光学波长标准-飞秒光梳频率列-铯原子微波频率基准-光钟
飞秒光梳
通讯; 网络; 运输; 资源;
.
科学研究: 相对论;
天文; 物理;
.
导航: GPS,北斗
地面站 中心站
基准
重力 .
.
.
班
国
家Those who know GPS will tell you that it is really a time comparison 数 system that can do navigation. 懂GPS的人会告诉你, GPS本质上是
实 学 5
171Yb+
2S1/2 (F=0, mF=0) – 2F7/2 (F=3, mF=0)
642 121 496 772.6(2.6) 466 878 090.061 (2) 4×10-12
基 6
127I2
R(56) 32 – 0, a10
563 260 223 513 (5)
532 245 036.104 (5) 8.9×10-12
第一个自然基准量定义 (1983)
班
国
家1983国际计量委员会(CIPM)(CI-1983): 数 自 米应当以如下方法之一实现:
理学 然 a) 直接复现: l=c0t, c0=299,792,458m/s, 直接测量t, 科 如 测距仪使用的激光调制-比相法, 激光脉冲测时法和全球定位 部 系统GPS测距, 大于几km的长度; 实 学基 b) 间接复现: λ0=c0/f, 直接测量f, 验 金 如 频率基准 + 飞秒光梳 + c0; 物 委 c) 实际实施: (在λ0=c0/f标定的基础上)推荐13条真空波长值; 理 员 如 (频率基准 ＋ 谐波光频链 -) 127I2吸收室饱和吸收稳频的He讲习 会 Ne激光推荐真空波长 λ0=632 991 212.579 (2.1E-11)。
波长和频率在光学中的应用
波长和频率在光学中的应用光学是研究光的传播和性质的科学，而波长和频率是理解和解释光学现象至关重要的概念。
在研究光学中，我们经常会遇到与波长和频率有关的问题，并通过这些参数来解释光的各种特性和现象。
一、波长和频率的基本概念在了解波长和频率在光学中的应用之前，首先需要明确它们的基本概念。
波长指的是在一个周期内，波的连续部分所占据的空间距离。
通常使用的单位是米或纳米。
例如，可见光的波长范围在380纳米到740纳米之间。
频率指的是在一个时间单位（通常是一秒）内，波的周期性重复出现的次数。
单位是赫兹（Hz）。
以光速为3×10^8米/秒为例，当波长为500纳米时，对应的频率为3×10^8÷500×10^-9= 6×10^14Hz。
二、波长和频率在光的色散中的应用色散是指不同波长的光在透明介质中传播时，由于光的折射率与波长相关，导致光的传播速度不同而发生的现象。
这一现象在折光和光的分光学中有着广泛的应用。
当光通过一个棱镜时，由于不同波长的光在折射率上存在差异，所以它们会以不同的角度偏离原来的传播方向。
这就是为什么我们在实验中可以观察到光的分散现象，即一个白光通过棱镜后会出现七种颜色的光。
此外，光的波长还决定了光在介质中的能量损失。
根据光的波长，在介质中发生吸收或透射的现象也会有所不同。
这是我们在做光学材料研究时需要考虑的因素之一。
三、波长和频率在光的干涉和衍射中的应用干涉和衍射是光学中经常被讨论的现象。
干涉指的是两个或多个波的叠加产生的干涉图样，而衍射则是波通过一些有限孔径或者尖锐边缘时的现象。
根据波的干涉和衍射理论，波长的大小和传播的路径差有关。
当波长较大时，干涉条纹间的距离也会相对较大。
这一原理被广泛应用于光的干涉仪和干涉测量中，如迈克尔逊干涉仪和干涉测量仪等。
同时，波长的大小也影响光的衍射现象。
根据菲涅耳衍射原理，当光通过一个孔径或者尖锐边缘时，会出现衍射现象。
囚禁离子、原子体系的精密调控及在量子频标上的应用
项目名称：囚禁离子、原子体系的精密调控及在量子频标上的应用首席科学家：王力军清华大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：教育部中国科学院一、研究内容1、高性能的实验平台、可推广技术的建设将主要搭建以下两个基础实验技术平台和提供一套可推广技术：（1）高精度原子钟国家标准、比对平台。
（2）小型化、可搬动的高精度离子频标，用于频标比对。
（3）发展能可靠运行超窄线宽激光稳频技术。
2、离子囚禁技术、精密光谱及应用（1）研究离子囚禁新方法，新技术。
特别是特大离子云的囚禁、冷却方法。
研究各种新物理现象，包括相变的新型光学探测方法。
研究囚禁离子与外界相互作用，以及内外自由度的耦合和调控。
（2）基于镉离子的小型化、激光冷却射频量子频标，用于比对。
（3）开展离子囚禁新方法的理论研究。
3、光晶格锶原子光频标和铯原子喷泉微波频率基准及比对平台（1）研究光晶格囚禁锶原子光频标。
（2）研究铯原子喷泉微波频率基准性能指标提升关键技术。
改造现有NIM5铯原子喷泉钟, 使其频率天稳定度和不确定度均达到(1-2)x10-15，运行率99％。
（3）研究喷泉钟-光钟的溯源比对平台的关键技术。
为本项目研制的光频标提供绝对频率溯源比对参考，争取为未来国际改定秒定义提供基础数据。
4、超窄线宽激光及精密光谱研究（1）研制超窄线宽稳频激光。
为开展光学频率标准研究提供必不可少的激光源，发展能可靠运行的超窄线宽激光稳频技术。
（2）开展光梳精密光谱学的研究。
提高光谱检测灵敏度及分辨率，探索多频窄线宽相干光场同时与原子分子相互作用及相干控制新机理。
（3）开展基于三维光晶格冷原子的精密光谱与精密测量的研究。
用研制的578nm窄线宽激光，研究三维光晶格光钟的理论和实验问题。
研究与三维光晶格光钟相关的物理问题。
(4) 研究超窄线宽光纤精密传输系统，为光频标精密传输和光钟比对研究提供有效的技术路线和手段。
5、囚禁量子体系内外部量子态相互作用原理与调控（1）研究囚禁下粒子体系内外部量子态的耦合。
光学波长标准-飞秒光梳频率列-铯原子微波频率基准-光钟
从光学波长到微波频率基准:光学波长标准 - 飞秒光梳频率列 - 铯原子微波频率基准 - 光钟中国计量科学研究院(NIM) 量子处李天初, 方占军电话: (10) 6429 5811, e-mail: litch@摘要: 迄今, 光学波长依赖于传统的光学谐波波长链溯源到铯钟微波频率基准。
本文简略介绍中国计量院量子处保存和在研的激光波长标准, 报导我们研制新一代NIM4＃"激光冷却-原子喷泉"微波频率基准铯钟和"飞秒脉冲激光-光学梳状频率"的原理和进展。
冷原子喷泉钟将使我国频率基准不确定度进入10-15。
飞秒梳状频率使光学波长和微波频率直接准确地联系起来。
上述两项课题将改变我国光学波长标准和溯源系统的基本格局, 使得光学波长计量发展到一个新水平。
同时, "飞秒梳状频率"与"原子/离子存储光学频率标准"的结合, 将推动"光钟"的发展.关键词:冷原子喷泉钟; 飞秒光梳; 微波频率基准; 光学波长标准.1, 稳频激光光学波长标准 －实际复现米定义1983年, 国际计量大会(CGPM)颁布了新的米定义，将长度单位米定义为光波在一定时间间隔传播的真空距离[1], 并陆续推荐了十二条光辐射波长, 作为光学波长标准[2]。
在CGPM推荐的标准波长中, 利用饱和吸收技术将He-Ne激光频率锁定到127I2的115-5, R(127) 跃迁a i峰的633nm波长[3], 由于其结构简单、使用广泛、准确可靠而成为最常用、最常规的光学波长标准。
中国计量院(NIM)自70年代就开始了激光稳频的研究。
目前NIM保存着碘稳频633nm He-Ne激光波长标准, 不确定度为5x10－11(2σ)。
我们正在改造更新He-Ne激光543nm 波长标准, 开展碘稳频Nd:YAG激光倍频532nm波长和乙炔稳频半导体激光1542nm 波长标准的研究。
物理拓展与应用-2原子钟
Atomic radiation oscillates steadily:
basis for high-prcision atomic clocks
13
1944年诺贝尔物理学奖
——原子核的磁特性
拉比
1944年诺贝尔物理学奖授予美国哥伦比亚 大学的拉比（Isidor Isaac Rabi ,18981988）,以表彰他用共振方法纪录原子核磁 特性。
物理拓展与应用-第二讲
从米到秒
—原子钟，光频梳，光钟
1 版权所有， 1997 (c) Dale Carnegie & Associates, Inc.
1. 前言: 从米到秒 2. 计时工具的发展 3. 冷原子喷泉钟: 复现秒定义 4. 飞秒光学频率梳 - 联系光学波长和微波频率的桥梁 5. 原子/离子存储光频标 - 下一代频率基准? 6. 结束语
振荡90亿周的NIST-F1的高10万倍,准确1000倍
9
计时的历史
Sundial, 1st or 2nd Water clock &
century A.D.
Sandglass.
Mechanical clock,1657.
Atomic micro clock
Quartz Clock
Atomic hydrogen maser clock, early 1960s.
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。 12
• 根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺 序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差， 来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。
• 当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便 会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是 人们所说的共振频率。
NIM的微波-光学频率基准研究——复现米和秒定义
在 ２０ ００年之 前 ，按 式 （ ）间 接 实现 米 定 义非 ２
常 困难 ， 法在 日常 实际计 量 中实 施 。 国际上 依 据 无
少数 几个 实验 室按 式 （ ）标定 的特 定辐 射波 长值 ， ２ 陆续 推荐 了 １ ３条 谱 线 的 真 空 波 长 值 及 不 确 定 度 ，
１ 引 言
时间单 位秒 （）是 国际单 位制 （Ｉ 规定 的 ７ Ｓ ｓ）
个 基本 物理 单位 之一 。频 率是 时 间间 隔 （ 周期 ）的 倒数。
度 Ａ／ ， ｕ 并略 去相 对二 字 ，置信度 １ △ ； 为绝 对
频率 不确 定度 ； 为名 义频率 。
１８ 年 ，国际 计 量 大 会 （ Ｇ Ｍ）颁 布 了新 的 ９３ ＣＰ
米 （１ ｎ）定 义 ：
Ｌ ＝ ｃ ｔ （） １
２ 纪６ ０世 ０年 代 以来 ，国 际 时 间频 率 计 量得 到
了重大进 展 。１６ ９ ７年 用基 于量 子效应 的原子秒 （） Ｓ
取代 了天 文秒 ；１９ ９ ５年激 光冷却 一铯原 子喷 泉钟 将
时 间频率 基准 的不 确定 度提 高 到一 个新 水 平 。１８ ９３
光学 频率 计量 基标 准领域 的研 究 。在 此基础 上讨 论 铯原 子喷 泉钟 、 稳频 激 光 、 Ｓ 梳 、 Ｆ 光 原子／ 子存储 离 光频标 的作 用 、意 义和相 互关 系 。
Ｃ＝ｆ 。 ａ
（） ２
上 式表 明 ，频率 和波 长 间的转换 不 引 入误 差 。直 接 测量 光 波长 的 不 确 定 度 很 难 优 于 ｌ 。 ，光学 频 率 Ｏ。 。 测量极 大改 善 光 学 频 率 ／ 长 测量 不 确定 度 ，并 导 波
从长度单位米到时间单位秒:稳频激光-飞秒光梳-铯原子喷泉钟-光钟
从长度单位米到时间单位秒：稳频激光-飞秒光梳-铯原子喷泉
钟-光钟
李天初
【期刊名称】《计量学报》
【年(卷),期】2006(027)001
【摘要】报道了中国计量科学研究院(NIM)在复现国际单位制(SI)长度单位米和时间单位秒的研究进展,包括稳频激光、NIM4铯原子喷泉钟和飞秒光学频率
梳.NIM4钟不确定度达4.4×10-15,NIM在研的飞秒光梳将以优于1×10-13的不确定度实现光学波长向微波频率的溯源.文中还讨论了127I2饱和吸收633nm 3次谐波稳频的HeNe激光波长比5次谐波稳频的更"准确";指出飞秒光梳是从动跟踪系统,描述它的性能指标应当是它的跟踪精度;估计了用"吸收室-原子束-原子喷泉-原子/离子存储"4种不同原理所建频标可能达到的不确定度极限.最后简略展望时间频率基准研究的新动向--光钟.
【总页数】6页(P1-6)
【作者】李天初
【作者单位】中国计量科学研究院,北京,100013
【正文语种】中文
【中图分类】TB9
【相关文献】
1.NTSC-F1铯原子喷泉钟光频移的评定 [J], 张辉;张首刚;王心亮;管勇;刘丹丹;白杨;施俊如;余凤翔;杨帆;阮军
2.基于二维磁光阱的冷原子光抽运铯原子钟研究 [J], 谢伟滨;王青;齐向晖;贺轩;陈徐宗
3.应用于光抽运铯原子钟的小型稳频激光器（英文） [J], 石浩;马杰;李孝峰;刘杰;张首刚
4.中国“NIM5铯原子喷泉钟”通过评审:2000万年不差一秒 [J], 陈海波
5.1500万年不差一秒中国计量院研制成功NIM5铯原子喷泉钟 [J], 刘旭红
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飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱技术进展
［ ３］
谱领域的相关技术 、研究进展和研究动向 。
１ 飞秒光频梳气体吸收光谱测量技术
１ １ 光频梳腔衰荡光谱
第３ 第２期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ４卷 ， ２０１４ 年 ２ 月 Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄＳ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌＡ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｐ ｐ ｙａ ｐ ｙ
３ ３ ５ ３ ３ ９ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ４， Ｎ ｏ ． ２， ｐ ｐ ， Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ２ ０ １ ４ ｙ
［８］ 应过渡产物的识别 。Ｔ 测量了人体呼出气体吸收 ｈ ｏ ｒ ｅ等 １ ｐ ［ １ ７］
性 噪声 ，相对灵敏度修正为 １～２ 之间 。与腔衰荡光频梳光谱 相同 ，纵模匹配亦是此技术的关键 。 在获得了探 测 信 号 之 后 需 要 分 离 出 不 同 波 长 的 吸 收 谱 ） 、 线 ，可以应 用 梳 齿 游 标 测 量 法 （ ｃ ｏ ｍ ｂｖ ｅ ｒ ｎ ｉ ｅ ｒｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｐ ，Ｖ 虚拟成像相 位 阵 列 （ 或 ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ ｌ ｍ ａ ｅ ｄｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｄａ ｒ ｒ ａ Ｉ Ｐ Ａ） ｙｉ ｇ ｙ ） 傅里叶变换 （ 来完成 。 Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｐ １ ． ２ ． １ 梳齿游标测量法 在梳 齿 游 标 测 量 法 中 ，光 频 梳 的 重 复 频 率 犳 ｒ ｅ ｐ与 腔 的 自 ） 由光谱范围 Ｆ Ｓ Ｒ 满足式 （ ３ ／ ） ／ Ｆ Ｓ Ｒ＝ （ 犿 －１ 犿 ｒ ｅ 犳 ｐ （ ） ３ 因此每 犿 个纵模才能透射出腔外 ，如图 ２ 所 示 。极 限 情 况下 ，与衍射 光 栅 配 合 可 以 直 接 探 测 到 每 个 纵 模 的 透 射 光 强 。一般情况下 ，通过调节腔长 或 扫 描 光 频 梳 的 重 复 频 率 可 获得不同的频谱分量 ，显然这种方法以牺 牲 数 据 采 集 时 间 为
秒定义变革及我国时间频率基准的发展和应对
秒定义变革及我国时间频率基准的发展和应对曹士英 房芳(中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所,北京100029)摘要:国际单位制的量子化变革使得除了物质的量的定义外,其他国际单位的定义都与时间单位建立了直接或间接的联系㊂高准确度的时间频率基准在国民经济建设㊁国防建设和科学研究中发挥着重要的作用㊂主要介绍了时间单位的定义从天文秒到原子秒的发展历程以及关于秒定义变革的讨论和对原子钟的要求,并介绍了我国国家计量院在时间频率基准方面的研究工作及应对措施㊂关键词:秒定义;时间频率基准;铯原子喷泉钟;光钟中图分类号:TN99;O562.3㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A引用格式:曹士英,房芳.秒定义变革及我国时间频率基准的发展和应对[J].信息通信技术与政策, 2022,48(7):2-8.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2022.07.0010㊀引言时间单位秒(s)是国际单位制(International System of Units,SI)七个基本单位之一,也是测量准确度最高的基本单位㊂2019年5月20日,国际单位制中的4个基本单位得以重新定义,至此除了物质的量(摩尔)的定义外,其他国际单位的定义都可以通过时间单位直接或间接导出㊂高准确度的时间频率基准不仅是国民经济建设㊁国防建设和科学研究的重要技术基础,也在全球卫星导航系统㊁深空探测㊁高速通信㊁电力电网㊁金融等领域发挥着极其重要的作用㊂时间单位的定义经历了从天文秒到原子秒的发展历程㊂现行秒长国家计量基准是直接复现秒定义的铯原子喷泉钟㊂铯原子喷泉钟输出9192631770Hz的基准频率[1]㊂随着高精度原子钟技术的不断进步,铯原子喷泉钟的不确定度已达到小数10-16的水平[2],有望成为下一代秒定义的光钟的不确定度也已进入了10-19量级[3]㊂本文主要介绍了时间频率基准的发展历程和秒定义变革的相关情况,并介绍了我国国家计量院在时间频率基准方面的研究工作及应对措施㊂1㊀天文秒人类对时间最早的认识是通过太阳的东升西落,对时间单位的定义也是根据地球的自转㊂人类从对天文现象的初始观测中认识到地球的周期性运动,并逐渐建立起时间的观念㊂在现代时间概念发展历程中,基于地球自转的时间体系称为世界时,基于地球公转的时间体系称为历书时,两者统称天文时㊂天文测量不能直接产生天文秒㊂天文 时间基准 只产生基准时间周期,如世界时产生 平太阳日 日长,历书时使用1900年的 回归年 作为年长㊂天文时依赖守时钟的连续运行和均匀细分产生并保持日㊁时㊁分㊁秒㊂用现代时间概念描述天文时,即根据天文测量基准日长或基准年长,进而校准守时钟产生时标㊂但由于地球的自转和公转的周期并不恒定,从而导致由天文时产生的秒的长度也不相同,存在一定的不可预测性㊂2㊀原子秒20世纪中期,随着原子物理的成形和发展,科学家认识到原子内电子能级间的特征跃迁频率在稳定度和复现性上都超越了天文现象产生的稳定度和复现性,是作为时间频率基准的合适选择㊂1955年,英国国家物理实验室(National Physical Laboratory, NPL)报道了世界上第一台热铯原子束频率标准[4]㊂随即,美国海军天文台(United States Naval Observatory, USNO)和NPL合作,依据天文历书时标定了NPL铯频标的微波跃迁频率为9192631770Hz,相对准确度为2.2ˑ10-9[5]㊂1961年,国际计量委员会(International Committee for Weights and Measures,CIPM)建议采用铯原子基态跃迁作为秒定义的候选㊂1967年,第13届国际计量大会(General Conference on Weights and Measures,CGPM)通过了采用铯原子跃迁频率来定义秒的决议,即:铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间[6]㊂2018年,CGPM进一步采用基于常数的新理念重新表述了秒定义:铯133原子不受干扰的基态超精细跃迁频率ΔνCs为9192631770Hz[7]㊂从而秒定义表述为:当ΔνCs以单位Hz(=s-1)表示时,其固定数值定义为秒㊂目前,铯原子喷泉钟的相对频率不确定度已达到1.71ˑ10-16[8]㊂现今,国际计量局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)主导 国际原子时合作 产生国际通用的协调世界时(Coordinated Universal Time,UTC):分布在世界各地的约80个守时实验室利用450~500台商品守时原子钟产生各自的本地时标[9]㊂通过卫星比对,这些实验室将守时钟数据报送BIPM,加权平均得到自由原子时(Echelle Atomique Libre,EAL)㊂EAL 是异地多台守时钟的平均结果,不但稳定,而且可靠㊂少数国家研制的喷泉频率基准复现秒定义,驾驭修正EAL的长期漂移和系统偏差,产生不仅稳定可靠,而且准确的国际原子时标(Temps Atomique International,TAI)㊂TAI不定期插入闰秒就是UTC㊂TAI和UTC的不稳定度为3.5ˑ10-16/30D,不确定度为2ˑ10-16[10]㊂UTC是事后的纸面时,UTC(k)是守时实验室k保持的UTC的本地物理复现,如中国计量科学研究院(Natioanl Instoitute of Metrology,China,NIM)守时实验室保持的UTC的物理复现表示为UTC (NIM)㊂BIPM每月发布时间公报(Circular T),公布时间偏差UTC-UTC(k)及其不确定度等信息㊂在过去的20年里,来自不同国家的大约十几个喷泉钟对TAI作出了贡献,其中我国的铯原子喷泉钟NIM5是其中的一员㊂与微波频率标准相比,光学频率标准的工作频率比微波频率标准高出4~5倍,因此具有更高的频率稳定度和更低的频率不确定度㊂光钟的研究工作始于20世纪70年代㊂在1997年诺贝尔物理奖 激光冷却技术和2005年诺贝尔物理奖 飞秒光学频率梳技术的推动下,光钟的研究得到了快速发展,并开始超过铯原子喷泉钟㊂离子协同冷却㊁离子态的量子逻辑探测㊁光晶格囚禁原子㊁光晶格魔术波长㊁超稳光学腔㊁超稳激光㊁低温制冷原子室和热屏蔽腔抑制黑体辐射频移等一系列技术的实现,进一步促进了光钟指标的提升㊂光钟的不确定度可以达到小数10-18甚至进入10-19的量级[3,11]㊂目前,已经有10个光跃迁频率(包括2个新跃迁频率88Sr和40Ca+)和一个微波跃迁(87Rb)被推荐作为次级秒定义㊂根据参考量子体系不同,光钟可分为中性原子光晶格钟和离子光钟㊂其中,光晶格钟同时囚禁测量多个原子,具有信噪比高㊁频率稳定度高的优势,但需要多维冷却和光势阱实现,系统方案较为复杂㊂离子光钟通常囚禁单个离子,稳定度稍逊于光晶格钟,但离子的囚禁寿命和相干时间长且无碰撞频移,物理系统简单紧凑,因此不确定度更低㊁更容易实现小型化和搬运㊂在光钟的研究过程中,光学频率梳作为关键技术在光钟的绝对频率测量和光钟的比对测量中都发挥着重要的作用㊂光学频率梳梳齿覆盖的波长范围广,并且梳齿之间保持着良好的相干性,以一种相对简单的方式实现了微波频率和光学频率的直接链接,从而光钟的绝对频率测量可直接溯源到现行秒定义 铯原子喷泉钟或喷泉钟组㊂同时,由于光学频率梳梳齿可覆盖多个光钟的光学频率,因此可直接实现不同种离子或原子光钟的比对测量㊂当同时测量两个独立于光学频率梳的光学频率的比率时,数据符合在10-21量级[12],从而证明了光学频率梳在当前光钟不确定度限制下完全可以支持光学频率比测量㊂3㊀秒定义变革讨论3.1㊀秒定义修改的3种选择随着高准确度时间频率应用的需求和光钟技术指标的不断提高,国际时间频率咨询委员会(Consultative Committee for Time and Frequency,CCTF)开始组织讨论秒定义修改的提议,并根据现在的理论技术发展提出了秒定义修改的3种选择㊂3.1.1㊀与现在的秒定义类似,选择单一频率跃迁作为新定义㊀㊀备选频率包括中性原子(87Sr㊁88Sr㊁171Yb㊁199Hg 等)和离子(199Hg+㊁40Ca+㊁88Sr+㊁171Yb+等)的钟跃迁频率㊂这种定义的物理意义清晰㊂不同种类的光钟各具优势㊂晶格光钟同时囚禁测量多个原子,具有信噪比高㊁频率稳定度高的优势,但需要多维冷却和光势阱实现,系统方案较为复杂㊂而离子光钟通常囚禁单个离子,稳定度稍逊于晶格光钟,但离子的囚禁寿命和相干时间长,与背景噪声更好隔绝且物理系统简单紧凑,不确定度更低,更容易实现小型化和搬运㊂因此,该方案很难确定最佳秒定义候选㊂3.1.2㊀采用一组跃迁频率作为新定义利用一组跃迁频率的几何平均值定义一个频率值v=1NΠiɪCνw i i,式中,v i是某一跃迁频率,N是一个无量纲常数,w i表示频率v i的权重,与其不确定度相关㊂ði wi=1以确保ν的单位为Hz㊂此种定义方式是一种全新的单位定义方式,利用一组跃迁频率,常数N可以随着权重的重新分配或者新型光钟的加入动态变化㊂这种方式无法通过一套实验装置直接复现秒定义㊂每种光跃迁频率均有推荐值和相应的不确定度㊂3.1.3㊀和其他几个基本单位的定义一样,定义一个基本物理常数㊀㊀例如将电子质量定义为常数,通过hv e=m e c2得到Compton频率㊂此种定义的优势是物理概念清晰,且不随时间㊁地点变化㊂复现的方式可以通过定义一列类参考频率实现㊂但目前,利用物理常数定义频率的所有相关实验,其测量不确定度指标远远低于目前复现秒定义的铯原子喷泉钟的指标,因此无法利用到目前时间频率测量的高准确度㊂3.2㊀秒定义修改路径CCTF在给出秒定义的3种选择的同时,还对现有时间频率相关技术的发展提出了相关要求㊂在这些技术目标和政策实现后才能完成最终的秒定义变革㊂具体秒定义修改路径如下㊂3.2.1㊀对原子钟的要求(1)光频标准确度要求•至少有3个实验室研制的基于同一跃迁的光频标,自评定不确定度ɤ2ˑ10-18㊂•至少有基于3个不同跃迁的光频标(同一或不同实验室),自评定不确定度ɤ2ˑ10-18㊂(2)光频标不确定度评定有效性验证 频率比值•同种光钟测量结果一致性:至少3次;光钟的频率比值的吻合度在Dn/nɤ5ˑ10-18范围内(通过移动光钟或者高稳定度链路)㊂•不同种光钟比值:至少5次;光钟或其他光钟的频率比值(每个比值至少在2个不同的实验室测量)的吻合度在Dn/nɤ5ˑ10-18范围内(直接测量通过移动光钟或者高稳定度链路)㊂(3)从铯频率过渡到新定义的连续性至少有3次独立利用TAI或者铯原子喷泉钟对中光钟的绝对频率测量(不同或同一实验室),测量结果不确定度受限于铯原子喷泉钟或者TAI(Dn/nɤ3ˑ10-16)㊂(4)光钟对TAI产生具有常规性贡献在1年中5台常规报数的光钟里面,每个月至少有3台光钟参与驾驭产生TAI(不确定度ɤ2ˑ10-16,不包括二级定义的不确定度)㊂检查由光钟作为基准而由铯原子喷泉钟作为二级定义TAI产生无影响㊂(5)高可靠性光频标光频标在实验室环境中具备连续可靠运行>10D 的能力㊂(6)光频标对UTC(k)的产生有常规性贡献参与驾驭产生TAI的光频标对相关实验室UTC (k)的驾驭㊂3.2.2㊀对时间频率比对的要求(1)可持续光频标比对的可行性:在国家内或者洲际内(至少对研制1台光钟的国家计量院)可行的通过移动钟或者时频链路实现5ˑ10-18频率持续比对技术㊂重复链路不确定度评定的能力㊂(2)本地引力势大小的计算测量水平:对引力势差的测量计算和光钟的准确度指标及频率比值测量不确定度一致参加TAI驾驭时,引力势引进的不确定度ɤ10-17㊂(3)高可靠高稳定度的时频比对链路:对可连续长时间运行的高稳定时频比对链路的需求,实现光钟比对及驾驭TAI不受此限制㊂3.2.3㊀接收新定义的条件(1)定义可以实现在未来更加准确的复现(2)各国家计量院可以复现新定义或次级定义•利用容易理解的清晰的不确定度评定复现新定义㊂•铯原子频标作为次级秒定义㊂(3)重新定义后复现和对时标的持续改进各国家计量院的承诺如下㊂•改进并运行光钟复现新定义和次级定义(确保可靠/连续运行㊁常规驾驭TAI等)㊂•继续保持铯原子喷泉钟在相当时间内运行㊂(4)商品光钟的实现(5)传输给用户信号的提高4㊀我国国家计量院时间频率基准的发展和应对㊀㊀时间频率计量的准确度是反映一个国家战略竞争力的重要标志之一㊂基准原子钟是时间频率计量体系的源头,属于准确度最高的计量型科学仪器,其准确度决定着国家时间频率计量体系的技术水平㊂高准确度原子钟系列的研制是保证国家时间频率计量体系独立完整性的关键,关系到国家的核心利益㊂作为国家级的法定计量机构,中国计量科学研究院长期开展时间频率基准的研制工作,从早期的热束型铯基准钟,到目前的激光冷却铯原子喷泉钟,再到有望成为未来秒定义的光钟㊂中国计量科学研究院从1965年开始研制第一台铯束原子频率标准NIM1,铯束管长度为3m,至1977年研制完成,准确度为1ˑ10-11,达到当时美国商品铯原子钟的水平;1980年完成5m长铯束管时频基准器的研制;1981年研制NIM3且通过科研成果鉴定,并于1983年由原国家计量局正式批准授权作为国家时频基准;1986年将NIM3准确度提高到5ˑ10-13,达到当时国际先进水平(见图1)㊂中国计量科学研究院于1997年开始研制激光冷却铯原子喷泉钟NIM4,于2003年实现不确定度达到8ˑ10-15[13],于2005年进一步改进后使确定度达到5ˑ10-15(见图2)㊂中国计量科学研究院于2005年开始研制激光冷却铯原子喷泉钟NIM5,经过5年的努力于2010年实现了1.5ˑ10-15的不确定度指标[14],准连续运行率99.2%(见图3)㊂NIM5铯原子喷泉钟于2014年被接收为BIPM认可的基准钟,参与驾驭TAI,于2018年被改进后重新评定的不确定度达到9ˑ10-16㊂在传统铯原子喷泉钟中采用超稳晶振作为短稳本振源,受其短期稳定度限制,喷泉钟需要连续运行10D 左右才能达到稳定度平台㊂这使得喷泉钟的实验和评定都极为耗时,也难于实现与光钟的比对㊂而将超稳微波用于喷泉钟的短期稳定度参考,可以铯喷泉钟实现最终稳定度的时间从10D缩短到1~2D㊂中国计量科学研究院已开展基于超稳激光和光纤光学频率图1㊀NIM3磁选态铯束原子钟图2㊀NIM4激光冷却铯原子喷泉钟图3㊀NIM5激光冷却铯原子喷泉钟梳技术产生的超稳微波源研究,形成了原理样机和实验室装备㊂超稳微波源1~100s的稳定度优于5ˑ10-15,30D有效运行率优于99.9%[15],可为时间频率㊁计量检测㊁相控雷达等领域提供优质的微波信号㊂2019年,中国计量科学研究院进一步攻克了冷原子制备㊁冷却和探测等关键技术,结合超稳微波源的应用,成功研制出铯原子喷泉钟NIM6,其频率不确定度优于5.8ˑ10-16(见图4)㊂未来,NIM5和NIM6将组成钟组共同驾驭TAI㊂现在,中国计量科学研究院保存着我国国家秒长基准 激光冷却铯原子喷泉钟NIM5和国家时标基准UTC(NIM)㊂这二者共同构成了中国的时间频率基准,形成了中国时间频率计量体系的源头,其基本作用就是保持我国时间的连续运行,产生和保持高度准确㊁稳定的国家统一使用的标准时间,同时产生高度准确的时间频率信号用于国内的量值传递,满足国内更领域的实际需求[16]㊂由于目前光钟种类较多,秒定义变更后的基准光钟种类还不确定㊂为了应对秒定义变革,中国计量科学研究院从2006年开始研制锶原子光晶格钟,又于2015年完成了我国第一台基于中性原子的光钟NIM-Sr1,其系统频移不确定度为2.3ˑ10-16,绝对频率测量不确定度为3.4ˑ10-15[17],数据报送给CCL-CCTF频率标准工作组并被采纳,参与了锶原子光钟频率2015年国际推荐值计算㊂2021年,NIM-Sr1的系统频移评定不确定度进一步提升至2.9ˑ10-17,绝对频率测量不确定度为3.1ˑ10-16[18],与此同时开展的NIM-Sr2,其系统频移评定不确定度达到8.9ˑ10-18(见图5)㊂相较于探测原子数目较大而在稳定度上占优势的光晶格钟,离子光钟受到的环境扰动更小因而准确度更高㊂其中镱离子光钟拥有两条成为次级秒定义的钟跃迁谱线,且囚禁时间长达数月,其八极跃迁谱线自然线宽在n Hz量级㊂另外,镱离子的冷却㊁重泵㊁探测等激光均可通过半导体激光器直接获得,镱离子光钟系统具有更好的应用前景㊂中国计量科学研究院自2020年开始布局镱离子光钟的研制[20],目标是在2025年完成镱单离子光钟的研制,使其不确定度达到5ˑ10-18,目前已完成物理系统及光学系统的搭建㊂在光钟的绝对频率测量和比对测量方面,中国计量科学研究院已开展了掺铒光纤光学频率梳和双光梳时频传递技术的研究㊂掺铒光纤光学频率梳实现了500~2200nm的宽带光谱覆盖,连续锁定时间超过30D[21],其中窄线宽的光学频率可实现698~1542nm 的传递,可覆盖多个光钟的输出频率,梳齿线宽与参考光学频率线宽一致(Hz量级线宽),其具体装置如图6所示㊂在双光梳时频传递技术方面,中国计量科学研究院在国内建立了第一套基于超窄线宽激光锁定的双光梳系统[22](见图7),经过与第三套线宽约为1Hz的连续激光拍频测试,两套光梳梳齿之间的相对线宽优于1Hz;经有效隔振单台光梳梳齿绝对线宽也可优于1Hz,为国产化双光梳时频传递装置的建立提供了基础㊂在高准确度的时频传递方面,中国计量科学研究院成功研制了远程时间溯源装置 NIMDO,实现了基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)时间频率传递的可准实时验证的溯源图4㊀NIM6激光冷却铯原子喷泉钟图5㊀NIM-Sr2锶原子光晶格钟[19]图6㊀掺铒光纤光学频率梳图7㊀基于超窄线宽激光锁定的双光梳系统或授时技术,通过GNSS实现远程时间频率源与原子时标国家计量基准UTC(NIM)的比对,进而实现远程时间频率源与UTC(NIM)的实时同步㊂以UTC (NIM)作为参考时,可在远程端以偏差优于10ns㊁合成标准不确定度优于5ns的水平复现UTC(NIM)㊂5㊀结束语从天文秒到原子秒,时间单位的不确定度已提高到5~6个数量级,目前的时间单位的不确定度已达到小数10~16的水平,而有望成为下一代秒定义的光钟的不确定度也已进入了10~19量级㊂时间单位指标的提升带动了一系列领域的技术创新和原理创新,同时也需要更多技术的支持㊂在时间频率基准的研究方面,我国的国家计量院,在铯原子喷泉钟㊁原子时标㊁光钟㊁超稳微波源㊁光学频率梳㊁时频传递等方面都开展了大量的工作并取得了一系列的成果㊂从时间频率基准的发展角度看,无论是复现秒定义的铯原子喷泉钟还是有望成为未来秒定义的光钟,一方面需要不断提高准确度㊁稳定度㊁连续运行率等技术指标,另一方面需要基于现有指标加快推动时间频率基准的传递和应用工作㊂参考文献[1]Bureau International des Poids et Mesures.SI base unit: second(s)[EB/OL].[2022-06-13].https://www./en/si-base-units/second.[2]HEAVNER T P,DONLEY E A,LEVI F,et al.First accuracy evaluation of NIST-F2[J].Metrologia,2014,51 (3):174-182.[3]BREWER S M,CHEN J S,HANKIN A M,et al.27Al+quantum-logic clock with a systematic uncertainty below 10-18[J].Physical Review Letters,2019,123(3):033201.[4]ESSEN L,PARRY J V L.An atomic standard of frequency and time interval:a Cæsium resonator[J]. 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Keywords:definition of the unit of time;time and frequency primary standard;caesium fountain clock;optical clock(收稿日期:2022-06-13)。
飞秒激光频率梳绝对测距技术综述
飞秒激光频率梳绝对测距技术综述华卿;周维虎;许艳【摘要】卫星编队飞行、地球观测、深空探测成像以及高端制造技术的快速发展,对绝对距离测量提出了更高的要求,大距离、超高准确度和快速绝对测距已成为重要的技术支撑,传统的激光测距方法已难以满足此类应用需求.飞秒激光频率梳技术的问世给高性能绝对距离测量带来了革命性的突破.本文主要分析和综述了飞秒激光频率梳测距技术的最新研究进展.【期刊名称】《计测技术》【年(卷),期】2012(032)001【总页数】6页(P1-5,14)【关键词】飞秒激光频率梳;大尺寸测量;绝对距离测量【作者】华卿;周维虎;许艳【作者单位】中国科学院光电研究院,北京 100094;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院光电研究院,北京 100094;中国科学院光电研究院,北京100094;华中科技大学光电子科学与工程学院,湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TH741.1;TN2490 引言大尺寸空间绝对距离快速测量是卫星编队飞行、地球观测、深空探测成像以及高端制造领域不可或缺的关键技术，卫星编队队形保持与控制是决定高分辨干涉成像任务成败的关键，要实现星间位置和姿态的精确控制，必须突破长距离 (数十千米)、超高准确度(微纳米量级)、快速 (数千赫兹)绝对测距，高端制造领域大型零部件外型测量、大型设备装配对接也对大尺寸高准确度快速无导轨测距提出了迫切需求。
现有的激光干涉测长技术虽然具有很高的分辨力 (纳米量级)，但是只能测量相对位移，无法给出绝度距离，干涉测量的测程一般仅有数十米至一百米，难以满足空间任务需求。
现有的绝对距离测量技术一般分为飞行时间法、相位法和多波长干涉法，限于各自的局限，难以解决测程、准确度和实时性之间的矛盾[1]。
随着超快光学的发展，“光学频率梳”技术在精密测量领域已崭露头角，其光谱范围宽、脉宽窄、重复频率稳定性高等优良的时频域特性给精密光谱测量、时间频率测量和绝对距离测量提供了新的技术手段。
飞秒光学频率梳
飞秒光学频率梳什么是飞秒光学频率梳？飞秒光学频率梳（femtosecond optical frequency comb）是一种用于测量光频率精度的工具。
它是通过将一束脉冲激光分成数以百万计的非常短的、均匀分布的光脉冲来实现的。
这些脉冲的频率之间存在固定的关系，就像音乐中的音阶一样。
因此，飞秒光学频率梳可以在光频率精度测量和时间标准等领域发挥重要作用。
飞秒光学频率梳的原理和构成飞秒光学频率梳的原理基于光学陷阱。
光学陷阱可以用来将光束分解成数个光子，然后将这些光子重新合并成新的光束。
在飞秒光学频率梳中，使用了一个脉冲激光和一个光学腔。
飞秒光学频率梳的构成包括以下几个部分：1.激光源：通常采用飞秒激光器来产生极短的激光脉冲。
2.光谱扩展：通过将激光脉冲经过一系列的非线性光学效应，可以将光的频率范围从几百纳米扩展至数千纳米。
3.光学腔：用于产生光学陷阱，将光束分解成多个光子，并重新合并成新的光束。
4.频率锁定：将光学频率梳的频率与已知的基准频率进行比较，从而实现频率的精确测量。
飞秒光学频率梳的应用领域由于飞秒光学频率梳可以提供非常高的光频率精度和稳定性，因此在许多科学和工程领域都得到了广泛的应用。
光谱分析飞秒光学频率梳可以用于精确测量光源的频率，并用于光谱分析。
这对于光源的标定和研究具有重要意义，特别是在高精度的应用中，如光纤通信和激光雷达。
时间测量由于飞秒光学频率梳具有非常高的时间分辨率，在时间测量中也得到了广泛的应用。
例如，在超快激光领域，飞秒光学频率梳可用于测量超快过程的时间尺度，如化学反应和电子运动。
光学频率标准飞秒光学频率梳可用作光学频率标准，提供非常高的频率精度和稳定性。
它可以用于校准其他光学频率源，并作为时间和频率测量的基准。
量子计量学飞秒光学频率梳在量子计量学中也有重要的应用。
它可以用于量子信息处理和量子通信等领域，为量子系统的精确测量和控制提供支持。
飞秒光学频率梳的发展和前景飞秒光学频率梳的概念最早由Theo Hänsch和John Hall提出，他们因此获得了2015年的诺贝尔物理学奖。
物理拓展与应用-3光频梳
微波频率基准 (铯钟)
飞秒光学频率梳
光学波长 (633,532nm,)
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光速的测量(17th century)
••❖准c频H1Nc9aI率S6ll精9TT比Lf,年确E较速,vH测,e测飞测an,定lsl得空小o行量其n其组间将波时振频研其长距率间荡制频值为离C测器率H8长4通8量产稳.33过.7,3频6法n生91光2变的821(的3频6H测1化237率e7电-(65N量,链(0偶1e)磁2T的稳光)Hu然mz波方频在((误激法在真/光和/差真器铯空很空,束5波中.36.大频5中长1的0标13)01的.03的群99))u标m
实现光学频率的连续测量—飞秒激光光束技术
利用脉冲激光进行激光频率的精密测量思想的提出：
➢ Eckstein J N, Ferguson A I, Hansch T W. P. R. L, 1978,40,847
➢ Baklanov Ye V, Chebotayev V P.
App. Phys. A,1977, 12, 97
11
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光频链—通过非线性变换(倍频)等手段,将 光学频率变 换到微波频率，由此测定光学频率标准的准确频率值.
• 一条光频链需要十几个不同频率的稳频激光器组成,设备庞大,不便搬运, 操作及其复杂. • 一条光频链只能测量一个激光频率—”点频测量”,极低的非线性效率. • 多次转化所形成的积累误差，决定了用其测量光频的复杂性和不确定性.
The Metre is the length of the path travelled by light (in vacuum) in 1/299 792 458 of a second (1983)
光速值由测量值变为定义值，精确地测
用光频梳测量光学原子钟的频率
管理MANAGEMENT计量荟萃目前，该研究组正开展进一步研究工作以期提升这项技术的表现。
比如这种光源可以实现多么迅速的开关操作以符合光通信的要求？另外也需要开发相应的技术使其能够被整合到可折叠的基底材料上去。
（来源：腾讯科技）ＮＰＬ：用光频梳测量光学原子钟的频率DOI:10.16569/11-3720/t.2015.07.027英国国家物理实验室（NPL）的研究人员证明了两种不同类型的飞秒光频梳之间具有高度一致性，飞秒光频梳是用来测量新一代原子钟频率的仪器。
NPL的基准钟是一台铯原子喷泉钟，复现现在的利用铯原子定义的SI单位“秒”。
但是，现在科学家研究的光钟的计时准确度比现有最好的铯原子钟的准确度都高，光学原子钟利用的是激光冷却的离子和原子。
计时准确度的提高说明未来科学家会利用光学频率重新定义秒。
但是作为基础，要先比较多种类型的光学原子钟，以此评价用它们计时的不确定度及其与现有铯原子钟的对比，并将光学原子钟的频率与现在的“秒”定义联系起来。
为比较多种类型的光学原子钟，NPL使用的工具是飞秒光频梳。
飞秒光频梳依靠的是激光器，激光器发出光脉冲，脉冲的周期极短，达到飞秒（10-15s）级别。
在频域构成了一个等间距频率分布的光谱，这些频率就相当于一把梳子上的齿，科学家利用这些梳齿准确地测量光频。
如果飞秒光频梳对光频测量的准确性没有限制，就要清楚使用光梳的测量不确定度比其测量的原子钟的不确定度小。
在《计量学》杂志刊载的一项新研究中，来自NPL的Luke Johnson、Patrick Gill和Helen Margolis比较了两种不同类型的飞秒光频梳，评价了它们的系统不确定度，一个依靠的是钛-蓝宝石激光器，另一个依靠的是掺铒光纤激光器。
比较光频与微波频率（比如铯原子钟的频率）时，两种光频梳的差别为5×10-18，而比较两种光学原子钟的频率时，两种光频梳的差别为3×10-21。
这些结果证明了两种飞秒光频梳具有高度的一致性，并且远远超过了最先进的光学原子钟（小于10-17）和铯原子钟（约为1×10-16）的系统不确定度。
2005年诺贝尔物理学奖与光学频率梳
2005年诺贝尔物理学奖与光学频率梳 3
魏 志 义
(北京凝聚态物理国家实验室 中国科学院物理研究所光物理实验室 北京 100080)
摘 要 光学频率梳是 2005年诺贝尔物理学奖的重要内容 ,本文结合时间频率标准的发展历史 ,简要介绍了飞秒 频率梳的基本原理 、发明背景 、科学意义及研究趋势. 最后通过对该项发明的思考 ,浅谈了一点对科学研究方法的不 成熟认识. 关键词 2005年度诺贝尔物理学奖 ,光学频率梳 ,飞秒激光脉冲
Abstract The development of op tical frequency comb technique greatly pushed the revolutionary p rogress in laser - based p recision spectroscopy, which shared the 2005 Nobel p rize in physics. Following the history of time - frequency standard, the basic p ricinp le and background of op tical frequency comb techniques are re2 viewed in this paper, the app lications and the latest research activities are also briefly introduced. Finally, based on the analysis on the inventive work, I give some simp le comments on the style of scientific research. Keywords 2005 Nobel p rize in physics, op tical frequency comb, fem tosecond laser pulse
什么是光学频率梳？具体应用如何？
什么是光学频率梳？具体应用如何？一、什么是光学频率梳？光学频率梳，顾名思义，是一种用于测量和分析光学频率的精密测量工具，它基于光学技术，能够将连续、稳定的光源转换成包含几百万个离散频率的高频率光谱，在光学计量学中有着众多应用。
光学频率梳是一种与光谱学紧密相关的仪器，它的功能就像光的“标尺”，让科学家能够非常精确地测定光的频率，彻底改变了基础科学。
1981年诺贝尔物理学奖得主Arthur Schawlow曾建议“除了频率，不要测量任何东西”，光学频率梳因此被认为是最准确的频率尺。
与光谱学一样，光学频率梳也可以作为精确的光谱尺，为传统的激光测距方法提供支持。
光学频率梳实际上是一种光源，它的光谱是由锐利的、窄的、等距的激光线组成的。
在最初的意义上，光学频率梳被构建为相位稳定的锁模激光器。
这种激光器能够产生连续的极短光脉冲序列，持续的时间通常为皮秒或飞秒。
尽管激光会促使具有相同能量和频率的光子发射，但并不是所有的激光都是单色的，生成超短脉冲需要大量的腔模相干干扰。
因此，锁模激光器包含数百万个固定的共振频率，它们之间有确定的相位关系。
光学频率梳的工作原理是利用光脉冲序列的相位关系来确定光的频率。
当光脉冲序列与待测信号发生干涉时，通过比较两者的相位差可以精确测量光的频率。
由于光脉冲序列非常稳定和精确，因此可以获得高精度的频率测量结果。
二、光学频率梳有哪些具体应用？光学频率梳正广泛应用于诸多领域，包括精密测量、频率标准、频率合成、光谱分析等。
以下列举几种常见应用：超高分辨率的光谱分析光学频率梳结合激光器可以实现超高分辨率的光谱分析。
通过对不同频率的光进行精确测量，可以研究材料的结构、性质以及分子能级等信息。
这个应用在天文学、化学、物理学等研究领域中具有重要作用。
高精度的频率测量和时间标准光学频率梳可用于高精度的频率测量和时间标准。
它能够提供可追踪到国际单位制的频率参考，用于校准各种测量设备和实验仪器，例如雷达测距、天文观测、原子物理实验等。
可见光的波长与频率对照表
可见光的波长与频率对照表绿光波长为500-560nm，黄光波长为580-595nm。
不同波长的可见光所对应的不同颜色。
声波的频率范围0.0001Hz～10^12Hz以上,人耳可以听到的频率范围20Hz-20000Hz,把（20000Hz～10^12Hz以上）的声音称为超声波,把（0.0001Hz～20Hz）的声音称为次声波.可见光的波段频率范围是3．9×10^14到7．7×10^14赫兹,紫外线的波段频率范围大致在8×10^14到3×10^17赫兹之间,而红外线波长的范围大致在3×10^11到约4×10^14赫兹之间.光波是电磁波,声波是机械波.光波（即电磁波的可见光谱）的速度为每秒30万公里,声波的速度为每秒340米,人的视觉神经的传递速度为每秒1200～1400米,人的听觉神经的传递速度为每秒 800～1200米.声波与光波的更大的区别在于前者需要介质,而后者不需要.声波的多普勒效应与波源、介质及观察者三者之间的相互运动有关.而光波因为没有介质,光的多普勒效应只涉及光源与观察者之间的相对运动。
换一个角度来讲,可以说光在真空中的传播也是通过某种介质,但这种介质有一个非常特殊的性质,它相对于所有的惯性参照系的运动速度都为零.正是这个特征,使得“光速与光源的运动速度无关”与“光速与观察者的运动速度无关”等价.而声波的传播媒介(空气、水等)都不具备这种“永远静止”的性质,故不存在“声速不变原理”,也无法由此导出相对论.另外,光波也能在非真空介质(如玻璃等)中传播,但是这些介质也不具备这种“永远静止”的性质,所以也不能用光波在这类介质中的传播速度替代相对论中的光速。
可见光的色散谱根据波长依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。
对应的波长（频率）在下表中列出。
可见光的波长与频率对照表名称波长（纳米）频率（兆赫）紫光波长400~435 790-680蓝光波长450~480 680-620青光波长480~490 600-620绿光波长500~560 600-530黄光波长580~595 530-510橙光波长595~605 510-480红光波长605~700 480-405光通过材料后，其强度或多或少地会减弱，实际上就是一部分光能量被固体吸收。
光钟
光钟1 引言当代最精密和最准确的计量是时间（频率）的计量，表征时间基准的重要指标是它的准确度与稳定度。
人们发现微观量子态的跃迁具有稳定不变的周期，可以用于时间标准并使其准确度与稳定度大大提高。
在此基础上，原子钟逐渐发展起来，1967年国际计量大会决定采用原子秒，定义为“秒为铯133原子（133C）基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间”。
该标准一直持续至今，实现了国际时间单位秒的标准化。
德国的PTB、加拿大的NRC的铯束原子钟的准确度达到14⨯数量级，美国的NIST的光抽2~810-运铯原子钟的准确度达到14⨯。
110-自从激光问世以来，光学频率标准一直是人们的研究重点，但由于光的频率太高，无法用现有设备直接计数，使光钟的发展受到了限制。
随着基于锁模飞秒脉冲激光的光学频率梳的发现，使光钟的实现成为可能。
2001年，美国的NIST 实现了基于单个激光冷却与囚禁199Hg+的光钟，稳定度达到了15⨯，并有望710-达到1810-数量级。
光学频率标准与微波频率标准相比具有以下优点：①光学频率比微波频率高510量级，可以把时间分割得更加精细；②由于光学频率标准是基于单个囚禁离子的频标，因此不存在离子间相互作用引起的频移与增宽效应，可获得更窄的谱线和稳定度；③跃迁频率越高，谱线的Q值越高，有利于提高频标的稳定度与准确性；④应用光学频率标准可以统一时间（频率）、长度的计量标准；⑤光学频率标准可以直接测量谱线的频率、宽度和位移等，这对研究原子、分子的能级结构，深人了解辐射场和物质相互作用的细节等都具有重要意义。
由于时频计量的不断发展，建立在基本物理常数如真空中的光速c、普朗克常数h、基本电荷e和时间s基础上的全新单位体系有望成为现实。
2光钟基本原理光钟主要由三部分组成：一是能产生稳定周期信号的振荡器，即稳频激光器（相当于原子频标的本振）；二是用来锁定稳频激光器的鉴频装置（相当于原子μ量级的单离子（或原频标的原子跃迁谱线），它是由囚禁在磁光阱中温度为K子）产生的处于光波段的跃迁（用于量子频标的理想粒子，应该是完全孤立、不受外界干扰的、在自由空间静止的粒子）；三是能将光学频率和原子频标联系到一起的频率分配器，即光学频率梳状发生器，能使光钟与微波钟联系起来，进行方便的频率比对，以对原子钟进行修正。
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从光学波长到微波频率基准:光学波长标准 - 飞秒光梳频率列 - 铯原子微波频率基准 - 光钟中国计量科学研究院(NIM) 量子处李天初, 方占军电话: (10) 6429 5811, e-mail: litch@摘要: 迄今, 光学波长依赖于传统的光学谐波波长链溯源到铯钟微波频率基准。
本文简略介绍中国计量院量子处保存和在研的激光波长标准, 报导我们研制新一代NIM4＃"激光冷却-原子喷泉"微波频率基准铯钟和"飞秒脉冲激光-光学梳状频率"的原理和进展。
冷原子喷泉钟将使我国频率基准不确定度进入10-15。
飞秒梳状频率使光学波长和微波频率直接准确地联系起来。
上述两项课题将改变我国光学波长标准和溯源系统的基本格局, 使得光学波长计量发展到一个新水平。
同时, "飞秒梳状频率"与"原子/离子存储光学频率标准"的结合, 将推动"光钟"的发展.关键词:冷原子喷泉钟; 飞秒光梳; 微波频率基准; 光学波长标准.1, 稳频激光光学波长标准 －实际复现米定义1983年, 国际计量大会(CGPM)颁布了新的米定义，将长度单位米定义为光波在一定时间间隔传播的真空距离[1], 并陆续推荐了十二条光辐射波长, 作为光学波长标准[2]。
在CGPM推荐的标准波长中, 利用饱和吸收技术将He-Ne激光频率锁定到127I2的115-5, R(127) 跃迁a i峰的633nm波长[3], 由于其结构简单、使用广泛、准确可靠而成为最常用、最常规的光学波长标准。
中国计量院(NIM)自70年代就开始了激光稳频的研究。
目前NIM保存着碘稳频633nm He-Ne激光波长标准, 不确定度为5x10－11(2σ)。
我们正在改造更新He-Ne激光543nm 波长标准, 开展碘稳频Nd:YAG激光倍频532nm波长和乙炔稳频半导体激光1542nm 波长标准的研究。
通过定期参加国际比对, 检验波长标准准确性, 我们保持着中国光学波长与国际量值一致。
2, 时间/微波频率基准 － NIM4# 铯冷原子喷泉钟1983年米定义意味着在计量的意义上米已经不再是一个独立定义量, 而是溯源到时间单位--秒。
随之, 光学波长也溯源到微波频率基准－铯原子钟。
依照1967年CGPM通过的定义, 秒是铯133同位素原子基态两个超精细能级对应辐射的9,192,631,770个周期[4]。
秒由于复现准确度高, 传递使用方便而成为国际单位制(SI)七个基本单位中使用最广, 计量意义最重要的基准量.NIM在八十年代建成磁选态铯束时间频率基准－NIM3#铯钟, 不确定度3x10－13[5]。
目前, 我们正按照当今国际最先进的原理, 研制NIM4# "激光冷却-铯原子喷泉"钟。
冷原子喷泉钟利用六束正交的激光在一个高真空腔中俘获并冷却原子。
然后通过激光频率失谐形成向上运动的行波"光学黏胶", 推动冷原子云上抛, 继而在重力场作用下自由回落。
利用氢原子钟(H maser)作为频率参考源, 经频率综合生成高质量9.19GHz微波。
原子云在上抛回落过程中两次与同一微波腔中的9.19GHz TE011微波场作用, 发生钟跃迁。
回落原子云与探测激光作用产生荧光。
携带钟跃迁误差信息的荧光信号被探测器接收, 经计算机处理, 反馈控制微波频率, 输出标准频率[6]。
传统铯钟铯束流温度~150o C, 铯原子热运动速度高达~150m/s, 因而产生多普勒频移。
冷原子钟利用激光冷却将原子速度减低到2~3cm/s。
在这样的超低温下, 多普勒频移大大减小。
传统铯钟的原子束依次通过两个独立的微波场, 产生兰姆森条纹。
喷泉钟的原子云上抛和自由回落过程中两次通过同一微波腔, 避免了两个腔不一致引入的腔相位差频移。
喷泉钟原子云上抛初速度3~4m/s, 远小于传统铯钟~150m/s的铯束流速度, 使两次与微波作用之间的渡越时间增加了100倍，导致1~2Hz的超窄Ramsey条纹, 提高频率锁定精度。
传统铯钟借助磁场赛曼效应实现原子选态, 不仅原子利用率低, 而且选态强磁场导致Majorana跃迁引起的频移; 冷原子钟利用光选态, 原子利用率高, 有效改善了信号信噪比, 同时避免了强磁场带来的误差。
冷原子喷泉钟利用当代最先进的科学技术成果, 从原理上克服了铯束钟的几项重要误差源, 改善了信噪比, 将时间频率基准的不确定度提高到一个新水平[6]。
我们于1998年实现了激光冷却磁光阱-光学粘胶原子云。
2001年获得原子云"飞行下落"荧光信号, 并将原子冷却到5~9µK[7]。
2002年初最终构建了完整的喷泉钟本体, 实现了原子云上抛; 微波与上抛-回落原子云作用; 12月在国内首次在冷原子喷泉上实现微波与冷原子作用的Ramsey跃迁[8]。
图1显示一组NIM4#钟Ramsey曲线: 原子云上抛74cm, Ramsey条纹HWHM宽度~0.95Hz。
2003年1月将9.19GHz微波锁定到NIM4#钟铯冷原子的秒定义跃迁。
图2为H-maser对NIM4#钟锁频典型实验曲线, 锁定时间秒(从月日到月日), 数据的Allen方差: 2x10-13/秒, 4x10-14/10000秒.在研制激光冷原子钟的过程中, 涉及复杂的技术和多方面的困难, 然而: (1)捕获足够数量的原子并冷却到超低温; (2)上抛冷原子云并获取信噪比良好的回落信号和(3)实现微波与上抛-回落原子云作用是三个关键技术台阶。
我们已经掌握了这三项关键的基础理论和核心技术。
希望在不久的将来通过误差评估确定和修正系统误差, 使NIM4#钟锁定频率不确定度进入10-15量级, 建成我国新一代具有国际先进水平的时间频率基准装置。
3, 光学梳状频率 －直接联系光学波长与微波频率迄今, CGPM推荐的标准波长都是直接或间接地依靠"谐波光学频率链"溯源到铯原子微波频率基准, 溯源不确定度在10-10 ~ 10-12量级。
谐波光学频率链是复杂、昂贵而庞大的装置[9]。
中国计量院在八、九十年代曾立题研制光频链, 耗时十年, 终于半途放弃。
1999年, 德国马克思-普朗克(Max-Planck)研究所的Dr. T.Hansch小组提出并实现了"锁模飞秒脉冲激光-晶体光子光纤-梳状光学频率列", 一举将全部可见-近红外光波波段与铯钟微波频率直接联系起来[10].中国计量院正在研究建立飞秒梳状光学频率列(fs光梳)装置。
我们用Nd:YAG倍频激光(Coherent Verdi-V8)泵浦掺钛蓝宝石激光(GigaOptics GigaJet20)发出超窄脉冲列。
脉冲宽度~25fs, 脉冲重复频率f r ~1GHz, 中心波长~810nm。
按付立叶变换, 在时域的窄脉冲列, 相当于频域的等间隔梳状频率列, 其频率间隔等于时域脉冲重复频率f r。
因为实际应用的激光脉冲不可能实现无限窄, 所以频域的光频率梳也不是等幅, 即光梳覆盖范围不是无限宽, 一般在30nm左右。
为了进一步扩展梳状频率列的覆盖范围, 将fs激光输出的脉冲引入一段"晶体光子光纤", 利用高功率密度的超窄光脉冲在光纤蜂窝状芯区产生强非线性效应, 将光梳覆盖范围扩展到超过一个倍频程, 500 - 1100nm, 从而在覆盖几乎全部可见和近红外的频段内产生~106个分立的频率, 组成光学频率梳(图3)。
光梳中第n个模的频率为:f n = n f r + f0, (1)式中f0为频率列的初始频率偏移.下一步我们将利用上节所述NIM4#钟作为标准频率锁定梳状频率。
利用PLL将蓝宝石激光的脉冲重复频率f r锁定到铯钟微波频率, 相当于在频域锁定了梳状频率列的频率间隔(图3)。
将梳状频率列低频端频率倍频, 得到含有初始频率偏移f0信息的2 (f0＋n1 f r), 与频率列高端的频率(f0＋2 n2 f r)= (f0＋2 n1 f r)差拍, 得到:(f0＋n1 f r) - (f0＋2 n1 f r) = f0. (2)2将f0也锁定到铯钟频率, 从而锁定整个频率列的初始绝对频率(图3)[11]。
于是得到准确、覆盖整个可见-近红外波段、间隔1GHz的标准光学频率梳。
任何一个落在上述光梳范围的波长λM, 和这个梳状频率列差拍, 通过低通滤波器, 都会产生一个小于f r/2= 500MHz的频差∆f。
根据被测波长的预估值判定频率梳中产生差拍的相应第m次模式的频率(f0＋mf r), 准确测量∆f, 立即得到被测波长的准确值λM:f m = (f0＋mf r) + ∆f, (3)λm = C/f M, (4)式中f m为被测光频率; C表示真空光速.由于fs光梳本身频率锁定的跟踪能力非常高, 由于我们正在研制的NIM4#铯钟预计不确定度高达10-15量级, 因此期望梳状频率列可以以10-13的不确定度直接校准/检定被测波长。
预期fs光梳将会改变我国光学波长标准-传递系统的格局, 促进波长计量发展到一个新水平。
4, 光钟 – 下一代频率基准？"fs激光梳状频率"将微波频率基准与光学频率/波长"相位相干"地联系起来, 一方面提供了光学波长向微波频标的直接、可靠、准确溯源, 一方面也为光钟的实用化铺平了道路。
早在80年代, 人们就认识到利用激光冷原子/离子存储技术锁定超窄线宽激光，可以得到极其稳定的光学频率。
到九十年代, 激光线宽已经压缩到小于0.6Hz; 199Hg+ (282nm), 40Ca (657nm) 等光学频率的稳定性和复现性已达到10-15~10-16, 并有10-18的潜力[12,13]。
但是, 不同光波之间和某一光波与铯微波频标之间的频差测量都是极其庞大复杂, 价格昂贵的工程, 成为光频标实际应用的障碍。
fs光梳的出现, 由于其先天原理上的巧妙和优越, 一举提供了一个准确实用、价格可以接受的"光学频率综合器"。
正是由于fs 光梳的研制成功和迅速推广应用, 使"冷原子/离子存储稳频的光频标"与"fs光梳"结合组成"光钟"[14]。
光钟的研究是2002年以来国际计量发展的一个新热点。
5, 感谢衷心感谢科技部基础研究项目对NIM4#冷原子铯喷泉钟、fs光梳、532nm波长标准, 自然科学基金对532nm和1.5µm 波长标准的支持.衷心感谢中国计量院量子处波长组、光频组、铯钟组、光电子组的出色研究工作.[参考文献][1] "Resolution 1, "17th CGPM (1983), <Metroiogia> V20p25 (1984).[2] "Recommendation 1" (CI-1997), CIPM (1997), <Metrologia> V32p (1998).[3] T.Quinn, "Results of recent international comparisons of national measurement standards carried out by the BIPM," <Metrologia> V33P271 (1996).[4] Resolution 1, 13th CGPM (1967-1968), <Metrologia> V4P43 (1968).[5] 李明寿等, <计量学报> N8p259 (1987).[6] A.Clairon et al, "A cesium fountain frequency standard: preliminary results, " IEEE Trans. IM44p128 (1995).[7] 李天初, "NIM铯原子喷泉实现磁光阱-光学粘胶原子云并冷却到10 µK," <计量学报> V22N3p239, (2001).[8] 李天初等, "NIM4#铯原子喷泉实现Ramsey跃迁和频率锁定," 已投<计量学报>, (2003).[9] D.A.Jennings et al and J.L.Hall, "Direct frequency measurement of the I2-stabilized He-Ne 473 THz (633nm) laser," <Opt. Lett.> V8p136 (1983).[10] Th.Udem et al and T.Hansch "Absolute optical frequency measurement of the Cesium D1 line witha mode-locked laser, " <Phys. Rev. Lett> N82p3568 (1999).[11] R.Holzwarth, Th.Udem and T.W.Hansch, <Phys.Rev.Lett.> V85p2264(2000).[12] R.J.Rafac et al, D.G.Wineland and J.C.Bergquist, "Sub-dekaherth ultraviolet spectroscopy of 199Hg+," <Phys. Rev. Lett.> N85p2462 (2000).[13] C.W.Oates et al, "Improved short-term stability of optical frequency standards: approaching 1 Hz in 1s with the Ca standard at 657 nm," <Phys. Rev. Lett> N82p3568 (1999).[14] S.A.Diddams et al, "An Optical Clock Based on a Single Trapped 199Hg+ Ion," <Science>N293p825 (2001).N4/(N3+N4) 1.00.50.0-60 0 60 (Hz)图1, 一组NIM4#钟微波与冷原子作用的Ramsey跃迁曲线。