1. 原子鐘的概念

原子鐘，是一種利用原子、分子能級(jí)差為基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)校準(zhǔn)晶體振蕩器或激光器頻率，以使其輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的一種裝置。它利用原子能級(jí)躍遷產(chǎn)生的光信號(hào)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)化、信號(hào)處理后獲得用來(lái)修正晶振或激光器頻率的負(fù)反饋糾偏信號(hào)，使其輸出穩(wěn)恒振蕩頻率，這種輸出頻率可以用來(lái)精確計(jì)量時(shí)間。根據(jù)采用的原子種類和技術(shù)手段的不同，原子鐘可以分為很多種。因?yàn)樘囟ㄔ幽芗?jí)之間的能極差是很穩(wěn)定的，所以原子鐘的準(zhǔn)確度很高，可以達(dá)到千萬(wàn)年僅差一秒或者更高的水平。

2. 幾種常見(jiàn)的原子鐘

隨著物理學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是與原子鐘技術(shù)有關(guān)的原子、分子和光學(xué)物理方面的進(jìn)步，極大地促進(jìn)了原子鐘技術(shù)的發(fā)展，人們研制出了不同種類的原子鐘。現(xiàn)代原子鐘所采用的許多技術(shù)都與脈澤、激光以及后來(lái)的激光光譜學(xué)新領(lǐng)域的發(fā)展密不可分。這些技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致原子和離子的激光冷卻和技術(shù)的產(chǎn)生，很多新型原子鐘也應(yīng)運(yùn)而生。

  2.1冷原子噴泉鐘

冷原子噴泉鐘主要有銫原子噴泉鐘和銣原子噴泉鐘兩種，它們的工作原理相同，結(jié)構(gòu)也大同小異。噴泉原子鐘工作時(shí)，冷原子云在電磁場(chǎng)以及重力的作用下沿噴泉管上下運(yùn)動(dòng)，以完成原子能級(jí)變化的檢測(cè)，就像噴泉一樣，所以取了一個(gè)形象的名字—噴泉鐘。

  2.2原子光鐘

原子光鐘是一種作為參考標(biāo)準(zhǔn)的原子能級(jí)躍遷頻率處于光頻波段的原子鐘。原子光鐘的工作原理與微波原子鐘相似，除了躍遷頻段不同之外，其頻率發(fā)生器是穩(wěn)頻激光器而不是微波原子鐘的晶體振蕩器。

原子光鐘用穩(wěn)頻激光器的脈沖去探測(cè)被激光冷卻的工作物質(zhì)（原子或離子），激勵(lì)被冷卻的工作物質(zhì)發(fā)生躍遷，使用一個(gè)聲光調(diào)制器（AOM）調(diào)節(jié)探測(cè)激光的頻率，使它接近原子的共振頻率，躍遷信息通過(guò)光電倍增管來(lái)檢測(cè)，以原子躍遷產(chǎn)生的信號(hào)作為參考信號(hào)，并通過(guò)聲光調(diào)制器和伺服系統(tǒng)調(diào)制探測(cè)激光的頻率，使其鎖定到原子的共振中心頻率。因?yàn)楣忸l率比微波頻率高大約5個(gè)量級(jí)，激光冷卻可以把元素樣品冷卻到μK量級(jí)的低溫，從而使譜線具有很高的Q值，所以原子光鐘可以達(dá)到很高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10-17甚至10-18量級(jí)。

  2.3相干布居（CPT）原子鐘

1976年發(fā)現(xiàn)了CPT(coherent population trapping)現(xiàn)象, 隨后出現(xiàn)了完整的理論分析。CPT 的本質(zhì), 是激光場(chǎng)可以使具有特定構(gòu)型的原子能級(jí)之間產(chǎn)生相干耦合, 在基態(tài)兩個(gè)能態(tài)之間形成CPT,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)反轉(zhuǎn)光放大或電磁誘導(dǎo)透明。

用兩束相干的激光激勵(lì)堿金屬蒸汽腔中的原子，當(dāng)兩束激光的頻率差值等于堿金屬基態(tài)的超精細(xì)能級(jí)差，并滿足共振條件時(shí)，激光與堿金屬超精細(xì)能級(jí)共振，呈現(xiàn)電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。利用電磁誘導(dǎo)透明信號(hào)，并經(jīng)過(guò)電路處理后就可以用來(lái)鎖定本機(jī)振蕩器，從而實(shí)現(xiàn)原子鐘系統(tǒng)。

3.原子鐘性能指標(biāo)

原子鐘輸出頻率的性能可以用輸出頻率信號(hào)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性等來(lái)衡量

  3.1頻率準(zhǔn)確度

頻率信號(hào)的準(zhǔn)確度指某一臺(tái)實(shí)際的原子鐘輸出信號(hào)與的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率差異的不確定程度。得到這一參數(shù)有兩種方法，一種是制作兩臺(tái)以上采用相同原理和結(jié)構(gòu)的原子鐘，通過(guò)比較它們的輸出頻率間的差別，采用不確定度表征，從實(shí)驗(yàn)上獲得。另一種是考察制作原子鐘的每一個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)原理和技術(shù)誤差從理論上計(jì)算得到這一參數(shù)。把這兩種方法結(jié)合起來(lái)，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正理論計(jì)算，可以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

  3.2頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度是指輸出頻率隨時(shí)間的變化程度，長(zhǎng)時(shí)間的緩慢變化稱為頻率的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度，短時(shí)間內(nèi)的變化稱為短期頻率穩(wěn)定度。短期的頻率變化主要是由原子鐘內(nèi)部的各種噪聲引起的。需要說(shuō)明的是長(zhǎng)期與短期頻率穩(wěn)定度并沒(méi)有嚴(yán)格的界限。通常把長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作時(shí)輸出頻率的緩慢漂移稱為長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而在一個(gè)小時(shí)內(nèi)取樣頻率的變化稱為短期穩(wěn)定度。工作頻率的高低對(duì)短期穩(wěn)定性有很大的影響，工作頻率越高，獲得的電磁信號(hào)線寬越窄，相應(yīng)的信噪比越高，短期穩(wěn)定度越好。一個(gè)典型的例子就是原子光鐘的短期穩(wěn)定度要明顯優(yōu)于微波原子鐘。

  3.3頻率復(fù)現(xiàn)性

頻率復(fù)現(xiàn)性反映同類原子鐘或同一臺(tái)原子鐘多次開(kāi)機(jī)或者多次獨(dú)立調(diào)節(jié)時(shí)輸出頻率的一致性。頻率復(fù)現(xiàn)性的數(shù)值主要是根據(jù)多次開(kāi)機(jī)或者調(diào)節(jié)得到的相對(duì)頻率差值的標(biāo)準(zhǔn)方差或者相對(duì)差值來(lái)計(jì)算。

除了衡量原子鐘輸出頻率的性能的三個(gè)指標(biāo)外，原子鐘的體積、功耗以及對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性等因素也會(huì)成為制約原子鐘應(yīng)用的因素。對(duì)原子鐘性能的不同要求直接導(dǎo)致了原子中的不同發(fā)展方向，例如，以光鐘為代表的發(fā)展方向，不斷向高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度邁進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)更精確的時(shí)間計(jì)量，而以CPT原子鐘為代表的發(fā)展方向，不斷向芯片級(jí)、集成化的小型化方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)原子鐘的便攜化應(yīng)用。

4.原子鐘的應(yīng)用

頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對(duì)于一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、科學(xué)與技術(shù)、國(guó)防與社會(huì)安全有著相當(dāng)?shù)闹匾饬x，由于制造、交通運(yùn)輸、通訊和信息技術(shù)的不斷飛速發(fā)展，時(shí)間和頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度和精確度也越來(lái)越高。導(dǎo)航、定位、測(cè)地學(xué)、天文觀測(cè)、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)和同步都需要高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的頻率標(biāo)準(zhǔn)。原子鐘作為一種高精度的計(jì)時(shí)儀器,目前已經(jīng)應(yīng)用在了人類活動(dòng)的很多領(lǐng)域，在工作和生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。

作為一種高精度的計(jì)時(shí)裝置，原子鐘最重要的應(yīng)用當(dāng)然是高準(zhǔn)確度的時(shí)間計(jì)量服務(wù)。在我國(guó)，人們通常根據(jù)重要電視臺(tái)播報(bào)的時(shí)間來(lái)校準(zhǔn)自己的時(shí)鐘，而校準(zhǔn)這一時(shí)間的時(shí)鐘就是銫原子鐘。由于銫原子鐘準(zhǔn)確度較高，可以達(dá)到幾千萬(wàn)年只差一秒或者更高的程度，因此被廣泛地用作基準(zhǔn)時(shí)鐘。我們每天從電視、廣播或者網(wǎng)絡(luò)等得到的報(bào)時(shí)服務(wù)，就是原子鐘這一應(yīng)用的體現(xiàn)。而據(jù)英國(guó)《每日電訊報(bào)》的報(bào)道，美國(guó)研究人員已經(jīng)制造出了最守時(shí)的原子鐘，其精度高達(dá)3億年內(nèi)只差一秒，是目前確的原子鐘，可用于調(diào)整國(guó)際時(shí)區(qū)以及衛(wèi)星系統(tǒng)。

除了做時(shí)間基準(zhǔn)外，原子鐘最重要的工程應(yīng)用是在定位系統(tǒng)（GPS）上的應(yīng)用。GPS系統(tǒng)利用精確的三維測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。實(shí)現(xiàn)精確的長(zhǎng)度測(cè)量是通過(guò)轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)量電磁波的傳播時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電磁波是一種高頻波，幾乎只沿直線傳播，當(dāng)遇到障礙物時(shí)就會(huì)反射回來(lái)，通過(guò)測(cè)量電磁波來(lái)回傳播的時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。但是，電磁波是以光速(c= 299792458m/s)傳播的，來(lái)回時(shí)間極短，一般的計(jì)時(shí)器是根本無(wú)法測(cè)出這么短的時(shí)間，要準(zhǔn)確測(cè)量就需要非常精確的計(jì)時(shí)裝置，而原子鐘是目前人類所能掌握的確的時(shí)鐘，自然被用作實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距的“尺子”。由此可以知道，GPS的定位精度很大程度上取決于所載原子鐘的性能。目前GPS在人們生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，性能指標(biāo)不斷提高的原子鐘不僅讓人們享受更好的服務(wù)，還有可能在未來(lái)的宇宙定位、太空探索中發(fā)揮重要作用。另外，原子鐘還廣泛應(yīng)用在通信、導(dǎo)航、電視、天文地理測(cè)量、精密儀器校準(zhǔn)等諸多領(lǐng)域。

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