(高清版)GBT 43785-2024 光鐘性能表征及測(cè)量方法

光鐘性能表征及測(cè)量方法2024-03-15發(fā)布2024-10-01實(shí)施國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)I l2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語(yǔ)和定義 4概述 5性能表征 36測(cè)量環(huán)境 7測(cè)量設(shè)備 8測(cè)量方法 9測(cè)試報(bào)告 參考文獻(xiàn) Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專(zhuān)利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專(zhuān)利的責(zé)任。本文件由全國(guó)量子計(jì)算與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC578)提出并歸口。本文件起草單位：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所、中國(guó)信息通信研究院、深圳中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國(guó)空間技術(shù)研究院、國(guó)儀量子(合肥)技術(shù)有限公司、濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所。本文件主要起草人：林弋戈、管樺、戴漢寧、張升康、張萌、宋振飛、黃圭、姜海峰、貝曉敏、肖毅、1光鐘性能表征及測(cè)量方法本文件描述了表征光鐘性能的主要參數(shù)及其測(cè)量方法。本文件適用于光鐘設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)制造過(guò)程中的性能評(píng)價(jià)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T23717.2—2009機(jī)械振動(dòng)與沖擊裝有敏感設(shè)備建筑物內(nèi)的振動(dòng)與沖擊第2部分：分級(jí)GB/T27418—2017測(cè)量不確定度評(píng)定和表示3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。光頻原子鐘opticalatomicclock光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)opticalfrequencystandard利用頻率在光學(xué)波段的原子(離子)能級(jí)躍遷作為穩(wěn)定的頻率參考而建立的原子鐘。利用可獲得的信息，表征賦予被測(cè)量量值分散性的非負(fù)參數(shù)。頻率穩(wěn)定度f(wàn)requencystability描述取樣時(shí)間內(nèi)平均頻率隨機(jī)起伏程度的量。注1:不同取樣時(shí)間對(duì)應(yīng)不同的穩(wěn)定度量值。一般在時(shí)域用對(duì)應(yīng)取樣時(shí)間的阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差表征，在頻域用偏離載波一定帶寬的相位噪聲表征。注2:為了便于比較不同類(lèi)型頻率源的特性，常用相對(duì)頻率穩(wěn)定度來(lái)表征頻率源的頻率穩(wěn)定度。相對(duì)頻率穩(wěn)定度定義為頻率穩(wěn)定度除以頻率源的中心頻率。阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差A(yù)llandeviation時(shí)長(zhǎng)為r的相鄰兩個(gè)取樣時(shí)間內(nèi)頻率平均值之差的均方根的1/√2。2注：對(duì)于M個(gè)頻率測(cè)量數(shù)據(jù)，阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差按公式(1)計(jì)算：…………(1)式中：σ,(r)——阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差；t——取樣時(shí)間；y?——時(shí)間r內(nèi)平均頻率偏差；M——頻率取樣個(gè)數(shù)。光學(xué)頻率梳opticalfrequencycomb一種重復(fù)頻率和載波包絡(luò)相移頻率精密可控的光學(xué)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)。獲得同一臺(tái)光鐘在多個(gè)不同運(yùn)行狀態(tài)下頻率差的測(cè)量活動(dòng)。注：不同運(yùn)行狀態(tài)指把光鐘的運(yùn)行時(shí)間序列分為多個(gè)鎖定運(yùn)行狀態(tài)，或把位于不同空間位置的量子參考作為多個(gè)運(yùn)行狀態(tài)。4概述光鐘主要包括光學(xué)本地振蕩器、量子參考體系、鎖定系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)等組成部分，如圖1所示。鎖定系統(tǒng)鎖定系統(tǒng)信號(hào)探測(cè)單元伺服反饋單元光學(xué)本地振蕩器輸出系統(tǒng)頻率域傳遞單元空間域傳遞單元量子參考體系輸山圖1光鐘的組成結(jié)構(gòu)圖a)光學(xué)本地振蕩器：為探測(cè)量子參考躍遷提供頻率穩(wěn)定的探測(cè)激光，并為光鐘提供短期的頻率穩(wěn)定度。采用具有低膨脹系數(shù)材料制作的超穩(wěn)腔作為鐘激光預(yù)鎖定的參考腔，結(jié)合邊帶調(diào)制穩(wěn)頻技術(shù)可使鐘激光的秒穩(wěn)定度達(dá)E-16量級(jí)；采用基于低溫單晶硅參考腔的技術(shù)，可使鐘激光的秒穩(wěn)定度達(dá)到E-17量級(jí)。b)量子參考體系：利用原子(離子)等穩(wěn)定的能級(jí)躍遷作為標(biāo)準(zhǔn)頻率參考。依據(jù)量子參考體系不同，光鐘分為兩類(lèi)：基于離子阱囚禁的單離子光鐘和基于光晶格囚禁的中性原子光晶格鐘。常種光頻原子躍遷作為秒的次級(jí)表示。c)鎖定系統(tǒng)：光鐘的信號(hào)探測(cè)及伺服反饋系統(tǒng)，用于探測(cè)量子參考的躍遷幾率，計(jì)算光學(xué)本地振3蕩器輸出激光頻率相對(duì)于量子參考頻率的頻率偏移，通過(guò)閉環(huán)鎖定伺服器修正光學(xué)本地振蕩器的頻率，使其穩(wěn)定在量子體系參考頻率上，實(shí)現(xiàn)光鐘閉環(huán)運(yùn)行。d)輸出系統(tǒng)：用來(lái)將光鐘得到的高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率信號(hào)輸出給用戶(hù)的子系統(tǒng)。注：光鐘輸出頻率的長(zhǎng)距離傳輸需要采用復(fù)雜的頻率傳遞系統(tǒng)，這些傳遞系統(tǒng)屬于光鐘應(yīng)用的輔助系統(tǒng)，而非光鐘自身的子系統(tǒng)。5性能表征5.1頻率穩(wěn)定度光鐘性能表征中的頻率穩(wěn)定度采用時(shí)域上的阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表征。在未說(shuō)明時(shí)，默認(rèn)為相對(duì)頻率穩(wěn)定度。按照測(cè)量方法不同，表示為不同頻率穩(wěn)定度參數(shù)。a)利用被測(cè)光鐘自身測(cè)量得到的頻率穩(wěn)定度。使用光鐘自身輸出的數(shù)據(jù)測(cè)量和計(jì)算，按照優(yōu)先級(jí)由高到低的順序可選用如下參數(shù)?！謺r(shí)間交替自比對(duì)頻率穩(wěn)定度：簡(jiǎn)稱(chēng)分時(shí)自比對(duì)穩(wěn)定度，表征預(yù)先設(shè)定的不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)光鐘頻率的影響程度，用于光鐘系統(tǒng)頻移不確定度的評(píng)估?？稍u(píng)估的頻移包括：原子密度、光晶格激光功率、靜電場(chǎng)強(qiáng)度、鐘躍遷探測(cè)光激光功率等。 分空間自比對(duì)頻率穩(wěn)定度；表征運(yùn)行參數(shù)的空間不均勻性對(duì)光鐘頻率的影響程度，用于光鐘系統(tǒng)頻移不確定度的評(píng)估?？稍u(píng)估的頻移包括：原子密度、光晶格激光功率、磁場(chǎng)強(qiáng)度、量子參考尺寸內(nèi)的相對(duì)論紅移等。 環(huán)內(nèi)頻率穩(wěn)定度：表征伺服器跟蹤光鐘量子參考頻率的能力。注1:環(huán)內(nèi)頻率穩(wěn)定度不反映量子參考的任何特性，不能用于表征獨(dú)立光鐘輸出頻率的穩(wěn)定度，僅用于對(duì)光鐘鎖定能力的評(píng)估。b)利用另一臺(tái)同種光鐘比對(duì)測(cè)量的頻率穩(wěn)定度。按照優(yōu)先級(jí)由高到低的順序依次采用如下參數(shù)?！猛耆?dú)立的另一臺(tái)同種光鐘直接拍頻的頻率穩(wěn)定度：反映光鐘輸出頻率的實(shí)際頻率穩(wěn)定度。對(duì)于有兩臺(tái)同種光鐘的測(cè)量場(chǎng)景，有條件做到使用獨(dú)立兩臺(tái)光學(xué)本地振蕩器的，宜采用該性能參數(shù)?！霉灿霉鈱W(xué)本地振蕩器的另一臺(tái)同種光鐘異步比對(duì)的頻率穩(wěn)定度：較真實(shí)地反映光鐘輸出頻率的實(shí)際頻率穩(wěn)定度。該參數(shù)有可能部分消除Dick效應(yīng)引起的共模噪聲，對(duì)于有兩臺(tái)同種光鐘的測(cè)量場(chǎng)景，僅在沒(méi)有條件使用獨(dú)立兩臺(tái)光學(xué)本地振蕩器來(lái)完成光鐘頻率穩(wěn)定度的評(píng)估時(shí)，采用該性能參數(shù)?！霉灿霉鈱W(xué)本地振蕩器的另一臺(tái)同種光鐘之間同步比對(duì)的頻率穩(wěn)定度：該參數(shù)在很大程度上消除了由激光器頻率漂移引起的伺服效應(yīng)及Dick效應(yīng)等共模噪聲，在利用光鐘比對(duì)實(shí)現(xiàn)某些物理量測(cè)量及基本物理定律檢驗(yàn)等試驗(yàn)中，宜采用該測(cè)量方法，在相同的測(cè)量時(shí)間內(nèi)減小測(cè)量不確定度。適用場(chǎng)景包括光鐘中某些系統(tǒng)頻移的測(cè)量和評(píng)估、相對(duì)論性大的測(cè)量等。注2:利用共用光學(xué)本地振蕩器的另一臺(tái)同種光鐘之間同步比對(duì)的頻率穩(wěn)定度只提升了光鐘比對(duì)測(cè)量過(guò)程中測(cè)量得到的頻差的頻率穩(wěn)定度，并不代表光鐘輸出頻率的穩(wěn)定度得到了提升。c)利用另一臺(tái)不同種光鐘比對(duì)測(cè)量的頻率穩(wěn)定度。按照優(yōu)先級(jí)由高到低的順序依次采用如下參數(shù)?！猛耆?dú)立的另一臺(tái)不同種光鐘比對(duì)的頻率穩(wěn)定度：反映光鐘獨(dú)立輸出頻率的性能，適用于光鐘整體性能的評(píng)估、某些系統(tǒng)頻移的測(cè)量和評(píng)估等場(chǎng)景?！霉灿霉鈱W(xué)本地振蕩器的另一臺(tái)不同種光鐘比對(duì)的頻率穩(wěn)定度：不反映光鐘獨(dú)立輸出4頻率的性能，只是為了縮短兩種光鐘比對(duì)達(dá)到預(yù)定測(cè)量不確定度的測(cè)量時(shí)間。該參數(shù)能減小本地振蕩器帶來(lái)的伺服噪聲和Dick效應(yīng)噪聲，適用于兩種光鐘頻率比對(duì)測(cè)量頻率比值的場(chǎng)合。5.2頻率不確定度頻率不確定度包含系統(tǒng)頻移不確定度和絕對(duì)頻率不確定度兩個(gè)參數(shù)。a)系統(tǒng)頻移不確定度：光鐘絕對(duì)頻率不確定度的一個(gè)分量，表征光鐘獨(dú)立復(fù)現(xiàn)其理想值的能力，是光鐘輸出頻率與未受干擾的光鐘原子躍遷頻率之間頻率偏移量的不確定度，一般用相對(duì)不確定度來(lái)表示。適用于同其他原子鐘進(jìn)行比對(duì)的場(chǎng)景，該參數(shù)按照GB/T27418—2017作為該光鐘的不確定度B類(lèi)評(píng)定，參與比對(duì)結(jié)果不確定度的計(jì)算。注1:由于各種外界噪聲的存在，原子(離子)不可能處于完全未受干擾的條件下，其輸出頻率相對(duì)于未受干擾的理想值之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)頻率偏移，這個(gè)偏移量被稱(chēng)為系統(tǒng)頻移。對(duì)系統(tǒng)頻移進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)引入系統(tǒng)頻移不確定度。b)絕對(duì)頻率不確定度：表征光鐘復(fù)現(xiàn)的光頻原子躍遷頻率在國(guó)際單位制下的量值，與秒定義基準(zhǔn)進(jìn)行比值測(cè)量得到，是光鐘的輸出頻率溯源到現(xiàn)有秒定義的過(guò)程中所產(chǎn)生的總測(cè)量不確定度。適用于以光鐘作為頻率參考駕馭國(guó)際原子時(shí)或者本地時(shí)標(biāo)、以異地光鐘頻率比對(duì)得到的頻差來(lái)計(jì)算相對(duì)論紅移、作為秒的次級(jí)表示頻率標(biāo)準(zhǔn)向其他時(shí)頻系統(tǒng)傳遞量值等場(chǎng)景。注2:光鐘的絕對(duì)頻率是指以赫茲為單位的光鐘輸出頻率，而赫茲是由秒定義確定的。為了獲得光鐘的絕對(duì)頻率，需要把光鐘的輸出頻率與秒定義中的原子躍遷頻率進(jìn)行比值測(cè)量而得到。注3:秒定義基準(zhǔn)鐘復(fù)現(xiàn)秒定義的不確定度是光鐘與秒定義基準(zhǔn)比值測(cè)量中的一個(gè)不確定度分量，在目前以銫原子為基礎(chǔ)的秒定義下，光鐘絕對(duì)頻率測(cè)量的不確定度不會(huì)優(yōu)于最好的銫原子基準(zhǔn)鐘的頻率不確定度。在給定的一段時(shí)間內(nèi)，光鐘給出正常頻率輸出量值的時(shí)長(zhǎng)與該段時(shí)間總時(shí)長(zhǎng)的比值；或是在某個(gè)考核時(shí)間段內(nèi)，光鐘給出正常頻率輸出量值的概率或時(shí)間占比的期望值?？捎迷逻\(yùn)行率、年運(yùn)行率等來(lái)具體表征。光鐘的運(yùn)行率適合作為光鐘可靠性的考核指標(biāo)之一，描述光鐘在某一時(shí)間段內(nèi)的服務(wù)能力。6測(cè)量環(huán)境光鐘的測(cè)量環(huán)境要求如下：——溫度：20℃~26℃;——相對(duì)濕度：30%～80%;——振動(dòng)條件：達(dá)到或者優(yōu)于GB/T23717.2—2009中振動(dòng)準(zhǔn)則曲線D(VC-D)的要求。7測(cè)量設(shè)備7.1高速光電探測(cè)器高速光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，參數(shù)要求如下：——波長(zhǎng)范圍：覆蓋探測(cè)所需波長(zhǎng)；——帶寬：大于200MHz;——噪聲等效功率(NEP):不大于10pW/√Hz。7.2頻率計(jì)數(shù)器頻率計(jì)數(shù)器用于測(cè)量微波頻率，參數(shù)要求如下：5——頻率測(cè)量范圍：覆蓋測(cè)量所需的微波頻率； 分辨率：不小于11位/s。7.3光學(xué)頻率梳光學(xué)頻率梳用于光鐘的頻率轉(zhuǎn)換，參數(shù)要求如下：——波長(zhǎng)范圍：覆蓋被測(cè)光鐘的輸出激光波長(zhǎng)；——光學(xué)頻率梳梳齒線寬：小于10Hz。8測(cè)量方法8.1頻率穩(wěn)定度8.1.1分時(shí)間交替自比對(duì)頻率穩(wěn)定度采用時(shí)分復(fù)用的方法，利用被測(cè)光鐘的物理系統(tǒng)，從運(yùn)行時(shí)間序列上把光鐘分為多個(gè)鎖定運(yùn)行狀態(tài)(如圖2所示)進(jìn)行自比對(duì)得到的差分頻率穩(wěn)定度。光鐘在運(yùn)行時(shí)間序列上分為兩個(gè)鎖定運(yùn)行狀態(tài)，分別為狀態(tài)a和狀態(tài)b。在階段t,的狀態(tài)a的光學(xué)本地振蕩器頻率為fto(t?),在階段t,的狀態(tài)b的光學(xué)本地振蕩器頻率為fto(tn)。注1:分時(shí)間交替自比對(duì)頻率穩(wěn)定度測(cè)量是以光學(xué)本地振蕩器作為飛輪，僅能反映光學(xué)本地振蕩器頻率滿(mǎn)足fo(t?)≈fuo(t)條件的時(shí)間(上限約為10s～100s)內(nèi)光鐘輸出頻率的穩(wěn)定度，不能用來(lái)表征這臺(tái)獨(dú)立光鐘輸出頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。圖2分時(shí)間自比對(duì)測(cè)量時(shí)序圖按以下方法進(jìn)行測(cè)量。a)光鐘的被調(diào)制參數(shù)在運(yùn)行時(shí)間序列狀態(tài)a時(shí)取值為r。,狀態(tài)a的鎖定伺服器為S。在狀態(tài)a的t階段，S。把光學(xué)本地振蕩器頻率fuo(tj)鎖定到原子躍遷上，伺服器對(duì)光頻修正的頻率差為△f。(t?),獲得光鐘輸出頻率fto(t?)+△f?(t?。)。b)光鐘的被調(diào)制參數(shù)在運(yùn)行時(shí)間序列狀態(tài)b時(shí)取值為ri,狀態(tài)b的鎖定伺服器為S,。在狀態(tài)b的t?階段，S,把光學(xué)本地振蕩器頻率fto(t?n)鎖定到原子躍遷上，伺服器對(duì)光頻修正的頻率差為△f?(t?),獲得光鐘輸出頻率為fuo(t?)+△f?(t?)。6GB/T43785—2024 (2)式中：注2:在絕對(duì)頻率未測(cè)量時(shí)，取國(guó)際參考值。注1:基于離子阱囚禁的單離子光鐘此參數(shù)不適用。注2:由于排除了光學(xué)本地振蕩器噪聲的影響，分空間自比對(duì)頻率穩(wěn)定度不能用來(lái)表征這臺(tái)獨(dú)立光鐘輸出頻率的穩(wěn)定度。a)光鐘囚禁多個(gè)原子作為量子參考，這些原子位于空間上的兩個(gè)不同位置，分別標(biāo)記為位置L。和位置Lb,分別對(duì)應(yīng)狀態(tài)a和狀態(tài)b。式中：c)按照公式(5)計(jì)算單次測(cè)量的分空間自比對(duì)頻率差：△fsc(t?)=△fs(t?)-△f。(t?)式中：7GB/T43785—20248.1.3環(huán)內(nèi)頻率穩(wěn)定度由光鐘閉環(huán)鎖定伺服器輸入的頻率誤差信號(hào)fem計(jì)算的頻率穩(wěn)定度或者由鎖定伺服器輸出的頻率修正信號(hào)fou計(jì)算的頻率穩(wěn)定度。按以下方法進(jìn)行測(cè)量。a)獲得原子鐘的躍遷概率P。對(duì)于基于離子阱囚禁的單離子光鐘，運(yùn)行多個(gè)鐘周期，離子處于基態(tài)的次數(shù)為N?,處于激發(fā)態(tài)的次數(shù)為N?,躍遷概率為P=N?/(N?+N?);對(duì)于基于光晶格囚禁的中性原子光晶格鐘，則通過(guò)一個(gè)鐘周期，探測(cè)到基態(tài)原子數(shù)為M?,激發(fā)態(tài)原子數(shù)為M?,躍遷概率為P=M?/(M?+M?)。b)通過(guò)偏移光學(xué)本地振蕩器頻率分別到原子躍遷兩側(cè)，得到兩個(gè)激發(fā)頻率下鐘躍遷概率分別為P?和P?,獲得躍遷概率差△P=P?-P?。c)躍遷概率差乘以鐘躍遷原子譜線線寬γ,得到光鐘閉環(huán)鎖定伺服器輸入的頻率誤差信號(hào)fer,通過(guò)鎖定伺服器后輸出頻率修正信號(hào)fout。d)利用fm或者fo按照公式(1)計(jì)算阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差σ,(r)。e)按照公式(6)計(jì)算環(huán)內(nèi)頻率穩(wěn)定度：式中：σn(r)——在取樣時(shí)間r下的環(huán)內(nèi)頻率穩(wěn)定度；σ(r)——阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差；f.——光鐘輸出的絕對(duì)頻率。注1:在絕對(duì)頻率未測(cè)量時(shí)，取國(guó)際參考值。8.1.4利用完全獨(dú)立的另一臺(tái)同種光鐘直接拍頻的頻率穩(wěn)定度兩臺(tái)光鐘基于同一種量子參考，并且沒(méi)有共用的部件，通過(guò)直接拍頻的方法測(cè)量?jī)膳_(tái)光鐘的頻率差，計(jì)算得到的頻率穩(wěn)定度。對(duì)于完全獨(dú)立的兩臺(tái)同種光鐘，兩臺(tái)光鐘由兩臺(tái)光學(xué)本地振蕩器分別探測(cè)。由于輸出的光學(xué)頻率在同一個(gè)光學(xué)頻段，通過(guò)直接拍頻進(jìn)行光鐘頻率穩(wěn)定度的評(píng)估。通過(guò)直接對(duì)兩臺(tái)光鐘閉環(huán)鎖定后的輸出激光進(jìn)行拍頻測(cè)量，拍頻信號(hào)通過(guò)高速光電探測(cè)器探測(cè)，經(jīng)放大濾波后輸入頻率計(jì)數(shù)器，并利用頻率計(jì)數(shù)器來(lái)記錄兩臺(tái)光鐘輸出光學(xué)本地振蕩器的頻率差，如圖3所示。8GB/T43785—2024光鐘1光鐘1聲光調(diào)制器2外部頻率參考聲光調(diào)制器1高速光電探測(cè)器聲光調(diào)制器3聲光調(diào)制器1光學(xué)本地量了參考休系2光學(xué)本地振蕩器1體系1頻率計(jì)數(shù)器探測(cè)注：為了減小測(cè)量?jī)x器帶來(lái)的額外測(cè)量偏差，頻率計(jì)數(shù)器需要接外部頻率參考。圖3利用完全獨(dú)立的另一臺(tái)同種光鐘測(cè)量頻率穩(wěn)定度流程圖按以下方法進(jìn)行測(cè)量。a)聲光調(diào)制器1將光學(xué)本地振蕩器1的頻率調(diào)節(jié)至原子(離子)的鐘躍遷頻率附近，用來(lái)探測(cè)原子(離子)的若干條鐘躍遷譜線，得到的誤差信號(hào)反饋至聲光調(diào)制器2。b)聲光調(diào)制器3將光學(xué)本地振蕩器2的頻率調(diào)節(jié)至原子(離子)的鐘躍遷頻率附近，用來(lái)探測(cè)原子(離子)的若干條鐘躍遷譜線，得到的誤差信號(hào)反饋至聲光調(diào)制器4。c)將聲光調(diào)制器2和聲光調(diào)制器4輸出的兩束光拍頻，用高速光電探測(cè)器探測(cè)兩束光的拍頻注1:為了準(zhǔn)確讀出拍頻值，驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器2的頻率需要相對(duì)聲光調(diào)制器1增加一個(gè)固定的頻率偏移，這樣最終的拍頻頻率在這個(gè)固定頻率附近，否則兩臺(tái)光鐘的拍頻頻率在0Hz附近無(wú)法計(jì)數(shù)測(cè)量。d)拍頻信號(hào)輸入到頻率計(jì)數(shù)器，設(shè)置好計(jì)數(shù)器的門(mén)時(shí)間(例如1s)并讀出兩臺(tái)光鐘輸出激光頻率的拍頻頻率差fa。f)兩臺(tái)光鐘性能相近時(shí)，按照公式(3)計(jì)算σpur(t),則利用完全獨(dú)立的另一臺(tái)同種光鐘直接拍頻的頻率穩(wěn)定度σjs(t)等于σpurn(r);兩臺(tái)光鐘一臺(tái)為被測(cè)光鐘，另一臺(tái)為參考光鐘，按照公σpurg(r)—-在取樣時(shí)間r下的被測(cè)光鐘的頻率穩(wěn)定度；σger(r)——已知參考光鐘的頻率穩(wěn)定度；f.——光鐘輸出的絕對(duì)頻率。注2:在絕對(duì)頻率未測(cè)量時(shí)，取國(guó)際參考值。8.1.5利用共用光學(xué)本地振蕩器的另一臺(tái)同種光鐘異步比對(duì)的頻率穩(wěn)定度兩臺(tái)光鐘基于同一種量子參考，共用同一臺(tái)光學(xué)本地振蕩器，采用不同步探測(cè)量子躍遷的方法(如圖4),通過(guò)比較鎖定伺服器輸出頻率測(cè)量?jī)膳_(tái)光鐘的頻率差，計(jì)算得到的頻率穩(wěn)定度。9a)作用時(shí)間反相b)作用時(shí)間不對(duì)齊注：高電平代表探測(cè)光與原子(離子)的作用時(shí)間，其中a)和b)兩種情況都表示不同步。圖4異步比對(duì)探測(cè)時(shí)序圖按以下方法進(jìn)行測(cè)量。a)將共用的光學(xué)本地振蕩器分為兩束，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的鎖定伺服器將兩束激光的頻率分別鎖定到兩臺(tái)光鐘的原子(離子)鐘躍遷上。b)按照?qǐng)D4控制兩個(gè)鎖定伺服器的時(shí)序，使兩束激光探測(cè)兩臺(tái)光鐘的原子(離子)鐘躍遷的時(shí)間不同步。c)通過(guò)直接比較鎖定伺服器輸出頻率的差值，或者通過(guò)頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量這個(gè)頻率差，得到兩臺(tái)光鐘輸出激光頻率的拍頻頻率差fa。d)由fa按照公式(1)計(jì)算阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差σ(t)。e)兩臺(tái)光鐘性能相近時(shí)，按照公式(3)計(jì)算σpun(r),則利用共用光學(xué)本地振蕩器的另一臺(tái)同種光鐘異步比對(duì)的頻率穩(wěn)定度σcsA(r)等于σpur(r);兩臺(tái)光鐘一臺(tái)為被測(cè)光鐘，另一臺(tái)為參考光鐘，按照公式(7)計(jì)算被測(cè)光鐘的頻率穩(wěn)定度σpurz(r),則利用共用光學(xué)本地振蕩器的另一臺(tái)同種光鐘異步比對(duì)的頻率穩(wěn)定度σcs(r)等于σpurg(r)。8.1.6利用共用光學(xué)本地振蕩器的另一臺(tái)同種光鐘之間同步比對(duì)的頻率穩(wěn)定度兩臺(tái)光鐘基于同一種量子參考，共用同一臺(tái)光學(xué)本地振蕩器，采用同步探測(cè)量子躍遷(如圖5)的方法，通過(guò)比較鎖定伺服器輸出頻率測(cè)量?jī)膳_(tái)光鐘的頻率差，計(jì)算得到的頻率穩(wěn)定度。注：高電平代表探測(cè)光與原子(離子)的作用時(shí)間。圖5同步比對(duì)探測(cè)時(shí)序圖按以下方法進(jìn)行測(cè)量。a)共用光學(xué)本地振蕩器分為兩束，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的伺服鏈路將兩束激光的頻率分別鎖定到兩臺(tái)光鐘的原子(離子)鐘躍遷上。b)按照?qǐng)D5控制兩個(gè)伺服的時(shí)序，使兩束激光探測(cè)兩臺(tái)光鐘的原子(離子)鐘躍遷的時(shí)間完全c)通過(guò)直接比較兩個(gè)鎖定伺服器輸出的頻率差，或者通過(guò)頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量這個(gè)頻率差，得到兩臺(tái)光鐘輸出激光頻率的拍頻頻率差fa。d)由fa按照公式(1)計(jì)算阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差σ,(r)。e)兩臺(tái)光鐘性能相近時(shí)，按照公式(3)計(jì)算σpun(r),則利用共用光學(xué)本地振蕩器的另一臺(tái)同種光鐘之間同步比對(duì)的頻率穩(wěn)定度σcss(r)等于σpur(r);兩臺(tái)光鐘一臺(tái)為被測(cè)光鐘，另一臺(tái)為參考光鐘，按照公式(7)計(jì)算被測(cè)光鐘的頻率穩(wěn)定度σpurz(r),則利用共用光學(xué)本地振蕩器的另一臺(tái)同種光鐘之間同步比對(duì)的頻率穩(wěn)定度σcss(r)等于σpurg(r)。8.1.7利用完全獨(dú)立的另一臺(tái)不同種光鐘比對(duì)的頻率穩(wěn)定度完全獨(dú)立的兩臺(tái)不同種光鐘，其輸出頻率不同，分別為f?和f?,頻差(f?-f?)遠(yuǎn)高于光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)范圍，無(wú)法通過(guò)直接拍頻的方式進(jìn)行頻率差測(cè)量，需利用光學(xué)頻率梳作為光學(xué)頻率傳遞手段來(lái)進(jìn)行兩臺(tái)光鐘的比對(duì)，測(cè)量流程如圖6。flfl光鐘1高速光電探測(cè)器f光鐘2頻率計(jì)數(shù)器光梳/ff圖6利用完全獨(dú)立的另一臺(tái)不同種光鐘比對(duì)測(cè)量頻率穩(wěn)定度流程圖按以下方法進(jìn)行測(cè)量：a)利用光學(xué)頻率梳把其中一臺(tái)光鐘的輸出頻率f?轉(zhuǎn)換到第二臺(tái)光鐘的光學(xué)頻率f?的附近為f'?,使得此時(shí)頻差(f?-f'?)落到高速光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)范圍內(nèi)。b)利用高速光電探測(cè)器探測(cè)第二臺(tái)光鐘與光學(xué)頻率梳的拍頻信號(hào)，高速光電探測(cè)器的輸出信號(hào)送入頻率計(jì)數(shù)器，測(cè)量得到兩臺(tái)光鐘的通過(guò)光學(xué)頻率梳轉(zhuǎn)換的拍頻頻率差fa。c)由fa按照公式(1)計(jì)算阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差σ(r)。d)兩臺(tái)光鐘性能相近時(shí)，按照公式(3)計(jì)算σpu(r),則利用完全獨(dú)立的另一臺(tái)不同種光鐘比對(duì)的頻率穩(wěn)定度σm(r)等于σpun(r);兩臺(tái)光鐘一臺(tái)為被測(cè)光鐘，另一臺(tái)為參考光鐘，按照公式(7)計(jì)算被測(cè)光鐘的頻率穩(wěn)定度σpur?(r),則利用完全獨(dú)立的另一臺(tái)不同種光鐘比對(duì)的頻率穩(wěn)8.1.8利用共用光學(xué)本地振蕩器的另一臺(tái)不同種光鐘比對(duì)的頻率穩(wěn)定度兩臺(tái)光鐘基于不同種類(lèi)的量子參考，其輸出頻率不同，分別為f?和f?,無(wú)法直接共用同一臺(tái)光學(xué)本地振蕩器。利用光學(xué)頻率梳作為光學(xué)頻率傳遞的手段，把光鐘1的輸出頻率f?轉(zhuǎn)換到另一臺(tái)光鐘的光學(xué)頻率f?附近為f'?,作為第二臺(tái)光鐘的光學(xué)本地振蕩器使用。測(cè)量方法包括異步比對(duì)和同步比對(duì)兩種形式，其中異步比對(duì)按照8.1.5進(jìn)行測(cè)量，同步比對(duì)按照8.1.6進(jìn)行測(cè)量。8.2頻率不確定度8.2.1系統(tǒng)頻移不確定度光鐘的系統(tǒng)頻移包含外界熱環(huán)境造成的黑體輻射頻移、外界磁場(chǎng)造成的塞曼頻移等。各項(xiàng)系統(tǒng)頻移的評(píng)定方法，一般是先根據(jù)物理模型確定該項(xiàng)頻移與系統(tǒng)參數(shù)之間的敏感度，然后監(jiān)測(cè)該項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)，利用模型計(jì)算得到系統(tǒng)頻移量及其不確定度。光鐘總的系統(tǒng)頻移不確定度由各項(xiàng)不確定度分量按照GB/T27418—2017的不確定度合成方法得到的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度表示。在評(píng)定光鐘的某些系統(tǒng)頻移時(shí)，需用到分時(shí)自比對(duì)或者分空間自比對(duì)的方法。系統(tǒng)頻移的計(jì)算中，對(duì)于不同的系統(tǒng)頻移及其不確定度需采用不同的計(jì)算方式。一般取該項(xiàng)頻移測(cè)量的平均值作為測(cè)量值的期望，平均值的不確定度作為該項(xiàng)頻移的不確定度。得到各項(xiàng)頻移的不確定度后，按照公式(8)對(duì)各項(xiàng)不確定度進(jìn)行合成，得到系統(tǒng)頻移不確定度：σ=√0{+02+ +o;