减小激光光强的方法按设定曲线进行偏振梯度冷却，以进一步降低原子团的温度。之后，抽运激光相对于冷却激光延时~2 ms关闭，使得上抛的原子全部被抽运到|＝4〉态上，并均分在各个磁子能级上。上抛的|＝4〉态的原子以4m/s的初速度上升，首先进入选态微波腔，|＝4，m＝0〉态的原子在选态腔中与馈入腔中的微波场发生作用，跃迁到|＝3，m＝0〉态。原子继续向上运动飞出选态腔后关掉选态腔微波，并用1束水平的行波谐振激光将处于|=4，m≠0〉态的原子全部推走。余下的|＝3，m＝0〉态的原子继续向上运动，经过激光已被关闭的探测区后进入激励腔，与微波发生第1次作用。原子继续向上运动飞出激励腔，进入C场漂移区。在重力作用下，原子团不断减速，到达顶点后自由下落，再次进入激励腔与微波发生第2次相互作用，完成一次完整的Ramsey跃迁。Ramsey跃迁过程中，腔内微波场处于常开状态，“π/2”脉冲依靠调节微波腔的功率来保证。发生跃迁的原子团下落至探测区，探测激光已提前15 ms打开。利用数据采集卡记录原子团的飞行时间信号，在上探测区探测出|＝4〉态的原子数4，在下探测区探测出|＝3〉态的原子数3。控制系统软件利用发生跃迁的原子数，计算与微波频率相关的钟跃迁几率：4/（4+3），用于锁定馈入微波的频率。图7为NTSC-F1的Ramsey谐振信号。

图6 铯原子喷泉钟NTSC-F1的工作时序示意图

注：Ramsey谐振信号（步进0.1Hz，无平均）；小图为Ramsey中心条纹，线宽为0.94Hz。

3 铯原子喷泉钟NTSC-F1的频率稳定度

对输入到微波腔的9.2 GHz信号的频率进行方波调制（调制深度为0.5 Hz），周期为2T（T为喷泉钟完成一次完整的冷却—上抛—激励—探测工作周期所用的时间），荧光探测法获得布居在＝3、＝4能级上的原子数，采用归一化算法求得激励微波场作用下的跃迁几率P，每两个周期获得9.2 GHz频率的修正量，利用PID算法伺服馈入微波的频率，锁定后的9.2 GHz信号的频率稳定度就反映了喷泉钟的频率稳定度。图8是NTSC-F1频率稳定度。

图8 NTSC-F1频率稳定度（与氢钟H296（BIPM编号）进行比较）

4 铯原子喷泉钟NTSC-F1频率不确定度的评定

对铯原子喷泉钟NTSC-F1，已经初步完成了系统不确定度的评定，下面分别作介绍。

①二阶塞曼频移

二阶塞曼频移由式（1）决定[8]：

式（1）中，表示一个恒定磁场，单位是T，为定义频率。二阶塞曼频移的不确定度来源于磁场在Ramsey自由飞行区的空间不均匀和评估期间的时间不稳定。

下面介绍磁场的空间不均匀性引起的不确定度。

由于原子运行的整个路径上磁场是不均匀的，原子运行周期内感受到的磁场描述为

， （3）

， （5）

利用|＝4，m＝1〉态原子作为探针，上抛不同高度，获得不同高度处中心条纹对应的微波频率，便可通过反卷积求得每一点的磁场。图9表示激励腔上的C场空间分布，引起的不确定度为2.7×10-19。

图9 激励腔上的C场空间分布

磁场随时间的变化引起的不确定度可以表示为

图101-1随时间的变化

②冷原子碰撞频移

冷原子碰撞频移采用高低密度原子团交替运行的方式来外推获得。高低密度原子团的制备通过改变选态腔的微波功率来实现。高低密度交替运行下频率稳定度如图11所示，冷原子碰撞频移的不确定度由下式表示[9]：

图11 高低密度运行的频率稳定度

③黑体辐射频移

黑体辐射指一定温度的物体向外辐射电磁波的现象，这种辐射场具有很宽的频谱，而且其功率分布对于原子微波跃迁频率是不对称的，因而产生的频移不可能完全抵消。黑体辐射中的交流磁场对频移的影响只有电场分量的影响的1/1 000，在只考虑交流斯塔克效应的条件下，铯原子钟跃迁频率发生移动，该频移量为[10-12]

表1 NTSC-F1黑体辐射频移

④万有引力红移

根据广义相对论，当原子处于不同的海拔高度时，由于引力势不同，将导致原子频率发生移动[13]，其频移量为

⑤微波泄漏频移

由于激励腔有通过原子团的上、下两个孔以及腔体缝隙、微波接头的存在，腔中微波场有可能泄露到腔外，由于这些波是行波，就可因多普勒效应而产生钟跃迁频率的移动。为了防止微波泄漏，在微波激励腔腔体、端盖处、耳盖处压上铟丝，利用探针天线测试，在频谱仪-75 dB测量范围内，均未检测到微波。微波泄漏频移小于5×10-16。

⑥Ramsey和Rabi牵引频移

初始原子|3，±1>态非对称布居时，由平行于静磁场的纵向微波磁场作用产生的两条的π跃迁，即钟跃迁左右邻近|3，±1>—|4，±1>跃迁谱线不对称，导致Rabi频率牵引频移。同理，由于垂直于静磁场的横向微波磁场作用，产生4条的跃迁，如果钟跃迁左右邻近|3，±1>—|4，0>跃迁谱线或|3，0>—|4，±1>跃迁谱线不对称，导致Ramsey频率牵引频移。|3，±1>态原子非相干布居数差小于0.7%；Ramsey和Rabi牵引频移小于3×10-18。

⑦腔相位分布频移

通过双端馈入降低腔相位分布频移，利用在“PI/4”脉冲处对微波功率敏感这一特性，调节双端馈入的功率相位，计算1－sym的sym－2处的差值，符号相反且<1×10-15。10 d的平均值为1×10-16（统计不确定度3×10-16），二阶腔相位分布频移为3.2×10-16。因此，此项频移的不确定度为4.4×10-16。

⑧光频移

与原子谐振的冷却光、抽运光、探测光会引起原子频率移动。在原子与微波处相互Ramsey作用期间，通过控制驱动AOM射频的开关和光纤前端机械开关，实现5×10-7激光功率的衰减，而上述两种关断方式不使用时，光频移为1×10-13。因此，此项频移小于5×10-18。

⑨超高真空环境下残余气体分子（主要为H2分子）与铯原子碰撞产生频移，频移量为8.12 Hz/Pa，在喷泉钟工作条件10-7Pa真空度下，频移小于10-16。

⑩Majorana跃迁频移

NTSC-F1系统不确定度如表2所示，主要受限于冷原子碰撞频移。下一步将主要改善此项频移的不确定度。

表2 NTSC-F1频率系统不确定度

5 铯原子喷泉钟NTSC-F1的改进

对铯原子喷泉钟NTSC-F1，将针对频率稳定度和频率不确定度指标改进其性能。

①频率稳定度方面：正在开展超低相噪光生微波源的研制，该微波源主要由超稳单频激光器和高性能飞秒光梳两部分组成。研制的超稳单频激光器已实现运行，秒级频率稳定度优于2´10-15。研制了国内第1套带有腔内EOM的掺铒光纤光梳系统，实现了宽带重复频率r控制[14]，频率控制精度为<1´10-16/s和<2´10-20/10ks，对应时间抖动在阿秒量级。掺铒光纤光梳系统连续运行时间>1周，载波相位包络偏频CEO探测信号噪声比>40 dB @ 1 MHz res。

②频率不确定度方面：计划采用绝热跃迁技术精确测量冷原子碰撞频移。通过实现绝热条件下电磁场激励原子发生量子态之间跃迁，制备出密度和原子数均严格成倍数关系的不同原子样品，而保证原子样品的速度分布、位置和碰撞能量没有改变，从而在10-16量级精确测量碰撞频移和腔牵引频移。计划用Mach-Zehnder开关来消除微波泄露频移，此开关控制与8.9 GHz信号混频的200 MHz信号，从而实现无相位突变的开关9.2 GHz信号；而且，在关断9.2 GHz信号的同时，使微波频率偏离原子跃迁谱线200 MHz，使得微波泄露频率显著降低。

6 结语

本文介绍了铯原子喷泉钟NTSC-F1的研制现状，着重对NTSC-F1的4个子系统进行了分析，给出了喷泉钟运行参数。目前完成了初步性能测试，与氢钟进行比对的频率稳定度指标为日稳3×10-13，频率不确定度指标为2.9×10-15。下一步将主要针对冷原子碰撞频移进行改进。

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Progress of cesium fountain clock NTSC-F1

RUAN Jun1,2, WANG Xin-liang1,2,3, LIU Dan-dan1,2,3, GUAN Yong1,2,3, ZHANG Hui1,2,CHEN Jiang1,2,3, LIN Rui1,2,3, YU Feng-xiang1,2,3, SHI Jun-ru1,2,3, ZHANG Shou-gang1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Cesium fountain clock play an important role in time-keeping. The four sub systems and operation procedure for NTSC-F1 are introduced in this paper. The frequency stability of NTSC-F1 is shown compared to hydrogen maser. A preliminary assessment for the uncertainty of the system has been completed, in which the frequency shifts and their uncertainties for various frequency shift terms are evaluated. The improvement of NTSC-F1 is introduced too.

cesium fountain clock; frequency stability; frequency uncertainty

TN966.3

A

1674-0637(2016)03-0138-12

10.13875/j.issn.1674-0637.2016-03-0138-12

2016-01-26

国家自然科学基金资助项目（61127901）；国家重点研发计划资助项目（2016YFF0200200）

阮军，男，副研究员，主要从事铯原子喷泉频率基准研究。