实用文档之原子钟的几种常见类型
铯原子钟知识
铯原子钟所有时钟的构造都包括两大部分：能够按照固定周期走动的装置，如钟摆；还有一些计算、累加和显示时间流失的装置，如驱动时钟指针的齿轮。
大约50年前首次研制出的原子钟增加了第三部分，即以特定的频率对光和电磁辐射作出反应的原子，这些原子用来控制“钟摆”。
目前最高级的原子钟，就是利用106个液态金属铯原子对微波辐射产生共振效应来控制时针的走动。
这样的时针每秒约走动1011次，时钟指针走动得越快，时钟计算的时间也就越精确。
每一种原子都有自己的特征振动频率。
人们最熟悉的振动频率现象，就是当食盐被喷洒到火焰上时，食盐中的元素钠所发出的橘红色的光。
一个原子可以具有多种特征振动频率，可能位于无线电波波段、可见光波段，或介于其中。
铯－133则被普遍地选用作原子钟。
将铯原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。
通常是采用锁定晶体震荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。
这一信号处于无线电的微波频谱范围内，并恰巧与广播卫星的发射频率相似，因此工程师们对制造这一频谱的仪器十分在行。
秒的定义随着精确测量时间的工具不断改进推出，人们自然会怀疑时间单位本身的精确性。
时间量测单位在数学方面定义的很清楚，一秒是1/60分钟，一分钟是1/60小时，亦即一小时是1/24天，一秒等于一天的1/86400。
但事实上，因为地球在运行之速度及距离太阳的改变，一个太阳日—由正午至正午的一段时间，并非都一样长。
公元1960年以前，CIPM （世界度量衡标准会议）以地球自转为基础，定义以平均太阳日之86400分之一作为秒定义。
即1秒＝1/86400平均太阳日。
然而地球自转并不稳定，会因其它星体引力的牵引而改变。
公元1960～1967年CIPM改以地球公转为基础，定义公元1900年为平均太阳年。
秒定义更改为：一秒为平均太阳年之31556925.9747分之一。
公元1967年举行的第十三届国际计量大会 (General Conference on Weights and Measures) 选择以铯原子的跃迁做为秒的新定义，即铯原子同位素Cs133基态超精细能阶跃迁9,192,631,770个周期所经历的时间，定为1秒（称作「原子秒」），秒的新定义使计时方式进入了原子的时代，此定义一直维持至今。
原子钟——精选推荐
原⼦钟利⽤原⼦的⼀定共振频率⽽制造的精确度⾮常⾼的计时仪器。
是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，也是国际时间和频率转换的基准，⽤来控制电视⼴播和全球定位系统。
现在⽤在原⼦钟⾥的元素有氢、铯、铷等，最好的铯原⼦钟精度可以达到每500万年相差1秒。
现在的世界标准时间，即是由原⼦钟报时的协调世界时。
环球⽹：由于格林尼治标准时间跟不上计算机时代的发展，今后⼈们可能将以原⼦钟标准时间为准。
原⼦钟以原⼦共振频率标准来计算及保持时间的准确，是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，也是国际时间和频率转换的基准，⽤来控制电视⼴播和全球定位系统卫星的讯号。
原⼦钟⾥的元素有氢、铯(sè)、铷(rú)等。
最好的铯原⼦钟精度可以达到每500万年相差1秒。
这为天⽂、航海、宇宙航⾏提供了强有⼒的保障。
[1]原⼦钟直到20世纪20年代，最精确的时钟还是依赖于钟摆的有规则摆动。
取代它们的更为精确的时钟是基于⽯英晶体有规则振动⽽制造的，这种时钟的误差每天不⼤于千分之⼀秒。
即使如此精确，但它仍不能满⾜科学家们研究爱因斯坦引⼒论的需要。
根据爱因斯坦的理论，在引⼒场内，空间和时间都会弯曲。
因此，在珠穆朗玛峰顶部的⼀个时钟，⽐海平⾯处完全相同的⼀个时钟平均每天快三千万分之⼀秒。
所以精确测定时间的唯⼀办法只能是通过原⼦本⾝的微⼩振动来控制计时钟。
[2]1945年，哥伦⽐亚⼤学物理教授Isidor Rabi建议采⽤他在⼆⼗世纪三⼗年代开发的原⼦束磁共振法制造时钟。
1949年，国家标准局（NBS，现称美国国家标准技术协会，简称NIST）宣告开发了全球第⼀台将氨分⼦⽤做振荡源的原⼦钟；1952年，该机构宣告开发了第⼀台将铯原⼦⽤做振荡源的原⼦钟，即NBS-1。
1955年，英国国家物理实验室制造出了第⼀台可⽤做振荡源的铯束原⼦钟。
在其后的⼗年中，越来越多的先进时钟相继问世。
1967年，第13届度量衡⼤会在铯原⼦振荡技术的基础上制定了SI秒，从此，全球的计时系统不再以天⽂学技术为基础。
芯片原子钟
芯片原子钟原子钟是一种精确计时设备，它使用原子物理中的稳定振荡现象来测量时间。
芯片原子钟是一种小型化的原子钟，它将原子钟技术集成到芯片上，具有小巧、低功耗和高稳定性的特点。
下面将对芯片原子钟进行详细介绍。
芯片原子钟采用的基本原理是原子的振荡频率非常稳定。
在原子钟中，常用的振荡器是铯原子或针对铯原子进行调整的型号。
铯原子钟的原理如下：首先，铯原子被加热，使其蒸发成铯原子蒸气。
然后，这些原子通过激光束被囚禁在一个封闭的腔体内。
在腔体内，激光束与铯原子发生共振，使铯原子产生受激辐射。
之后，将受激辐射的频率通过一个稳定的振荡器转化为电信号，并进行计数和测量，从而得到非常准确的时间。
芯片原子钟是将原子钟的核心部分——振荡器集成到芯片上。
它的精确度通常在数纳秒到毫秒之间，比传统的石英晶体振荡器要高出几个数量级。
此外，芯片原子钟具有非常低的功耗，通常只需几十微瓦，可以极大地延长电池的寿命。
由于芯片原子钟的小型化和低功耗特性，它被广泛应用于移动设备、导航系统和数据中心等领域。
在移动设备中，芯片原子钟可以提供非常准确的时间信息，以便实现精确的定位和时间同步。
在导航系统中，芯片原子钟可以提供高精度的时间和位置信息，提高导航定位的准确性。
在数据中心中，芯片原子钟可以用于同步多台服务器的时间，保证数据的一致性和准确性。
然而，芯片原子钟也存在一些挑战和限制。
首先，腔体的封闭性和激光束的稳定性对芯片原子钟的精确度和稳定性有很大影响，需要采取一些措施来解决。
其次，芯片原子钟的制造和集成是一项技术难题，需要掌握核心的集成技术和原子物理知识。
最后，芯片原子钟的成本较高，需要一定的投资才能实现商业化应用。
总的来说，芯片原子钟是一种集成了原子钟技术的小型化设备，具有小巧、低功耗和高稳定性的特点。
它的应用范围广泛，可以提供准确的时间和位置信息。
虽然还存在一些挑战和限制，但随着技术的进步和成本的下降，芯片原子钟有望在更多的领域得到推广和应用。
原子钟
王治樊 乔梁
01 • 原子钟的工作原理
• 原子钟发展历史
02
原子钟的工作原理
• 综合原子综系合统时原组系子成时统的定（义及拓展） 03
综合原子时的归算
原子钟以原子共振频 率标准来计算及保持
时间的准确。
原子钟里的
元素有氢、铯、 铷等。
尽管市面上有形形色色的各种原子钟，但这些
原子钟的原 理都是相同的，其主要差别在于使 用的元素，以及能级变化时间的检测方式。
第一阶段： 由铯原子组成的气体，被
引入到时钟的真空室中，用6 束相互垂直的红外线激光
（黄线）照射铯原子气，使之 相互靠近而呈球状，同时激光
减慢了原子的运动速度并将 其冷却到接近绝对零度。此 时的铯原子气呈现圆球状气 体云。
综合原子时数据库不仅包
括了国内各守时实验室的主钟和其
它艳钟、氢钟、铆钟的比对结 果, 包括了长波、电视、微波 和卫星等多种同步技术的比对结
果, 还包括了国外主要守时中心, 如
美国海军天文台, 日本东京天文 台、日本电波研究所、巴黎天文 台、加拿大国家研究委员会等的
测量结果。
远距离同步
内部比对
综合原子时数据库Байду номын сангаас
预处理系统
M O W A 算法
协调补偿
原子时
协调时
综合原子时公报
综合原子时系统组成：
综合原子时预处理系统是一
种拟处理方式的设计, 能够成批计算大 量各实验室的原子钟的有关性能参数,
有效地处理原子钟中时有发生的相位 和频率的阶跃问题, 自动解决数据处 理中出现的满刻度、过零和软盘 转换等问题. 特别是该系统实现了电 视比对结果的自动补偿, 克服了错帧、 错场、错行或错用均衡脉冲等问
原子钟的几种常见类型
原子钟得几种常见类型摘要本文按出现得时间顺序介绍几种常用原子钟(光谱灯抽运铷原子钟、光谱灯抽运铯原子钟、磁选态铯原子束钟、激光抽运铯原子束钟、激光冷却冷原子喷泉钟、积分球冷却原子钟)得基本原理。
原子钟就是利用原子或分子得能级跃迁得辐射频率来锁定外接振荡器频率得频率测量标准装置得俗称,通称为量子频率标准或原子频标。
其工作原理可用图1来描述：图1一个受控得标准频率发生器产生得信号经过倍频与频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率得信号,激励原子产生吸收或受激发射得频率响应信号，呈共振曲线形状,称为原子谱线,其中心频率即原子跃迁频率为,线宽为Δν。
若经过转换得受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出得响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率,直到使其与原子频率符合为止。
这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上,从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率得目得。
光谱灯抽运铷原子钟光抽运汽室频标用碱金属原子基态两个超精细结构能级之间跃迁得辐射频率作为标准频率,它处在微波波段。
在磁场中,这两个能级都有塞曼分裂,作为标准频率得跃迁就是其中两个磁子能级=０之间得跃迁,它受磁场影响最小。
若用合适频率单色光照射原子系统,使基态一个超精细能级上得原子被共振激发,而自发辐射回到基态时可能落到所有能级,原子就会集中到一个基态能级，极大地偏离玻尔兹曼分布,这就就是光抽运效应。
这里选择抽运光起着关键作用。
在2０世纪60年代初,激光器刚发明尚无法利用,唯一可用得共振光源就是光谱灯。
一般光谱灯就是由同类原子发光，它得光谱成分能使基态两个超精细能级上得原子都被激发,因而不能有效地实现选择吸收,起到光抽运作用。
幸好对铷原子,可以有一个巧妙得办法。
铷原子有两种稳定同位素:与，其丰度分别为72、2%与27、8%。
它们各有能级间距为3036MＨz与6835MＨz 得两个超精细能级,其共振光得频率分布如图2所示。
这里Ａ，B线为所产生,a，ｂ线属于原子。
原子钟的原理应用有哪些
原子钟的原理应用有哪些原子钟的原理原子钟是利用原子内部的电子转跃来测量时间的高精度时钟。
它基于原子的稳定性和精确的振荡频率来实现时间的准确测量。
常见的原子钟主要是以原子内部的电子转跃为基础的。
原子的稳定性原子钟中使用的原子通常是铯（Cesium）或铷（Rubidium），因为这两种元素的原子非常稳定。
原子钟中通常使用铯-133的同位素或铷-87的同位素。
电子转跃原子钟的工作原理基于原子内部的电子从低能级跃迁到高能级的过程。
电子转跃是原子内部的能量变化，对应着原子获得或失去能量的过程。
这种转跃是具有确定的能级差的，因此可以用时间来描述。
原子内部振荡频率的测量原子钟利用原子内部振荡频率的稳定性来测量时间。
原子在特定能级转跃过程中会发射或吸收特定频率的辐射。
原子钟通过测量辐射频率的稳定性来确定精确的时间。
原子钟的应用原子钟已经广泛应用于各个领域，具有重要的意义。
下面列举了几个原子钟的主要应用：•精确时间测量：原子钟可以提供非常高精度的时间测量。
它被广泛用于科学研究、航天航空、导航系统等领域，确保时间的准确性。
•全球定位系统（GPS）：原子钟作为GPS系统的核心组件之一，用于测量卫星和地面定位站之间的微小时间差。
通过计算这些时间差，可以准确确定接收机的位置。
•时频传输：原子钟的高精度时间信号可以用于时频传输。
它被广泛应用于电信、金融、能源等领域，确保数据传输的准确性。
•科学研究：原子钟在科学研究中扮演着重要角色。
比如，在物理学研究中，原子钟被用来验证相对论、研究引力波等重要课题。
•防御和安全：原子钟在防御和安全领域有重要应用。
它被用于导弹发射系统、核电站控制、网络安全等领域，确保系统的稳定和安全。
•天体测量：原子钟可以提供精确的时间信号，用于测量地球和天体之间的微小差异。
它对于天体物理学研究和星际导航有着重要的作用。
•原子钟的进一步发展：随着科学技术的不断发展，原子钟也在不断进化。
目前，一些实验室已经实现了更高精度的原子钟，其应用前景更加广阔。
原子钟
/AMuseum/time/index.htmlNPL：铯：计时技术小史文/Justin Rowlatt铯中心：位于科罗拉多州的信号中继站，原子钟时间信号从这里传到美国的千家万户。
作为一个化学元素，铯实际上已经重新对时间进行了定义。
自小时候到现在，在各种场合你都被告知准时很重要。
现在，有了铯原子，全世界各个地方的时间都能保持准确，准确到让我们感到需要重新思考时间是什么。
而且我们发现计时技术中存在一个奇怪的缺陷。
事实上是在近些年来人们才意识到准确及时的重要性。
并不是我们的祖先不需要知道时间，他们当然需要。
几千年来，人类制造出多种多样精致的仪器来衡量时间的流逝。
但事实是直到175年前，在那之前的几千年里，人们对于时间的定义来源都是太阳。
不管走到哪里，你总能认出什么时候是正午。
晴天里只要看一眼天空或者看一下日晷，你就能知道时间。
这一切随着世界上第一条铁路线的开通而改变了，这第一条铁路就在这里，在我们英国。
在那之后人们都知道伦敦的正午比布里斯托（Bristol）的正午早10分钟，这是一个精确的值，它是阳光走过两座城市之间的经度差所需要的时间。
计时系统出现错误导致的将不只是乘客会误车。
由于计时偏差导致的危险事件甚至火车事故越来越多。
1840年11月，英国西部铁路公司（Great Western Railway）解决了这一问题，他们使用了一个叫“铁路时间”（Railway Time）的计时系统。
系统内所有城市的时间都是伦敦时间，这是第一次人们根据一个标准将不同地点的时间同步起来。
此举引起了很大争议。
突然间，皇家格林尼治天文台（Royal Observatory）就可以从遥远的格林尼治控制你的时间系统。
埃克赛特大学的校长拒绝将学校大教堂的时钟调整至英国西部铁路公司所要求的时间。
布里斯托采用了一个折中的方案：时钟上有两个分针，一个显示当地时间，一个显示“铁路时间”。
这座钟位于布里斯托，钟上仍旧有两根分针，两者表示的时间相差十分钟然而“铁路时间”逐渐成为了英国很多地方的时间标准，而且在世界上其他后来修建铁路的地区大多数都采用了“铁路时间”的标准。
原子钟电子跃迁
原子钟电子跃迁
1 原子钟介绍
原子钟是一种以原子为本源的高精度的时间和频率度量标准，它使用了原子跃迁的原理，目前最普遍的原子钟为原子钟的电子跃迁。
以微米为计量单位的准确度，可用来作为时间的标准来进行测量。
它是利用量子力学规律控制质子和电子之间的状态转变，所吸收或释放的光，从而确定能量状态转变的特定频率，从而实现定义标准时间的用途。
2 电子跃迁原理
电子跃迁原理是指原子中电子从能级n跃迁到能级m所释放或吸收的光，其中电子能级通常指在原子核内旋转的电子，而跃迁到更高能级所释放出的光，称为原子钟电子跃迁，因此，电子跃迁的频率就是原子钟的频率，而根据它所释放的光的波长，可以精确度量时间。
3 原子钟的特点
原子钟的优势之一就在于其精度更高，能够高达几十毫微秒的精度，从而可以准确的用来进行时间的测量。
其具有低温贮存、低耗电等优点，更重要的是，和其他钟表相比，它在长时间运行后可以保持较高的精度，且拥有良好的稳定性，即使在极端环境中也能精确表示时间。
4 原子钟应用
由于原子钟具有准确性高、稳定性好的特点，以及低耗电的等优点，目前已经被广泛应用于科研、军事和日常生活中。
比如，电视节目制作会使用原子钟进行节目时间的确定，可以实现更准确的时钟；军事领域也可以使用原子钟进行战术定位；在科学研究上，原子钟也有着广泛的应用，可以用于量子计算、精确测量物理实验和GPS定位等多个领域。
5 结论
通过以上介绍，可以清楚的知道，原子钟具有精准度高、稳定性好的优势，且低耗电等特点使其受到广泛应用，它的准确度可以达到几十毫微秒，是一种极其精确的时间标准。
同时，由于准确性高，原子钟也被应用在军事领域，可以实现准确的战术定位等，也在科学研究中有重要作用。
原子钟在导航星和空间站的应用(精)
时间子钟结构愈益紧凑,性能水平也有很大的提高。它们各有长处、互相补充。在结构方面,铷钟最小,其最小体积已达0125L (约相当于6cm见方,铯钟和氢钟次之(1～2个标准机箱大小,体积约25L～50L ;在频率稳定度方面,氢钟最好;而在长期频率稳定度和准确度方面,则以铯钟最佳。
-16
各阶段星载钟的性能水平,如图3所示。和1×10的准确度(相当于走时三亿年不差一秒,计
划于2004年以前把它们送上国际空间站,用作新一代空间频率基准,如图4所示。
图3三、继前苏联的和平号空间站之后(它在太空遨游15
年后于2001年2月报废坠入大海,由美国、俄罗斯、加图4国际空间站计划搭载的新一代频率基准拿大、日本和欧洲合作开发的国际空间站(ISS是迄今最预期该钟组及其传递手段将使时标比对和频率比
我国发射北斗1号导航星和神舟1号宇宙飞船以来,自主开发星载原子钟的任务显得更加紧迫。鉴于星
高了一个数量级。科学家设想,如果让冷原子钟在微重载钟属于原子钟的顶尖级应用,它的开发和研制需要相力场中运行,原子与微波场相互作用时间的延长几乎不关基础研究的支持,产品也要一代一代更新,不懈的努再受限制,钟的性能相应又有一个量级的提高。现在,由力将是获得成功的关键
控制
原子标准
分频计时
频率信号
用户和国外一般用户只能应用粗码接收机得到准确度较低的导航定位信息,在导航星上还配置了进一步降低粗码定位的装置,并在海湾战争后开始启用。该政策的目的是降低他国将G PS信息用于与美国相竞争的高科技研究和军事工程的性能,甚至阻止他们应用。
G PS系统由空间部分、地面测控部分和用户设备三
3亿年误差一秒,超级钟,光学原子钟
铯原子钟又称喷泉钟，因其工作过程如喷泉而得名。
当一种包含微波辐射的振荡器对
真空室中的铯原子作用时，其温度会冷却到绝对零度，原子会像喷泉一样上下振动，以此
计时。
而全光学原子钟则是依靠一种锶原子激光束使其振荡计时。
蝌蚪说，激光束的振动比微波辐射快很多，在某种程度上来说我们把时间分成了更小
的时间间隔，这样我们可以更加精确地衡量时间。
更为重要的是，他比铯原子钟更加稳定。
在这方面取得的进步已经应用到了现代的科技系统中，比如手机以及GPS信号的快
速接收。
这意味着我们将会更加有效的使用资源。
原子钟最新科技新闻
铯原子钟被长期国际度量衡委员会作为精确的标准计时工具，而现在一种新型的基于
激光技术的全光学原子钟，其精确度能达到每3亿年误差一秒，是铯原子钟的3倍。
这种
新技术的诞生让人们重新定义时间。
(转自蝌蚪网编辑:蝌蚪网)。
原子钟的几种常见类型
光谱灯发出的共振光经透镜聚焦后，通过置于谐振腔内的汽室被吸收，并在光电检测器上得到一定电平的光电信号。这相当于光抽运下原子在两个基态超精细能级上建立稳态分布时的信号，当谐振腔内电磁场频率与超精细跃迁相符时，原子在两个超精细能级之间发生跃迁，打破了原有的原子在能级上的平衡分布，又会发生新的光吸收，产生跃迁的光检测信号，即原子钟信号。
冷原子喷泉钟的基本想法如图7所示，搭建一个竖立的真空装置，真空中充
有工作介质(铷或铯)的饱和蒸汽，利用激光俘获原子并将其冷却，将原子上抛。原子在上抛和下落的过程中只受到重力作用，它两次穿过微波腔，与时间上的分离振荡场作用，产生钟跃迁，然后探测不同能级的原子。最后获得与Ramsey钟跃迁相应的荧光信号。这样极大减小了传统结构中两个振荡场不同所造成的相位频飘而且两次与微波振荡场作用时的速度等值反向，消除了一阶多普勒频移。[2]图7
积分球冷却原子钟积分球冷却原子钟的基本思想是把原子钟的所有相互作用(原子冷却、原子制备、微波探测和检测)都在同一地方发生，应用时序将各个阶段的作用分开。从而该钟可以减小到几升的体积。
积分球冷却原子钟的物理部分是由激光焊接的钛材做成，真空室由2L/s的离子泵维持在9* mPa。外面罩两层磁屏蔽。
为了满足冷却过程的需要，球形紫铜腔须光学抛光到λ/14的精度以便储存激光和产生各向同性的光场以供捕获和冷却原子用。同时，这个微波腔调谐在9。192GHz 模式，用于激励“钟”跃迁。微波腔内有一Cs原子储存泡，保持真空度在 乇。含泡腔的Q=3000。
图1
一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率的信号，激励原子产生吸收或受激发射的频率响应信号，呈共振曲线形状，称为原子谱线，其中心频率即原子跃迁频率为 ，线宽为Δν。若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率，直到使其与原子频率符合为止。这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上，从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的。
原子钟的发展及其应用浅析
原子钟的发展及其应用浅析摘要：原子钟作为精密的时间测量仪器，在科学研究和技术方面广阔的应用空间。
经过进百年的发展，原子钟的精度、稳定性、尺寸和使用成本相比于刚发明时有了很大的提高，并且已经被应用于科研和生产生活方方面面。
本文主要介绍了原子钟的工作原理，几种应用较广的原子钟类型以及原子钟的应用，并提出了一些原子钟有待改进的问题。
关键字：原子钟超精细能级激光 GPS全球定位系统一、引言众所周知，时间的测量与国民经济、国防、科学实验乃至人民的生活密切相关。
在实验室等场合，人们对精密时间测量有很高的要求，但现在日常生活中常见的计时仪器如石英表、电子表等都无法很好地满足人们的需求，因此我们迫切需要一种精确计时仪器，随后便有了原子钟的发明。
最早的传统型原子钟由Isidor Rabi与他的学生在20世纪30年代发明，其主要原理是超精细能级跃迁。
尽管它最初本是由Isidor Rabi创造出来用于探索宇宙本质的，但其后有了许多应用。
经过半个多世纪的发展，传统型原子钟演变为多种类型的新一代原子钟，主要有冷原子喷泉钟、空间基准钟、气泡型冷原子钟以及CBT钟和光钟等。
同时，原子钟也获得愈来愈广泛的应用，重要性也更加显著：它被广泛应用于导航、信息等领域，例如如今已渗透到人们生活各个方面的GPS的主要控制部分就含有原子钟。
原子钟为远距离精确定位提供了基础。
在高科技研究方面，由于原子钟而能精确地获得时间数据，使得测量耗时短的物理过程成为可能，可以提高研究水平以及结果的准确性和可靠性。
本文以下部分将依次阐述原子钟的基本原理、原子钟的主要类型、原子钟在生活工业和科技方面的应用，以及其局限性和发展前景。
二、原子钟的原理目前所有种类的原子钟都是以超精细能级跃迁为基本原理设计的。
本段首先解释什么是超精细能级跃迁。
原子核外的电子只能在特定的、不同的轨道上运动，不同轨道上的电子有不同的能量，不同的能量值称之为能级。
核外电子能在不同的轨道上跃迁，使原子有不同的能量，即处于不同的能级。
原子钟基本原理及各类原子钟性能
1
原子跃迁频率
原子钟信号
理想的原子钟信号
实际信号
2
原子钟的特征参数
❖ 频率稳定度— 表征原子钟输出信号的频率值波动程度（时域，阿伦方差、 哈达玛方差）或频谱噪声大小（频域，相位噪声）
❖ 频率准确度— 表征原子钟输出信号的频率与标称的定义值（秒定义导出） 的符合程度
USNO43, India1, Brazil1, Mexico1,KRISS1 , NRC1, ON11 , ... 25台
11
光学频率原子钟
微波频率~1010Hz，光学频率~1015Hz
12
≤ 5×10-14/5d、1×10-14/5d
8
铯束原子钟
热铯原子束
原子速度 100m/s 、腔长 1m
T=10ms、 =50Hz
9
铯原子喷泉钟
10
国际第一台铯原子喷泉钟
LNE-SYRTE (FO1) ± 4×10-16 , 1.6×10-14τ -1/2 FO1-FO2: ±4.0×10-16, 5.4×10-14 τ -1/2, 2.2×10-16 (50 000 s)
115 mW, 16 cm3
➢ 小批量生产能力，支撑Micro-PNT、水下导航、
2E-10/s
Drift < 1E-10/month
数子通信等发展
5
铷原子钟
Symmetricom
TNT
星载铷钟
体积小、功耗小、易于小型化，最广泛使用的工程原子钟； 准确度：~±1E-11； 稳定度：2~3×10-12 τ-1/2 ，2~3×10-14/d；天漂≤8.2×10－14 存在光频移、信噪比低、寿命短等缺陷
原子钟的基本原理及应用
原子钟的基本原理及应用1.原子钟的概念原子钟，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.几种常见的原子钟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，很多新型原子钟也应运而生。
2.1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。
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。
2.2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。
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。
原子钟的精确值
原子钟的精确值
一、引言
原子钟是目前最精确的时间测量工具，其精确度高达每秒钟误差不到一秒。
本文将深入探讨原子钟的精确值。
二、什么是原子钟？
1. 原理：利用原子的振荡频率作为时间标准。
2. 原子钟分类：
（1）氢原子钟：利用氢原子的超精细结构线作为频率标准。
（2）铷原子钟：利用铷原子的基态与第二激发态之间跃迁所产生的微波辐射作为频率标准。
（3）铯原子钟：利用铯133同位素基态与第一激发态之间跃迁所产生的微波辐射作为频率标准。
三、如何保证原子钟的精确度？
1. 稳定性：保持温度稳定，避免外界干扰。
2. 精度：使用高质量的晶体管、电容器等元器件，以及高品质的电源和时钟信号。
3. 参考信号源：使用GPS等全球卫星导航系统提供参考信号源，以保证时间同步。
四、与其他时间测量工具相比，原子钟有何优势？
1. 精确度高：误差不到一秒。
2. 稳定性好：不受温度、压力等外界因素的影响。
3. 可追溯性强：时间标准由国家授权机构统一制定，可追溯到国际原子时。
五、原子钟在哪些领域应用广泛？
1. 通信领域：保证通信设备之间的时间同步。
2. 导航领域：提供精确的时间参考，以确定位置和速度。
3. 科学研究领域：提供高精度的时间标准，以研究宇宙演化、地球物理学等领域。
六、结论
原子钟是目前最精确的时间测量工具，其精确度高达每秒钟误差不到一秒。
为保证其精确度，需要保持稳定性、使用高品质元器件和参考信号源。
原子钟在通信、导航和科学研究等领域应用广泛。
时间系统——精选推荐
时间系统
1. 世界时：
以地球⾃转这⼀周期运动作为基础的时间尺度，1个平太阳⽇的1/86400为1秒。
2. 国际原⼦时（TAI）
原⼦时是⼀种以原⼦谐振信号周期为标准的时间系统，国际原⼦时根据全球约60个实验室的⼤约240台原⼦钟给出的数据统⼀处理得到国际时间标准；
起点：1958年1⽉1⽇0时0分0秒世界时。
3.协调世界时（UTC）
也是以原⼦谐振信号周期为基础的时间尺度；
世界时（地球⾃转）与原⼦时尺度有偏差，世界时每年⽐原⼦时⼤约慢1秒，为了尽量接近世界时，所以协调世界时需要闰秒。
4. GPS时（GPST）
时间尺度：原⼦谐振信号周期
起点：协调世界时1980年1⽉6⽇零时刻
开启后不闰秒
4. 北⽃时（BDT）
时间尺度：原⼦谐振信号周期
起点：协调世界时2006年1⽉1⽇零时刻
开启后不闰秒
注：由于1980年1⽉6⽇零时刻-2006年1⽉1⽇零时刻间协调世界时闰了14次秒，所以 BDT=GPST-14秒
5. GLONASS时
与协调世界时差3个⼩时，所以GLONASS时存在闰秒
6. Galileo时
起点：协调世界时1999年8⽉22⽇零时刻 。
原子钟的基本原理及应用
原子钟的基本原理及应用1.原子钟的概念原子钟，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.几种常见的原子钟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，很多新型原子钟也应运而生。
2.1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。
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。
2.2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。
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。
原子钟
随着变频调速技术的发展，变频器调速已成为交流调速的主流，在化纤、纺织、钢铁、机械、造纸等行业得到广泛的应用。
由于通用变频器一般采用V/f控制，即变压变频（VVVF）方式调速，因此，变频器在使用前正确地设定其压频比，对保证变频器的正常工作至关重要。
变频器的压频比由变频器的基准电压与基准频率两项功能参数的比值决定，即基准电压/基准频率=压频比。
基准电压与基准频率参数的设定，不仅与电动机的额定电压与额定频率有关（电机的压频比为电机的额定电压与额定频率之比），而且还必须考虑负载的机械特性。
对于普通异步电机在一般调速应用时，其基准电压与基准频率按出厂值设定（基准电压380V，基准频率50Hz），即满足使用要求。
但对于某些行业使用的较特殊的电机，就必须根据实际情况重新设定基准电压与基准频率的参数。
由于变频器使用说明书以及有关书籍中没有对这两个参数作详细介绍，因此正确的设定该参数对于不少使用者来说，并非很容易的事。
为此，本文结合变频调速的基本控制方式及负载的机械特性与基准电压、基准频率参数的关系，列举实例，详细说明基准电压与基准频率参数的设定方法。
原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。
由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。
现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(Russium)等。
原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。
铷原子钟将高稳定性铷振荡器与GPS高精度授时、测频及时间同步技术有机的结合在一起，使铷振荡器输出频率驯服同步于GPS卫星铯原子钟信号上，提高了频率信号的长期稳定性和准确度，能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准，是通信广电等部门替代铯钟的高性价比产品。
铷原子钟输出的1pps信号，是由铷振荡器频率信号分频得到的，并且同步于GPS输出的UT C时间，同时能够克服GPS接收机秒脉冲信号跳变带来的影响，是真正复现的“UTC时间基准”。
谈一下原子钟的原理和应用
谈一下原子钟的原理和应用1. 原子钟的原理原子钟是一种利用原子的稳定振荡频率来计量时间的装置。
原子钟原理基于原子的跃迁现象，其中最常用的是使用铯原子或氢原子来实现。
1.1 原子跃迁原子具有一组离散的能级，当原子从一个能级跃迁到另一个能级时，会发射或吸收电磁辐射。
这些跃迁过程具有非常稳定的频率，可以作为计量时间的参考。
1.2 原子钟的工作原理原子钟利用原子跃迁的稳定频率来计量时间。
基本上，原子钟包含一个原子样品和一个用于检测和计数原子跃迁的装置。
原子样品中的原子将受到高稳定性的微波或激光辐射，使得原子发生跃迁。
通过检测和计数发生的跃迁，可以精确地测量时间。
2. 原子钟的应用原子钟是一种极其精确的时间计量装置，其应用涉及多个领域。
2.1 导航系统原子钟在导航系统中起着重要的作用。
例如，全球定位系统（GPS）中的卫星使用原子钟来提供准确的时间信号，从而使GPS接收器能够确定位置和导航。
2.2 科学研究原子钟在科学研究中被广泛应用。
例如，精确的时间测量对于实验中心和核反应堆等项目的成功非常重要。
原子钟的高精度使得科学家能够更好地测量和验证理论。
2.3 通信原子钟在通信系统中起着重要的作用。
例如，时间信号的同步对于互联网和电信网络的正常运行至关重要。
原子钟的高精度能够确保通信系统间的时间同步，从而提高数据传输的准确性和可靠性。
2.4 天文观测原子钟在天文观测中是不可或缺的。
宇宙中的距离和事件的测量需要高度精确的时间测量。
原子钟的精度可以提供准确的时间信号，从而使得天文观测和测量更加精确。
3. 总结原子钟利用原子的稳定振荡频率来计量时间，是一种极其精确的时间计量装置。
它在导航系统、科学研究、通信和天文观测等领域都有重要应用。
原子钟的高精度使得这些领域的技术和研究更加精确和可靠。
小学科学原子钟寻亲记课件ppt
跃迁频率相同时，原子会发生跃迁，这种跃迁可以用来计时。
03
反馈控制系统保持频率稳定
原子钟还配备了反馈控制系统，通过不断调整微波腔中的微波频率，使
其与原子能级跃迁频率保持一致，从而保持时间的准确性。
原子钟结构组成
原子钟主要由物理部分、电子学部分和频率调整系统等组成。
物理部分包括原子束管（或原子储存泡）、微波谐振腔和探测器等；电子学部分包括频率合 成器、功率放大器、频率比较器和计算机等；频率调整系统则用于保证原子钟的长期稳定性 和准确度。
类社会的贡献。
20XX
PART 02
原子钟原理与结构
REPORTING
原子钟工作原理
01
利用原子能级跃迁频率作为时间基准
原子钟通过利用特定原子（如铯、铷等）在两个能级之间跃迁时所释放
或吸收的电磁波的频率来计量时间，这种频率具有极高的稳定性。
02
微波腔与原子相互作用
在原子钟中，微波腔被用来与原子相互作用，当微波的频率与原子能级
特点
铯原子钟具有极高的准确性和稳定性，被广泛应用于全球定位系统、卫星通信、科学研究 等领域。
应用场景
铯原子钟通常被用作一级时间频率标准，为其他时钟提供校准和比对服务。
氢原子钟
工作原理
氢原子钟利用氢原子的能级跃迁来产生和控制时间频率标 准。与铯原子钟不同，氢原子钟使用的是氢原子的基态超 精细结构跃迁，其频率位于微波波段。
终于重逢
经过不懈的努力和众人的 帮助，最终找到了失散已 久的原子钟，让它与亲人 重逢。
20XX
PART 04
原子钟家族成员介绍
REPORTING
铯原子钟
工作原理
铯原子钟利用铯原子的超精细结构跃迁来产生和控制高度准确的时间频率标准。当铯原子 从一个能级跃迁到另一个能级时，会释放出具有特定频率的微波信号，这个信号被用来校 准和维持时钟的准确性。
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实用文档之"原子钟的几种常见类型"摘要本文按出现的时间顺序介绍几种常用原子钟(光谱灯抽运铷原子钟、光谱灯抽运铯原子钟、磁选态铯原子束钟、激光抽运铯原子束钟、激光冷却冷原子喷泉钟、积分球冷却原子钟)的基本原理。
原子钟是利用原子或分子的能级跃迁的辐射频率来锁定外接振荡器频率的频率测量标准装置的俗称，通称为量子频率标准或原子频标。
其工作原理可用图1来描述：图1一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率的信号，激励原子产生吸收或受激发射的频率响应信号，呈共振曲线形状，称为原子谱线，其中心频率即原子跃迁频率为，线宽为Δν。
若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率，直到使其与原子频率符合为止。
这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上，从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的。
光谱灯抽运铷原子钟光抽运汽室频标用碱金属原子基态两个超精细结构能级之间跃迁的辐射频率作为标准频率，它处在微波波段。
在磁场中，这两个能级都有塞曼分裂，作为标准频率的跃迁是其中两个磁子能级=0之间的跃迁，它受磁场影响最小。
若用合适频率单色光照射原子系统，使基态一个超精细能级上的原子被共振激发，而自发辐射回到基态时可能落到所有能级，原子就会集中到一个基态能级，极大地偏离玻尔兹曼分布，这就是光抽运效应。
这里选择抽运光起着关键作用。
在20世纪60年代初，激光器刚发明尚无法利用，唯一可用的共振光源是光谱灯。
一般光谱灯是由同类原子发光，它的光谱成分能使基态两个超精细能级上的原子都被激发，因而不能有效地实现选择吸收，起到光抽运作用。
幸好对铷原子，可以有一个巧妙的办法。
铷原子有两种稳定同位素：和，其丰度分别为72. 2%和27. 8%。
它们各有能级间距为3036MHz和6835MHz的两个超精细能级，其共振光的频率分布如图2所示。
这里A，B线为所产生，a，b线属于原子。
从它们的位置可见，A，a两线有较多的重合，而B，b线则重合较少。
因此，若原子发出的光透过一个充以原子的滤光泡，a线就会被较多地吸收，而剩下较强的b线。
原子在这种光作用下，就会有较多的下能级原子被激发，从而使更多原子聚集在超精细结构的上能级上，这就实现了光抽运效应。
图2光谱灯抽运铯原子钟20世纪60年代初期铯原子没有简单的抽运光源可用，只能利用无极放电光谱灯。
这种灯能发出强度大致相等的两条超精细结构谱线，分别可对铯原子基态F=3和F=4两个超精细能级发生作用，引起原子激发。
由于F=4态有9个塞曼子能级，F=3态只有7个，而原子吸收光的概率与能级数成正比，所以，铯共振光通过铯汽室后，两个超精细结构成分被吸收的程度不同，从而造成两种成分的光强差，这就会使基态F=4能级上的原子数比F=3能级上多，引起两个能级上原子数差，实现了光抽运。
不过因为两种成分光强相差不大，抽运效率显然不高。
铯原子光抽运汽室频率标准物理部分的原理装置如图3所示。
图3光谱灯发出的共振光经透镜聚焦后，通过置于谐振腔内的汽室被吸收，并在光电检测器上得到一定电平的光电信号。
这相当于光抽运下原子在两个基态超精细能级上建立稳态分布时的信号，当谐振腔内电磁场频率与超精细跃迁相符时，原子在两个超精细能级之间发生跃迁，打破了原有的原子在能级上的平衡分布，又会发生新的光吸收，产生跃迁的光检测信号，即原子钟信号。
磁选态铯原子束钟图4表示这种频标物理部分———铯束管的工作原理。
图4铯原子从铯炉经过由大量细长管子组成的准直器以很小发散角(约1°)的“原子束”形式“泻流”出来，穿过由强不均匀磁场形成的B分析磁铁区，由于处于基态两个超精细结构能级上的原子带有不同磁矩，在强不均匀磁场中因偏转方向不同而分成两束，如图4所示。
其中一束被引入带有C场和微波谐振腔的“中段”，在那里与微波辐射场进行两次相互作用而完成跃迁。
图5跃迁后原子束继续前行，经过第二个强不均匀磁场(B分析磁铁)，跃迁原子被偏向检测器，未经跃迁的则被偏离开。
检测器上跃迁信号与微波频率的关系呈Ramsey曲线，如图5(a)所示。
检测器用热离化丝把中性铯原子离化为离子而加以收集。
通过测定铯原子数定频。
激光抽运铯原子束钟高梯度不均匀强磁场选态只利用基态F=4或3，=0能级上的原子，只是16个能级之一；而且磁偏转与原子速率有关，可利用的原子又只占很小的一个“速度窗口”，真正被接收到的跃迁原子约只占原子束中总原子数的万分之一。
激光抽运原则上可使所有基态原子集中到所需能级，从而极大地提高原子信号的信噪比。
激光抽运原子束频标用光检测办法来探测跃迁原子信号，但不像在光抽运汽室频标那样通过光吸收变化来检测，而是直接探测跃迁原子发出的荧光。
图6显示这种频标物理部分的结构。
图6由图可见，原子在激光作用下集中到超精细结构上能级，它们穿过谐振腔后若无跃迁，则在检测区不可能受同一束光作用而发出荧光；而若发生了跃迁，原子就过渡到超精细结构下能级，并能再次吸收光而产生荧光，因此检测区的荧光是原子发生跃迁的表征。
在工艺上，激光抽运铯束管不但避免了在真空密封上难以处理的强场磁铁问题和设计制造技术上精密的束光学问题，而且荧光检测还消除了用热离化丝检测引起的诸多问题，包括离子噪声问题，十分娇嫩且影响寿命的电子倍增器及强磁场质谱计问题等。
但是激光抽运铯束管也带来了消除光频移和激光器长期稳定工作的难题。
激光冷却冷原子喷泉钟在用Ramsey分离场技术获得跃迁信号的原子钟中，线宽Δν决定于原子飞过谐振腔中“漂移区”(两个微波相互作用区之间的长度L)的时间T，有Δν≈1/2T。
而T与原子速度v 有关，T=L/v，速度越大，T越小。
所以原子速度愈低，越有利于取得高的频率稳定度。
因此，激光冷却原子的方法应运而生。
对原子钟工作来说，激光冷却原子技术的应用主要有：激光减速原子束、冷原子团的激光操控和激光阱中的原子陷俘。
它们都依赖于激光对中性原子产生的散射力和偶极力。
散射力利用多普勒频移使原子吸收频率低于共振频率的光而激发，而自发辐射则平均放出共振频率的光，其能量亏损靠原子损失动能来补偿，从而实现了减速。
偶极力则依靠原子基态能级能量与光强成正比的光频移，原子受到一束强度不均匀的光束作用时，处在不同位置的原子因为受到的光强不同而使其基态能量有所不同，这是一种随位置而变化的能量，所以是“势能”，这使原子趋向于能量最低处，从而能陷俘原子。
[1]冷原子喷泉钟的基本想法如图7所示，搭建一个竖立的真空装置，真空中充有工作介质(铷或铯)的饱和蒸汽，利用激光俘获原子并将其冷却，将原子上抛。
原子在上抛和下落的过程中只受到重力作用，它两次穿过微波腔，与时间上的分离振荡场作用，产生钟跃迁，然后探测不同能级的原子。
最后获得与Ramsey钟跃迁相应的荧光信号。
这样极大减小了传统结构中两个振荡场不同所造成的相位频飘而且两次与微波振荡场作用时的速度等值反向，消除了一阶多普勒频移。
[2] 图7积分球冷却原子钟积分球冷却原子钟的基本思想是把原子钟的所有相互作用(原子冷却、原子制备、微波探测和检测)都在同一地方发生，应用时序将各个阶段的作用分开。
从而该钟可以减小到几升的体积。
积分球冷却原子钟的物理部分是由激光焊接的钛材做成，真空室由2L/s的离子泵维持在9*mPa。
外面罩两层磁屏蔽。
为了满足冷却过程的需要，球形紫铜腔须光学抛光到λ/14的精度以便储存激光和产生各向同性的光场以供捕获和冷却原子用。
同时，这个微波腔调谐在9。
192GHz模式，用于激励“钟”跃迁。
微波腔内有一Cs原子储存泡，保持真空度在乇。
含泡腔的Q=3000。
原子的冷却、制备、探测和检测等每个相互作用过程在同一微波腔中分时序进行。
首先将频率比Cs循环跃迁Fg=4一Fe=5’调低几MHz 的冷却激光和调到Fg=3一Fe=4’的重抽运光，通过6条多模保偏光纤注入腔中，在高反射率的球形谐振腔中，利用漫反射的红移激光和重抽运光的双重作用把Cs原子冷却并囚禁在微波腔中心。
此时所有原子被制备处于态Fg=4的所有态上。
然后实施从基态Fg=4到激发态Fe=4’的光抽运，最终将原子抽运到基态Fg=3态。
第三步，应用Ramsey 微波探测，|Fg=3，=0>Zeeman能级上的原子转移到|Fg=4，=0>能级上。
然后让调谐在Fe=4一Fg=5’的垂直线性吸收光束通过原子样品，以循环跃迁检测这个能级上的原子数(N4)，然后应用4一5’的蓝移激光清除能级Fg=4上的原子。
而后利用跃迁微波脉冲将留在能|Fg=3，=0>上的原子转移到Fg=4能级(一方面因为原子在腔中，另一方面我们不能用光抽运，因为微波探测后还有许多原子留在Fg=3，≠0的能态上)。
最后利用同样的垂直线性吸收束检测这个能级上的原子数(N3)。
于是，应用已知的N4和N3，我们就可得出跃迁几率:P=利用跃迁几率的峰值信号就可鉴别微波激励信号的准确与否，从而将微波源频率锁定在原子跃迁峰值上。
[3]在绕地球轨道、行星轨道或飞越行星运行的各类航天器上放置原子钟，对空间科学的发展产生着重要的作用。
空间原子钟的研制成功，使导航定位系统产生了革命化的发展；航天器装载高稳定度的原子钟，使空间科学试验，诸如基础物理测试以及深空探测等成为可能。
[4]随着21世纪这个太空世纪的到来，原子钟的重要性愈发凸显。
在提高原子钟的稳定性和原子钟小型化的道路上，科研人员还有很长的路要走，但无疑前景是广阔的。
参考文献[1] 原子钟与相关物理学的研究……王义遒[2] 新型原子钟及其在我国的发展……翟造成，杨佩红[3] 第三代卫星导航定位系统星载原子钟的新发展……翟造成，杨佩红[4] 应用原子钟的空间系统与空间原子钟的新发展……翟造成。