脉冲微波激励氢原子钟

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1、国幽密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文作者姓名：隧鹏玉指导教师：韭蕴登．(班究虽上洼云塞台2挞佳宣(班究虽上连云塞台2协助指导：谢勇龌(直级工程垭上瀣丞室台2学位类别：理堂学科专业：云窒拉丕生左法培养单位：生国科堂院上瀣丞塞台贰零一三年肆月￡坠lsedMicrowaveHydrogenMaserByPengfeiChenADissertationSubmi竹edtoGraduateUniversityofChineseAcademyofSciences

2、InpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyof一-SciencesApt,2013致谢五年的研究生时光很快就要过去。五年前，一个西北地区的大学生怀揣自己的梦想，惴惴不安地来到繁华的大上海。不知道自己能否被上海天文台录取，也不清楚自己能否适应上海的生活。当录取结果宣布的时候，我感觉我的心一下子飞了起来。我知道我理想的画卷就要展开了。感谢上海天文台

3、接受了我，并给了我腾飞的翅膀，让我有勇气、有力量在科学的天空上翱翔。我的导师张为群研究员和林传富研究员带我走进了时间频率技术的殿堂。他们和蔼可亲，知识渊博，经验丰富。他们细致的教导像春天的小雨，无声地滋润着科学的种子在我的心田里发芽。感谢张老师和林老师的指导，让我对氢原子频标有了系统而深入的认识，确立了合适的研究方向并沿着此方向一步步地走到了今天。这五年里，我的每一步成长都离不开两位导师谆谆的教诲，衷心地谢谢你们，我会带着你们的希望在科研的道路上继续前行。谢勇辉高工在我五年的学习和生活中给予了无私的指导和帮助。他耐心地给

4、我辅导原子频标的基础理论和前沿信息，他细心地指导我做实验，他认真地帮我修改论文，他在我学习的道路上拨开谜团、排除险阻。谢老师，辛苦了。感谢翟造成研究员在我日常学习中给予的指导。感谢刘铁新研究员和蔡勇研究员在实验过程中给予的指导。感谢东南大学的孙敏松教授在检波电路方面的指导，感谢中科院武汉物数所的梅刚华研究员和中科院国家授时中心的张首刚研究员在论文写作方面的指巳亓。感谢被动型氢原子钟课题组的彭纪兴、戴家瑜、张勇、李项美、余伟亮、薛红、王楠等老师和同志在实验过程中给予的指导、帮助和配合。我的师兄陈文星工程师、刘嘉阳工程师、万

5、斌工程师在我的电路设计和测试过程中给予了很大的帮助，在这里对他们表示真诚的谢意。感谢李锡瑞工程师和主动型氢原子钟课题组的其他老师和同志给我提供实验设备和实验材料方面的支持和帮助。感谢办公室的林兆伟、裴雨贤、徐文、刘善敏提供了良好的学习和实验环垃境。感谢人教处的王慧、储怡、张帆、马金和党政办的李碧波帮我解决学习和生活过程中遇到的各种问题。感谢我的同学陈磊、李玉莹、江悟、权莹、施丽君、王文明、邬娜飞、于威陪我一起走过了这美好的研究生岁月，你们是我人生中一道亮丽的风景。脉冲微波激励氢原子钟感谢我的父母和妻子对我的学习和生活的支

6、持，你们是我力量的源泉。II陈鹏飞2013年5月摘要原子钟是现代时间频率系统的基础，在科学研究、国防建设、工程应用和日常生活中起着举足轻重的作用。随着各行各业对时间精确度的要求越来越高，如何进一步提高原子钟的性能指标，成为当前时间频率技术研究者迫切需要解决的问题。目前时间频率技术研究者主要沿两个方向进行攻关，一是研究新型原子钟，二是在传统原子钟上应用新技术。原子钟的稳定度性能主要由原子跃迁谱线的Q值和系统的信噪比决定。氢原子钟作为三大实用型原子钟之一，因其优越的中短期稳定度性能而备受青睐。主动型氢原子钟体积和重量相对较大

7、，限制了其应用范围。被动型氢原子钟因采用小型谐振腔，大大减小了体积和重量。氢原子钟因采用内壁经过特殊涂覆的储存泡储存氢原子，延长了氢原子的储存时间和弛豫时间，压缩原子跃迁谱线宽度，提升了氢原子钟的中短期稳定度指标。但是氢原子在储存泡内往复运动，无法应用分离振荡场技术继续压缩原子跃迁谱线宽度。脉冲微波激励原子Ramsey干涉技术，利用时间分离的相干微波脉冲模拟空间分离的振荡场，同样能够激发原子共振跃迁的Ramsey干涉，压缩原子跃迁谱线宽度，该技术适合在被动型氢原子钟上应用。本文在被动型氢原子钟基础上，开展脉冲微波激励氢原

8、子Ramsey干涉的可行性研究。首先应用量子理论分析其可行性，并计算出关键参数，在脉冲宽度为10ms时，脉冲微波激励信号的高电平应为-47dBm左右。然后搭建测试平台，在实验上检验脉冲微波激励氢原子Ramsey干涉的可行性。以主动型氢原子钟输出的10MHz信号为参考，通过单片机产生频率控制字，控制直接数字频率合成器(