星载MEMS原子钟稳频系统的优化及实验研究

PI控制器用于滤除高频噪声，并对低频信号进行积分放大。据此功能要求，设计如图4所示的PI控制器原理图。

其传递函数为：

鉴相器中低通滤波器截止频率为200 Hz，故设定Pl控制器截止频率为200 Hz。经多次实验比较，选取C1=220 nF，C2=15 nF，R1=30 kΩ，R2=50 kΩ。

图5为激光器锁频判断示意图。

图5中设定阈值电压是判断系统用于否超出锁定范围。对比PD检测信号与阈值电压，当检测信号高于阈值电压时，表明系统未失锁，电压比较器输出正电压：当检测信号低于阈值电压时，认为激光器失锁，电压比较器输出负电压。电压比较器的输出信号输入到模拟开关，控制模拟开关的通断。

4 87Rb饱和吸收稳频实验的研究

87Rb饱和吸收光路如图6所示。选用87Rb原子F=2态到激发态F'=3态的饱和吸收峰即最高吸收峰作为吸收曲线，以其峰值点对应频率作为锁频参考频率。半导体激光器DL100中心波长为780 nm，输出功率为150 mW。DL100通过调节腔长调节激光频率，伺服系统将控制信号作用于PZT(压电晶体陶瓷)，通过PZT调节腔长，从而实现频率调节。通过S曲线法，可以测得闭环后所得到的激光器的频率稳定度在100 s内为：

此稳频环路很好地改善了激光光源的频率特性，为了获得更稳定的CPT原子钟信号，仍需进一步优化、完善此设计。

5 结束语

针对星载微型CPT原子钟设计锁频电路系统，并详细分析锁频系统中的调频信号源、鉴相器、校准器等各部分电路模块，最后利用饱和吸收稳频实验说明该锁频系统能够很好地完成激光的稳频，100 s的频率稳定度达到了1．6×10-12，完全满足设计要求。