原子鐘概述.doc

第2章原子鐘概述2.1原子鐘的定義原子鐘，是一種利用原子、分子能級(jí)差為基準(zhǔn)信號(hào)來校準(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)，通過光電轉(zhuǎn)化、信號(hào)處理后獲得用來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)到千萬年僅差一秒或者更高的水平。2.2原子鐘的發(fā)展歷程在原子鐘出現(xiàn)以前，最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具是以晶體振蕩器為代表的電子鐘表和掛鐘為代表的機(jī)械力學(xué)鐘表，它們幾乎可以滿足人們的如常生活需要，但是在對(duì)計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度要求較高的科研或生產(chǎn)領(lǐng)域還是不能滿足要求。原子鐘的發(fā)展，最早可以追溯到1938年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的拉比（Rabi）和他的學(xué)生發(fā)明了分子束磁共振技術(shù)。他們用磁共振技術(shù)觀察到了原子超精細(xì)能級(jí)間的躍遷，指出當(dāng)一束原子通過一個(gè)振動(dòng)的電磁場(chǎng)時(shí)，電磁場(chǎng)的振動(dòng)頻率越接近超精細(xì)能級(jí)間的躍遷頻率，原子從電磁場(chǎng)吸收的能量就會(huì)越多，從而使更多原子躍遷。他們由此提出應(yīng)用反饋回路可以調(diào)節(jié)電磁場(chǎng)的振動(dòng)頻率，直到所有原子都可以躍遷。這就是實(shí)現(xiàn)原子鐘的基本理論基礎(chǔ)。通過使電磁場(chǎng)振動(dòng)頻率與原子精細(xì)能級(jí)躍遷頻率共振，用電磁場(chǎng)的共振頻率調(diào)節(jié)晶體振蕩器的頻率，就能使晶振頻率嚴(yán)格跟隨電磁場(chǎng)振動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)頻率輸出的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。再通過相應(yīng)的控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)，就能使晶振輸出準(zhǔn)確、穩(wěn)恒的振動(dòng)頻率，用這個(gè)頻率為基準(zhǔn)，就可以實(shí)現(xiàn)精確時(shí)。1949年，在美國(guó)誕生了以氨分子為樣品的世界上第一臺(tái)原子鐘，其輸出頻率為23.8GHz。與當(dāng)時(shí)最精確的石英鐘相比，它已經(jīng)相當(dāng)精確了。但是它由眾多器件構(gòu)成，體型巨大，對(duì)于大應(yīng)用領(lǐng)域來說，實(shí)用性不強(qiáng)。1955年，在英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室建成了第一臺(tái)銫原子鐘。1960年，拉姆齊(NRamsey)等人成功研制出第一臺(tái)氫原子鐘，通常人們把它叫做氫微波激射器（H maser）。隨著原子鐘技術(shù)的發(fā)展和成熟，原子鐘的輸出頻率信號(hào)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性等指標(biāo)不斷提高，原子鐘計(jì)時(shí)也越來越精確。在1967年的第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上通過了以銫原子為基礎(chǔ)的時(shí)間基本單位原子秒的定義，即1原子秒等于133Cs原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間輻射頻率的9192631770倍。此后，原子鐘技術(shù)不斷發(fā)展，原子鐘的巨大發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值吸引了很多國(guó)家和組織的關(guān)注，原子鐘的發(fā)展也進(jìn)入了一個(gè)新的階段。1999年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的NIST-F1投入使用，其頻率穩(wěn)定度為1.710-15，相當(dāng)于約2000萬年只偏差1秒，在當(dāng)時(shí)，成為有史以來最精確的計(jì)時(shí)工具，而現(xiàn)在的原子鐘可以達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的原子鐘研究始于20世紀(jì)五十年代，目前中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、中科院上海天文臺(tái)、中科院上海光機(jī)所、北京大學(xué)、中國(guó)計(jì)量研究院、上海計(jì)量研究所等單位都開展了原子鐘的相關(guān)研究，有些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品化。美國(guó)的主要研究單位是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所，另外還有一些知名大學(xué)也有相關(guān)的研究項(xiàng)目。除此以外，德國(guó)、法國(guó)、意大利、加拿大、日本等國(guó)也有住專門的機(jī)構(gòu)進(jìn)行原子鐘研究1。2.3原子鐘的分類隨著物理學(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?，F(xiàn)代原子鐘所采用的許多技術(shù)都與脈澤、激光以及后來的激光光譜學(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囚禁技術(shù)的產(chǎn)生2，很多新型原子鐘也應(yīng)運(yùn)而生。2.3.1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2。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。圖1 原子噴泉的原理圖22.3.2 離子阱微波原子鐘離子阱微波原子鐘通過把作為工作物質(zhì)的原子離子在特定構(gòu)型電極上的靜電、磁場(chǎng)或射頻場(chǎng)構(gòu)成的離子阱的作用下約束在超高真空的甚小尺度范圍內(nèi)，再利用離子躍遷產(chǎn)生的鑒頻信號(hào)把實(shí)用頻標(biāo)信號(hào)鎖定在頻率穩(wěn)定度高、譜線值高的的離子躍遷譜線上，從而實(shí)現(xiàn)頻率鎖定。由于離子處于幾乎不受外界干擾的環(huán)境下，在外界參數(shù)十分穩(wěn)定時(shí)，離子與探測(cè)場(chǎng)的作用時(shí)間很長(zhǎng)，因此離子阱微波原子鐘比傳統(tǒng)的原子鐘具有更好的性能2。2.3.3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2。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，躍遷信息通過光電倍增管來檢測(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K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。2.3.4相干布居囚禁（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)無反轉(zhuǎn)光放大或電磁誘導(dǎo)透明1。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)過電路處理后就可以用來鎖定本機(jī)振蕩器，從而實(shí)現(xiàn)原子鐘系統(tǒng)3。2.3.5脈沖光抽運(yùn)（POP）銣原子鐘由于光頻移和光檢噪聲的存在，傳統(tǒng)的銣原子鐘和CPT型銣原子鐘頻率穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度性能指標(biāo)并不高，這些因素成為了提高銣原子鐘性能的瓶頸2。造成這種情況的原因是在銣原子鐘工作時(shí)，態(tài)選擇光抽運(yùn)、微波共振和鐘躍遷同時(shí)存在而相互干擾。脈沖光抽運(yùn)的基本思想是把這三個(gè)過程在時(shí)序上分離，使原子與微波場(chǎng)相互作用時(shí)沒有光抽運(yùn)的存在，原子處于一個(gè)純二能級(jí)系統(tǒng)。這樣就可以消除光頻移，提高銣原子鐘的中長(zhǎng)期穩(wěn)定性2。2.3.6 積分球冷原子鐘將低于原子共振頻率的激光注入高反射率的積分球中，利用球的漫反射的紅移激光，把原子囚禁和冷卻在球(微波腔)的中心，然后對(duì)原子進(jìn)行微波激勵(lì)。由于原子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移使原子吸收的能量總大于自發(fā)輻射的能量，因此原子受自發(fā)輻射力的作用，速度減慢而被冷卻，從而獲得更窄的譜線4,5。分析表明，積分球冷卻比六束激光的光學(xué)粘膠冷卻更有效，可以捕獲速度更寬的原子，俘獲更多的超冷原子2。積分球冷可以做到全光冷卻，不需要磁光阱俘獲冷原子時(shí)所需的大磁場(chǎng)，所以功耗很低。另外積分球冷卻效率高，不受積分球幾何形狀的限制，還可以把積分球同時(shí)作為諧振腔，所以積分球冷原子鐘具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適合作為星載原子鐘，應(yīng)用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有很大的應(yīng)用前景2。除了上述幾類原子鐘外，還可以按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)分類原子鐘。原子鐘的工作物質(zhì)主要有原子、分子以及離子，實(shí)現(xiàn)躍遷信號(hào)鎖定的物理方法主要有相干布居囚禁（CPT）、脈沖光抽運(yùn)（POP）、原子噴泉、連續(xù)光抽運(yùn)、Ramsey干涉和微波腔共振等，鐘躍遷頻率主要在微波段和光頻段，在上文中的論述中主要是根據(jù)原子鐘實(shí)現(xiàn)原理的區(qū)別加以分類說明。2.4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)6。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)用的最大體現(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，是目前最精確的原子鐘，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)用是在全球定位系統(tǒng)（GPS）上的應(yīng)用。GPS系統(tǒng)利用精確的三維測(cè)距來實(shí)現(xiàn)定位。實(shí)現(xiàn)精確的長(zhǎng)度測(cè)量是通過轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)量電磁波的傳播時(shí)間來實(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，通過測(cè)量電磁波來回傳播的時(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，來回時(shí)間極短，一般的計(jì)時(shí)器是根本無法測(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最精確的時(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7。高精度的原子鐘還是基礎(chǔ)研究中的利器。人們可以借助它完成對(duì)廣義相對(duì)論的驗(yàn)證、特殊參考系的研究、物質(zhì)與反物質(zhì)的對(duì)稱性以及量子力學(xué)理論的驗(yàn)證等工作7。在20032004年期間。NIST、PTB、BNMSYRTE以及德國(guó)馬克思普朗克研究所(MPQ)等幾個(gè)研究單位先后利用其高精度、高穩(wěn)定度的原子鐘，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時(shí)間的變化每年小于10-15量級(jí)，從而證明量子力學(xué)在這一時(shí)間尺度是正確的7。此外，不斷改進(jìn)的原子鐘給原子分子波譜學(xué)帶來了翻天覆地的變化。由于原子分子的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，即使是用當(dāng)今最快的計(jì)算機(jī)來從理論上分析一個(gè)小小的原子或分子的能級(jí)結(jié)構(gòu),也需要幾千年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。利用原子鐘通過實(shí)驗(yàn)的手段來分析原子分子結(jié)構(gòu)則可以達(dá)到比理論計(jì)算高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的精度7。除此之外，在研究宇宙的形成以及星系的分布時(shí)，原子鐘也是一種有效的工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，原子鐘被應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域，除了一些傳統(tǒng)的應(yīng)用外，微型化、高精度的原子鐘可以用于計(jì)算機(jī)芯片、商用手持終端等領(lǐng)域，在今后數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā)展以及進(jìn)步中有著廣闊的應(yīng)用前景。2.5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)性等來衡量。2.5.1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)與公認(rèn)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，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7。2.5.2 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7。需要說明的是長(zhǎng)期與短期頻率穩(wěn)定度并沒有嚴(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。2.5.3 頻率復(fù)現(xiàn)性頻率復(fù)現(xiàn)