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、分子能級差為基準信號來校準晶體振蕩器或激光器頻率，以使其輸出標準頻率信號的一種裝置。它利用原子能級躍遷產(chǎn)生的光信號，通過光電轉(zhuǎn)化、信號處理后獲得用來修正晶振或激光器頻率的負反饋糾偏信號，使其輸出穩(wěn)恒振蕩頻率，這種輸出頻率可以用來精確計量時間。根據(jù)采用的原子種類和技術手段的不同，原子鐘可以分為很多種。因為特定原子能級之間的能極差是很穩(wěn)定的，所以原子鐘的準確度很高，可以達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，最準確的計時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械力學鐘表，它們幾乎可以滿足人們的如常生活需要，但是在對計時準確度要求較高的科研或生產(chǎn)領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，美國哥倫比亞大學的拉比（Rabi）和他的學生發(fā)明了分子束磁共振技術。他們用磁共振技術觀察到了原子超精細能級間的躍遷，指出當一束原子通過一個振動的電磁場時，電磁場的振動頻率越接近超精細能級間的躍遷頻率，原子從電磁場吸收的能量就會越多，從而使更多原子躍遷。他們由此提出應用反饋回路可以調(diào)節(jié)電磁場的振動頻率，直到所有原子都可以躍遷。這就是實現(xiàn)原子鐘的基本理論基礎。通過使電磁場振動頻率與原子精細能級躍遷頻率共振，用電磁場的共振頻率調(diào)節(jié)晶體振蕩器的頻率，就能使晶振頻率嚴格跟隨電磁場振動頻率，實現(xiàn)頻率輸出的準確性和穩(wěn)定性。再通過相應的控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)，就能使晶振輸出準確、穩(wěn)恒的振動頻率，用這個頻率為基準，就可以實現(xiàn)精確時。1949年，在美國誕生了以氨分子為樣品的世界上第一臺原子鐘，其輸出頻率為23.8GHz。與當時最精確的石英鐘相比，它已經(jīng)相當精確了。但是它由眾多器件構成，體型巨大，對于大應用領域來說，實用性不強。1955年，在英國國家物理實驗室建成了第一臺銫原子鐘。1960年，拉姆齊(NRamsey)等人成功研制出第一臺氫原子鐘，通常人們把它叫做氫微波激射器（H maser）。隨著原子鐘技術的發(fā)展和成熟，原子鐘的輸出頻率信號的準確性、穩(wěn)定性和復現(xiàn)性等指標不斷提高，原子鐘計時也越來越精確。在1967年的第十三屆國際計量大會上通過了以銫原子為基礎的時間基本單位原子秒的定義，即1原子秒等于133Cs原子基態(tài)兩個超精細能級間輻射頻率的9192631770倍。此后，原子鐘技術不斷發(fā)展，原子鐘的巨大發(fā)展?jié)摿蛻脙r值吸引了很多國家和組織的關注，原子鐘的發(fā)展也進入了一個新的階段。1999年，美國國家標準與技術研究所的NIST-F1投入使用，其頻率穩(wěn)定度為1.710-15，相當于約2000萬年只偏差1秒，在當時，成為有史以來最精確的計時工具，而現(xiàn)在的原子鐘可以達到更高的標準。我國的原子鐘研究始于20世紀五十年代，目前中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所、中科院上海天文臺、中科院上海光機所、北京大學、中國計量研究院、上海計量研究所等單位都開展了原子鐘的相關研究，有些已經(jīng)實現(xiàn)了商品化。美國的主要研究單位是美國國家標準與技術研究所，另外還有一些知名大學也有相關的研究項目。除此以外，德國、法國、意大利、加拿大、日本等國也有住專門的機構進行原子鐘研究1。2.3原子鐘的分類隨著物理學技術的發(fā)展，特別是與原子鐘技術有關的原子、分子和光學物理方面的進步，極大地促進了原子鐘技術的發(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都與脈澤、激光以及后來的激光光譜學新領域的發(fā)展密不可分。這些技術的發(fā)展導致原子和離子的激光冷卻和囚禁技術的產(chǎn)生2，很多新型原子鐘也應運而生。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，結構也大同小異2。噴泉原子鐘工作時，冷原子云在電磁場以及重力的作用下沿噴泉管上下運動，以完成原子能級變化的檢測，就像噴泉一樣，所以取了一個形象的名字噴泉鐘。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型電極上的靜電、磁場或射頻場構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)生的鑒頻信號把實用頻標信號鎖定在頻率穩(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，離子與探測場的作用時間很長，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準的原子能級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被激光冷卻的工作物質(zhì)（原子或離子），激勵被冷卻的工作物質(zhì)發(fā)生躍遷，使用一個聲光調(diào)制器（AOM）調(diào)節(jié)探測激光的頻率，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，以原子躍遷產(chǎn)生的信號作為參考信號，并通過聲光調(diào)制器和伺服系統(tǒng)調(diào)制探測激光的頻率，使其鎖定到原子的共振中心頻率。因為光頻率比微波頻率高大約5個量級，激光冷卻可以把元素樣品冷卻到K量級的低溫，從而使譜線具有很高的Q值，所以原子光鐘可以達到很高的準確度和穩(wěn)定度，頻率穩(wěn)定度可以達到10-17甚至10-18量級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), 是激光場可以使具有特定構型的原子能級之間產(chǎn)生相干耦合, 在基態(tài)兩個能態(tài)之間形成CPT,從而實現(xiàn)無反轉(zhuǎn)光放大或電磁誘導透明1。用兩束相干的激光激勵堿金屬蒸汽腔中的原子，當兩束激光的頻率差值等于堿金屬基態(tài)的超精細能級差，并滿足共振條件時，激光與堿金屬超精細能級共振，呈現(xiàn)電磁誘導透明現(xiàn)象。利用電磁誘導透明信號，并經(jīng)過電路處理后就可以用來鎖定本機振蕩器，從而實現(xiàn)原子鐘系統(tǒng)3。2.3.5脈沖光抽運（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)定性和準確度性能指標并不高，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，態(tài)選擇光抽運、微波共振和鐘躍遷同時存在而相互干擾。脈沖光抽運的基本思想是把這三個過程在時序上分離，使原子與微波場相互作用時沒有光抽運的存在，原子處于一個純二能級系統(tǒng)。這樣就可以消除光頻移，提高銣原子鐘的中長期穩(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，然后對原子進行微波激勵。由于原子運動產(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所需的大磁場，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作為諧振腔，所以積分球冷原子鐘具有體積小、重量輕、結構簡單等優(yōu)點，適合作為星載原子鐘，應用于導航定位系統(tǒng)，具有很大的應用前景2。除了上述幾類原子鐘外，還可以按照不同的分類標準分類原子鐘。原子鐘的工作物質(zhì)主要有原子、分子以及離子，實現(xiàn)躍遷信號鎖定的物理方法主要有相干布居囚禁（CPT）、脈沖光抽運（POP）、原子噴泉、連續(xù)光抽運、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)原子鐘實現(xiàn)原理的區(qū)別加以分類說明。2.4原子鐘的應用頻率標準的發(fā)展對于一個國家的經(jīng)濟、科學與技術、國防與社會安全有著相當?shù)闹匾饬x，由于制造、交通運輸、通訊和信息技術的不斷飛速發(fā)展，時間和頻率測量的準確度和精確度也越來越高。導航、定位、測地學、天文觀測、網(wǎng)絡授時和同步都需要高穩(wěn)定度和準確度的頻率標準6。原子鐘作為一種高精度的計時儀器,目前已經(jīng)應用在了人類活動的很多領域，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時裝置，原子鐘最重要的應用當然是高準確度的時間計量服務。在我國，人們通常根據(jù)重要電視臺播報的時間來校準自己的時鐘，而校準這一時間的時鐘就是銫原子鐘。由于銫原子鐘準確度較高，可以達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時鐘。我們每天從電視、廣播或者網(wǎng)絡等得到的報時服務，就是原子鐘這一應用的最大體現(xiàn)。而據(jù)英國每日電訊報的報道，美國研究人員已經(jīng)制造出了最守時的原子鐘，其精度高達3億年內(nèi)只差一秒，是目前最精確的原子鐘，可用于調(diào)整國際時區(qū)以及衛(wèi)星系統(tǒng)。除了做時間基準外，原子鐘最重要的工程應用是在全球定位系統(tǒng)（GPS）上的應用。GPS系統(tǒng)利用精確的三維測距來實現(xiàn)定位。實現(xiàn)精確的長度測量是通過轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量電磁波的傳播時間來實現(xiàn)的。電磁波是一種高頻波，幾乎只沿直線傳播，當遇到障礙物時就會反射回來，通過測量電磁波來回傳播的時間就可以實現(xiàn)距離的測量。但是，電磁波是以光速(c= 299792458m/s)傳播的，來回時間極短，一般的計時器是根本無法測出這么短的時間，要準確測量就需要非常精確的計時裝置，而原子鐘是目前人類所能掌握的最精確的時鐘，自然被用作實現(xiàn)精確測距的“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)和生活中的應用越來越普遍，性能指標不斷提高的原子鐘不僅讓人們享受更好的服務，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，原子鐘還廣泛應用在通信、導航、電視、天文地理測量、精密儀器校準等諸多領域7。高精度的原子鐘還是基礎研究中的利器。人們可以借助它完成對廣義相對論的驗證、特殊參考系的研究、物質(zhì)與反物質(zhì)的對稱性以及量子力學理論的驗證等工作7。在20032004年期間。NIST、PTB、BNMSYRTE以及德國馬克思普朗克研究所(MPQ)等幾個研究單位先后利用其高精度、高穩(wěn)定度的原子鐘，從實驗上驗證了精細結構常數(shù)隨時間的變化每年小于10-15量級，從而證明量子力學在這一時間尺度是正確的7。此外，不斷改進的原子鐘給原子分子波譜學帶來了翻天覆地的變化。由于原子分子的結構極其復雜，即使是用當今最快的計算機來從理論上分析一個小小的原子或分子的能級結構,也需要幾千年甚至更長的時間。利用原子鐘通過實驗的手段來分析原子分子結構則可以達到比理論計算高出幾個數(shù)量級的精度7。除此之外，在研究宇宙的形成以及星系的分布時，原子鐘也是一種有效的工具。隨著科學技術的發(fā)展，原子鐘被應用到越來越多的領域，除了一些傳統(tǒng)的應用外，微型化、高精度的原子鐘可以用于計算機芯片、商用手持終端等領域，在今后數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā)展以及進步中有著廣闊的應用前景。2.5原子鐘性能指標原子鐘輸出頻率的性能可以用輸出頻率信號的準確性、穩(wěn)定性和復現(xiàn)性等來衡量。2.5.1頻率準確度頻率信號的準確度指某一臺實際的原子鐘輸出信號與公認的標準信號的頻率差異的不確定程度。得到這一參數(shù)有兩種方法，一種是制作兩臺以上采用相同原理和結構的原子鐘，通過比較它們的輸出頻率間的差別，采用不確定度表征，從實驗上獲得。另一種是考察制作原子鐘的每一個環(huán)節(jié)，根據(jù)原理和技術誤差從理論上計算得到這一參數(shù)。把這兩種方法結合起來，用實驗結果修正理論計算，可以獲得更準確的結果7。2.5.2 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度是指輸出頻率隨時間的變化程度，長時間的緩慢變化稱為頻率的長期頻率穩(wěn)定度，短時間內(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。需要說明的是長期與短期頻率穩(wěn)定度并沒有嚴格的界限。通常把長時間連續(xù)工作時輸出頻率的緩慢漂移稱為長期穩(wěn)定性，而在一個小時內(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，獲得的電磁信號線寬越窄，相應的信噪比越高，短期穩(wěn)定度越好。一個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 頻率復現(xiàn)性頻率復現(xiàn)