原子钟概述

第2章原子钟概述
2.1原子钟的定义
原子钟，是一种利用原子、分子能级差为基准信号来校准晶体振荡器或激光器频率，以使其输出标准频率信号的一种装置。

它利用原子能级跃迁产生的光信号，通过光电转化、信号处理后获得用来修正晶振或激光器频率的负反馈纠偏信号，使其输出稳恒振荡频率，这种输出频率可以用来精确计量时间。

根据采用的原子种类和技术手段的不同，原子钟可以分为很多种。

因为特定原子能级之间的能极差是很稳定的，所以原子钟的准确度很高，可以达到千万年仅差一秒或者更高的水平。

2.2原子钟的发展历程
在原子钟出现以前，最准确的计时工具是以晶体振荡器为代表的电子钟表和挂钟为代表的机械力学钟表，它们几乎可以满足人们的如常生活需要，但是在对计时准确度要求较高的科研或生产领域还是不能满足要求。

原子钟的发展，最早可以追溯到1938年，美国哥伦比亚大学的拉比（Rabi）和他的学生发明了分子束磁共振技术。

他们用磁共振技术观察到了原子超精细能级间的跃迁，指出当一束原子通过一个振动的电磁场时，电磁场的振动频率越接近超精细能级间的跃迁频率，原子从电磁场吸收的能量就会越多，从而使更多原子跃迁。

他们由此提出应用反馈回路可以调节电磁场的振动频率，直到所有原子都可以跃迁。

这就是实现原子钟的基本理论基础。

通过使电磁场振动频率与原子精细能级跃迁频率共振，用电磁场的共振频率调节晶体振荡器的频率，就能使晶振频率严格跟随电磁场振动频率，实现频率输出的准确性和稳定性。

再通过相应的控制、调节系统，就能使晶振输出准确、稳恒的振动频率，用这个频率为基准，就可以实现精确时。

1949年，在美国诞生了以氨分子为样品的世界上第一台原子钟，其输出频率为23.8GHz。

与当时最精确的石英钟相比，它已经相当精确了。

但是它由众多器件构成，体型巨大，对于大应用领域来说，实用性不强。

1955年，在英国国
家物理实验室建成了第一台铯原子钟。

1960年，拉姆齐(N．Ramsey)等人成功研制出第一台氢原子钟，通常人们把它叫做氢微波激射器（H maser）。

随着原子钟技术的发展和成熟，原子钟的输出频率信号的准确性、稳定性和复现性等指标不断提高，原子钟计时也越来越精确。

在1967年的第十三届国际计量大会上通过了以铯原子为基础的时间基本单位——原子秒的定义，即1原子秒等于133Cs 原子基态两个超精细能级间辐射频率的9192631770倍。

此后，原子钟技术不断发展，原子钟的巨大发展潜力和应用价值吸引了很多国家和组织的关注，原子钟的发展也进入了一个新的阶段。

1999年，美国国家标准与技术研究所的NIST-F1投入使用，其频率稳定度为1.7×10-15，相当于约2000万年只偏差1秒，在当时，成为有史以来最精确的计时工具，而现在的原子钟可以达到更高的标准。

我国的原子钟研究始于20世纪五十年代，目前中国科学院武汉物理与数学研究所、中科院上海天文台、中科院上海光机所、北京大学、中国计量研究院、上海计量研究所等单位都开展了原子钟的相关研究，有些已经实现了商品化。

美国的主要研究单位是美国国家标准与技术研究所，另外还有一些知名大学也有相关的研究项目。

除此以外，德国、法国、意大利、加拿大、日本等国也有住专门的机构进行原子钟研究[1]。

2.3原子钟的分类
随着物理学技术的发展，特别是与原子钟技术有关的原子、分子和光学物理方面的进步，极大地促进了原子钟技术的发展，人们研制出了不同种类的原子钟。

现代原子钟所采用的许多技术都与脉泽、激光以及后来的激光光谱学新领域的发展密不可分。

这些技术的发展导致原子和离子的激光冷却和囚禁技术的产生[2]，很多新型原子钟也应运而生。

2.3.1冷原子喷泉钟
冷原子喷泉钟主要有铯原子喷泉钟和铷原子喷泉钟两种，它们的工作原理相同，结构也大同小异[2]。

喷泉原子钟工作时，冷原子云在电磁场以及重力的作用下沿喷泉管上下运动，以完成原子能级变化的检测，就像喷泉一样，所以取了一
个形象的名字—喷泉钟。

图1 原子喷泉的原理图[2]
2.3.2 离子阱微波原子钟
离子阱微波原子钟通过把作为工作物质的原子离子在特定构型电极上的静电、磁场或射频场构成的离子阱的作用下约束在超高真空的甚小尺度范围内，再利用离子跃迁产生的鉴频信号把实用频标信号锁定在频率稳定度高、谱线值高的的离子跃迁谱线上，从而实现频率锁定。

由于离子处于几乎不受外界干扰的环境下，在外界参数十分稳定时，离子与探测场的作用时间很长，因此离子阱微波原子钟比传统的原子钟具有更好的性能[2]。

2.3.3原子光钟
原子光钟是一种作为参考标准的原子能级跃迁频率处于光频波段的原子钟。

原子光钟的工作原理与微波原子钟相似，除了跃迁频段不同之外，其频率发生器是稳频激光器而不是微波原子钟的晶体振荡器[2]。

原子光钟用稳频激光器的脉冲去探测被激光冷却的工作物质（原子或离子），
激励被冷却的工作物质发生跃迁，使用一个声光调制器（AOM）调节探测激光的频率，使它接近原子的共振频率，跃迁信息通过光电倍增管来检测，以原子跃迁产生的信号作为参考信号，并通过声光调制器和伺服系统调制探测激光的频率，使其锁定到原子的共振中心频率。

因为光频率比微波频率高大约5个量级，激光冷却可以把元素样品冷却到μK量级的低温，从而使谱线具有很高的Q值，所以原子光钟可以达到很高的准确度和稳定度，频率稳定度可以达到10-17甚至10-18量级[2]。

2.3.4相干布居囚禁（CPT）原子钟
1976年发现了CPT(coherent population trapping)现象, 随后出现了完整的理
论分析。

CPT 的本质, 是激光场可以使具有特定构型的原子能级之间产生相干
耦合, 在基态两个能态之间形成CPT,从而实现无反转光放大或电磁诱导透明[1]。

用两束相干的激光激励碱金属蒸汽腔中的原子，当两束激光的频率差值等于碱金属基态的超精细能级差，并满足共振条件时，激光与碱金属超精细能级共振，呈现电磁诱导透明现象。

利用电磁诱导透明信号，并经过电路处理后就可以用来锁定本机振荡器，从而实现原子钟系统[3]。

2.3.5脉冲光抽运（POP）铷原子钟
由于光频移和光检噪声的存在，传统的铷原子钟和CPT型铷原子钟频率稳定性和准确度性能指标并不高，这些因素成为了提高铷原子钟性能的瓶颈[2]。

造成这种情况的原因是在铷原子钟工作时，态选择光抽运、微波共振和钟跃迁同时存在而相互干扰。

脉冲光抽运的基本思想是把这三个过程在时序上分离，使原子与微波场相互作用时没有光抽运的存在，原子处于一个纯二能级系统。

这样就可以消除光频移，提高铷原子钟的中长期稳定性[2]。

2.3.6 积分球冷原子钟
将低于原子共振频率的激光注入高反射率的积分球中，利用球的漫反射的红移激光，把原子囚禁和冷却在球(微波腔)的中心，然后对原子进行微波激励。

由于原子运动产生的多普勒频移使原子吸收的能量总大于自发辐射的能量，因此原
子受自发辐射力的作用，速度减慢而被冷却，从而获得更窄的谱线[4,5]。

分析表明，积分球冷却比六束激光的光学粘胶冷却更有效，可以捕获速度更宽的原子，俘获更多的超冷原子[2]。

积分球冷可以做到全光冷却，不需要磁光阱俘获冷原子时所需的大磁场，所以功耗很低。

另外积分球冷却效率高，不受积分球几何形状的限制，还可以把积分球同时作为谐振腔，所以积分球冷原子钟具有体积小、重量轻、结构简单等优点，适合作为星载原子钟，应用于导航定位系统，具有很大的应用前景[2]。

除了上述几类原子钟外，还可以按照不同的分类标准分类原子钟。

原子钟的工作物质主要有原子、分子以及离子，实现跃迁信号锁定的物理方法主要有相干布居囚禁（CPT）、脉冲光抽运（POP）、原子喷泉、连续光抽运、Ramsey干涉和微波腔共振等，钟跃迁频率主要在微波段和光频段，在上文中的论述中主要是根据原子钟实现原理的区别加以分类说明。

2.4原子钟的应用
频率标准的发展对于一个国家的经济、科学与技术、国防与社会安全有着相当的重要意义，由于制造、交通运输、通讯和信息技术的不断飞速发展，时间和频率测量的准确度和精确度也越来越高。

导航、定位、测地学、天文观测、网络授时和同步都需要高稳定度和准确度的频率标准[6]。

原子钟作为一种高精度的计时仪器,目前已经应用在了人类活动的很多领域，在工作和生产中发挥着巨大的作用。

作为一种高精度的计时装置，原子钟最重要的应用当然是高准确度的时间计量服务。

在我国，人们通常根据重要电视台播报的时间来校准自己的时钟，而校准这一时间的时钟就是铯原子钟。

由于铯原子钟准确度较高，可以达到几千万年只差一秒或者更高的程度，因此被广泛地用作基准时钟。

我们每天从电视、广播或者网络等得到的报时服务，就是原子钟这一应用的最大体现。

而据英国《每日电讯报》的报道，美国研究人员已经制造出了最守时的原子钟，其精度高达3亿年内只差一秒，是目前最精确的原子钟，可用于调整国际时区以及卫星系统。

除了做时间基准外，原子钟最重要的工程应用是在全球定位系统（GPS）上的应用。

GPS系统利用精确的三维测距来实现定位。

实现精确的长度测量是通过
转变为测量电磁波的传播时间来实现的。

电磁波是一种高频波，几乎只沿直线传播，当遇到障碍物时就会反射回来，通过测量电磁波来回传播的时间就可以实现距离的测量。

但是，电磁波是以光速(c= 299792458m/s)传播的，来回时间极短，一般的计时器是根本无法测出这么短的时间，要准确测量就需要非常精确的计时装置，而原子钟是目前人类所能掌握的最精确的时钟，自然被用作实现精确测距的“尺子”。

由此可以知道，GPS的定位精度很大程度上取决于所载原子钟的性能。

目前GPS在人们生产和生活中的应用越来越普遍，性能指标不断提高的原子钟不仅让人们享受更好的服务，还有可能在未来的宇宙定位、太空探索中发挥重要作用。

另外，原子钟还广泛应用在通信、导航、电视、天文地理测量、精密仪器校准等诸多领域[7]。

高精度的原子钟还是基础研究中的利器。

人们可以借助它完成对广义相对论的验证、特殊参考系的研究、物质与反物质的对称性以及量子力学理论的验证等工作[7]。

在2003—2004年期间。

NIST、PTB、BNM—SYRTE以及德国马克思—普朗克研究所(MPQ)等几个研究单位先后利用其高精度、高稳定度的原子钟，从实验上验证了精细结构常数α随时间的变化每年小于10-15量级，从而证明量子力学在这一时间尺度是正确的[7]。

此外，不断改进的原子钟给原子分子波谱学带来了翻天覆地的变化。

由于原子分子的结构极其复杂，即使是用当今最快的计算机来从理论上分析一个小小的原子或分子的能级结构,也需要几千年甚至更长的时间。

利用原子钟通过实验的手段来分析原子分子结构则可以达到比理论计算高出几个数量级的精度[7]。

除此之外，在研究宇宙的形成以及星系的分布时，原子钟也是一种有效的工具。

随着科学技术的发展，原子钟被应用到越来越多的领域，除了一些传统的应用外，微型化、高精度的原子钟可以用于计算机芯片、商用手持终端等领域，在今后数码产品的发展以及进步中有着广阔的应用前景。

2.5原子钟性能指标
原子钟输出频率的性能可以用输出频率信号的准确性、稳定性和复现性等来衡量。

2.5..1频率准确度
频率信号的准确度指某一台实际的原子钟输出信号与公认的标准信号的频率差异的不确定程度。

得到这一参数有两种方法，一种是制作两台以上采用相同原理和结构的原子钟，通过比较它们的输出频率间的差别，采用不确定度表征，从实验上获得。

另一种是考察制作原子钟的每一个环节，根据原理和技术误差从理论上计算得到这一参数。

把这两种方法结合起来，用实验结果修正理论计算，可以获得更准确的结果[7]。

2.5.2 频率稳定度
频率稳定度是指输出频率随时间的变化程度，长时间的缓慢变化称为频率的长期频率稳定度，短时间内的变化称为短期频率稳定度。

短期的频率变化主要是由原子钟内部的各种噪声引起的[7]。

需要说明的是长期与短期频率稳定度并没有严格的界限。

通常把长时间连续工作时输出频率的缓慢漂移称为长期稳定性，而在一个小时内取样频率的变化称为短期稳定度。

工作频率的高低对短期稳定性有很大的影响，工作频率越高，获得的电磁信号线宽越窄，相应的信噪比越高，短期稳定度越好。

一个典型的例子就是原子光钟的短期稳定度要明显优于微波原子钟。

2.5.3 频率复现性
频率复现性反映同类原子钟或同一台原子钟多次开机或者多次独立调节时输出频率的一致性[7]。

频率复现性的数值主要是根据多次开机或者调节得到的相对频率差值的标准方差或者最大相对差值来计算。

除了衡量原子钟输出频率的性能的三个指标外，原子钟的体积、功耗以及对工作环境的适应性等因素也会成为制约原子钟应用的因素。

对原子钟性能的不同要求直接导致了原子中的不同发展方向，例如，以光钟为代表的发展方向，不断向高准确度和稳定度迈进，以实现更精确的时间计量，而以CPT原子钟为代表的发展方向，不断向芯片级、集成化的小型化方向发展，以实现原子钟的便携化应用。