原子鐘的發(fā)展及其應(yīng)用淺析

1、原子鐘的發(fā)展及其應(yīng)用淺析摘要：原子鐘作為精密的時(shí)間測量儀器，在科學(xué)研究和技術(shù)方面廣闊的應(yīng)用空 間。經(jīng)過進(jìn)百年的發(fā)展，原子鐘的精度、穩(wěn)定性、尺寸和使用成本相比于剛發(fā)明 時(shí)有了很大的提高，并且已經(jīng)被應(yīng)用于科研和生產(chǎn)生活方方面面。本文主要介紹 了原子鐘的工作原理，幾種應(yīng)用較廣的原子鐘類型以及原子鐘的應(yīng)用，并提出了 一些原子鐘有待改進(jìn)的問題。關(guān)鍵字：原子鐘超精細(xì)能級激光GPS全球定位系統(tǒng)一、引言眾所周知，時(shí)間的測量與國民經(jīng)濟(jì)、國防、科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)酥寥嗣竦纳蠲芮邢?關(guān)。在實(shí)驗(yàn)室等場合，人們對精密時(shí)間測量有很高的要求，但現(xiàn)在日常生活中常 見的計(jì)時(shí)儀器如石英表、電子表等都無法很好地滿足人們的需求，因此我們迫切

2、 需要一種精確計(jì)時(shí)儀器，隨后便有了原子鐘的發(fā)明。最早的傳統(tǒng)型原子鐘由Isidor Rabi與他的學(xué)生在20世紀(jì)30年代發(fā)明，其主要原 理是超精細(xì)能級躍遷。盡管它最初本是由Isidor Rabi創(chuàng)造出來用于探索宇宙本質(zhì) 的，但其后有了許多應(yīng)用。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)型原子鐘演變?yōu)槎喾N類型的新一代原子鐘，主要有 冷原子噴泉鐘、空間基準(zhǔn)鐘、氣泡型冷原子鐘以及CBT鐘和光鐘等。同時(shí)，原子 鐘也獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用，重要性也更加顯著：它被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、信息等 領(lǐng)域，例如如今已滲透到人們生活各個(gè)方面的GPS的主要控制部分就含有原子鐘。 原子鐘為遠(yuǎn)距離精確定位提供了基礎(chǔ)。在高科技研究方面，由于原子鐘而

3、能精確 地獲得時(shí)間數(shù)據(jù)，使得測量耗時(shí)短的物理過程成為可能，可以提高研究水平以及 結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本文以下部分將依次闡述原子鐘的基本原理、原子鐘的 主要類型、原子鐘在生活工業(yè)和科技方面的應(yīng)用，以及其局限性和發(fā)展前景。二、原子鐘的原理目前所有種類的原子鐘都是以超精細(xì)能級躍遷為基本原理設(shè)計(jì)的。本段首先解釋什么是超精細(xì)能級躍遷。原子核外的電子只能在特定的、不同的軌道上運(yùn)動，不同軌道上的電子有不同的 能量，不同的能量值稱之為能級。核外電子能在不同的軌道上躍遷，使原子有不 同的能量，即處于不同的能級。當(dāng)電子處在最低能級時(shí)，原子處在基態(tài)。當(dāng)電子 具有比最低能級更高的能量時(shí)，原子處在激發(fā)態(tài)。電子吸收能量

4、可以從低能級躍 遷到高能級，但高能級是不穩(wěn)定的，電子很容易回到低能級，并釋放出具有穩(wěn)定 頻率的輻射。在特定的情況下，原子的能級可以發(fā)生分裂，即同一個(gè)能級分裂形 成兩個(gè)或多個(gè)能量差很小的能級，成為精細(xì)能級；精細(xì)能級在特定情況下又可以 分裂，形成超精細(xì)能級。原子在兩個(gè)超精細(xì)能級之間躍遷的過程就稱為超精細(xì)能 級躍遷。超精細(xì)能級躍遷因只與原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，受外界影響較小，具有較好的穩(wěn)定性。 相比于超精細(xì)能級躍遷，原子在其他能級之間躍遷所釋放的能量較大，即對應(yīng)的 電磁波的頻率較大，常處于紅外光、可見光乃至紫外光波段，不利于利用電學(xué)儀 器探測其頻率；而原子在進(jìn)行超精細(xì)能級躍遷時(shí)釋放的能量較小，即對應(yīng)的電磁

5、 波頻率較低，常處在微波波段，非常適合使用電學(xué)儀器進(jìn)行探測，從而完成捕捉 穩(wěn)定震蕩信號。原子在超精細(xì)能級間躍遷產(chǎn)生的電磁波以其特有的穩(wěn)定性和可探 測性確保了原子鐘的精密與準(zhǔn)確。原子鐘的基本工作原理如圖1所示。圖1.原子鐘的基本結(jié)構(gòu)人為的使晶體振蕩器產(chǎn)生頻率不定但接近超精細(xì)能級躍遷輻射的頻率的電磁 波，使原子發(fā)生超精細(xì)能級躍遷（即從低能級E1躍遷到高能級E2）；由于原子 躍遷到更高能級后不穩(wěn)定，因此很容易從高能級E2回到低能級E1，同時(shí)發(fā)射出 特定頻率的電磁波；系統(tǒng)捕捉到原子發(fā)出的電磁波，再不斷根據(jù)捕捉到的電磁波 頻率為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)晶體振蕩器，直到晶體振蕩器發(fā)射的電磁波頻率和原子超精細(xì)能 級躍遷輻射

6、的頻率相同，形成共振，因此可以測得一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)間間隔，從而可 以制成原子鐘。三、原子鐘的類型現(xiàn)有較常見的原子鐘的類型有如下幾類：冷原子噴泉鐘通過冷卻原子，即降低原子的運(yùn)動速度，可以使原子發(fā)生超精細(xì)能級躍遷輻 射的頻率更精確地被測量。冷原子噴泉鐘的基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)型原子鐘的基本結(jié)構(gòu) 大致相同，但冷原子噴泉鐘增加了激光器這一裝置。圖2為冷原子噴泉鐘的基本 結(jié)構(gòu)。圖2.冷原子噴泉鐘的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)在介紹冷原子噴泉鐘的基本工作流程，可分為四個(gè)階段：（1）六個(gè)兩兩垂直的激光器照射到位于它們中心的氣態(tài)銫原子團(tuán)上，使之相 互接觸而呈球型。由于激光減緩了原子團(tuán)的運(yùn)動速度，使得原子團(tuán)的溫度逐漸降 低直到接近絕對零度（

7、），從而可以使原子的超精細(xì)能級躍遷更穩(wěn)定。（2）兩束垂直地面的激光器發(fā)出激光使銫原子團(tuán)緩緩向上運(yùn)動，直至原子團(tuán) 到達(dá)位于激光器上方的微波腔，原子團(tuán)從微波腔中吸收大量能量，躍遷到高能級。（3）由于重力，銫原子團(tuán)從微波腔上方下落，在再次通過微波腔的過程中， 把第一次通過微波腔所吸收的能量全部釋放出來。（4）在微波腔的下方出口處，激光探測器發(fā)出激光照射到已經(jīng)兩次通過微波 腔的銫原子團(tuán)上，這時(shí)，探測器測量銫原子團(tuán)輻射出的熒光頻率。重復(fù)進(jìn)行以上過程，并使每一次流程中微波腔里的微波頻率都不同，從而由 探測器得到一個(gè)確定的熒光頻率，在該頻率上有最多比例的銫原子發(fā)生超精細(xì)能 級躍遷輻射，這個(gè)頻率也是銫原子的振

8、動頻率。盡管冷原子噴泉鐘的原理與傳統(tǒng)型原子鐘的相同，但由于前者能控制銫原子的運(yùn) 動，使其在微波腔中停留的時(shí)間更長，從而有更多時(shí)間去調(diào)整和測量頻率，因此 前者的穩(wěn)定性和精確性都比后者有很大的提高。CPT 鐘CPT鐘是根據(jù)相干雙色光與原子的相互作用而產(chǎn)生CPT （Coherent Population Trapping，即相干布居數(shù)囚禁或粒子數(shù)相干布居囚禁）共振現(xiàn)象設(shè)計(jì)的一種新型 原子鐘。CPT中的基本原理也與傳統(tǒng)型原子鐘大致相同，但獲取穩(wěn)定頻率的的方 式不同。以下將簡單解釋CPT鐘鎖定頻率的原理。用兩束相位差恒定的激光將原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級耦合到一個(gè)共同的激發(fā)態(tài)， 如果兩激光的頻率差嚴(yán)格等于

9、原子兩超精細(xì)能級差對應(yīng)的頻率，則原子會被抽運(yùn) 到兩個(gè)超精細(xì)能級的一個(gè)相干疊加態(tài)。此時(shí)激發(fā)態(tài)上沒有原子，且原子將不再吸 收輻射，原子被布居囚禁”，即其在兩個(gè)能級上的數(shù)量分布達(dá)到穩(wěn)定，并發(fā)生穩(wěn) 定的微波輻射。由此可以鎖定一個(gè)穩(wěn)定頻率。由于只需要兩束激光來束縛原子并測量頻率，CPT鐘不再需要微波腔，從而很好 地簡化了原子鐘的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了原子鐘的微型化。美國商品化的芯片原子鐘的體 積僅有16立方厘米，并且有很好的穩(wěn)定性。由于這些特點(diǎn)，CPT原子鐘在遠(yuǎn)程定 位、通訊網(wǎng)絡(luò)同步、軍用、民用等方面都有很好的應(yīng)用前景。例如，CPT鐘應(yīng)用 于GPS可顯著提高定位精度。此外還有例如光鐘、空間基準(zhǔn)鐘、氣泡型冷原子鐘等

10、多種類型的原子鐘，性能相 比于傳原子鐘都有一定的提高。四、原子鐘的應(yīng)用原子鐘與GPS (全球定位系統(tǒng))目前人們使用的全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分、用戶接收部分三 個(gè)部分組成。其中空間部分由多個(gè)衛(wèi)星組成。GPS通過測量地面接收部分和各個(gè) 衛(wèi)星之間的距離來確定目標(biāo)位置，即測量電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，再用時(shí) 間差乘以光速。因?yàn)楣馑俸艽?約)，只要測量時(shí)間出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)誤差，就會使定 位結(jié)果有很大誤差，所以能夠精確測量時(shí)間的原子鐘在GPS有很高的重要性。 現(xiàn)在應(yīng)用到GPS上的原子鐘已經(jīng)有很好的穩(wěn)定性，每過32000年，原子鐘才會有 一秒的誤差。原子鐘與航海在20世紀(jì)初期，航海家們需要靠天空中的

11、星空圖來來確定自己的航海方向， 并且需要準(zhǔn)確的時(shí)間來觀察天空，所以在船上裝了時(shí)鐘。但隨著航行路程愈來愈 長，對時(shí)間的精確度有了更高的要求，因此原子鐘就很好地替代了老式鐘表的位 置。擁有原子鐘以后，配合準(zhǔn)確的天空觀測儀器，航海家可以更加精準(zhǔn)的確定自 己在海上的位置，確保了航海家不會偏離自己的軌道。五、原子鐘的局限性和發(fā)展方向盡管原子鐘是極其精密的計(jì)時(shí)儀器，在航海航空，衛(wèi)星定位，科學(xué)計(jì)算等方 面有重要的應(yīng)用，但傳統(tǒng)型原子鐘精密的結(jié)構(gòu)和龐大的體積限制了它的應(yīng)用范圍 進(jìn)一步擴(kuò)大。這促使科學(xué)家們根據(jù)相干雙色光與原子的相互作用而產(chǎn)生CPT共振 現(xiàn)象制造出不需要微波諧振腔的CPT鐘，從而能夠大大減小其體積，

12、可以很好地 實(shí)現(xiàn)原子鐘的微型化和精簡化?？梢灶A(yù)見，在將來更多的精力將會投入到體積更 小的CPT鐘的研究和改進(jìn)中。原子鐘還有技術(shù)復(fù)雜不利于維護(hù)、對環(huán)境要求高、設(shè)備昂貴等需要改進(jìn)的地 方。但科學(xué)家們已經(jīng)找到了解決一些問題的方法。終究有一天，原子鐘能更好地 被我們利用。六、結(jié)語原子鐘問世以來，由于其擁有良好的性能，具有很大的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。 許多國家都花費(fèi)的大量人力和財(cái)力研制并發(fā)展原子鐘。我國也開展了許多有關(guān)原 子鐘方面的研究，但除了冷原子噴泉鐘外，其他類型的原子鐘都不能跟上國際的 腳步。筆者希望國家能把更多的資金投入原子鐘中的研究，我國科學(xué)家們也加快 步伐，使原子鐘在我國的發(fā)展有更大的進(jìn)步；也希望各國科學(xué)家能早日解決原子 鐘的諸多問題。參考文獻(xiàn)呂德勝，劉亮，王育竹,空間冷原子鐘及其科學(xué)應(yīng)用J.載人航天.2011(01)張昱,翟造成.時(shí)間和頻率技術(shù)新進(jìn)展J.天文學(xué)進(jìn)展.19