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 1. 原子鐘的概念

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(shù)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. 幾種常見的原子鐘

隨著物理學技術(shù)的發(fā)展，特別是與原子鐘技術(shù)有關(guān)的原子、分子和光學物理方面的進步，極大地促進了原子鐘技術(shù)的發(fā)展，人們研制出了不同種類的原子鐘。現(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新領(lǐng)域的發(fā)展密不可分。這些技術(shù)的發(fā)展導致原子和離子的激光冷卻和技術(shù)的產(chǎn)生，很多新型原子鐘也應運而生。

  2.1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。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。

  2.2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。

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μK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。

  2.3相干布居（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(gòu)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。

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.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

  3.1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(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(shù)誤差從理論上計算得到這一參數(shù)。把這兩種方法結(jié)合起來，用實驗結(jié)果修正理論計算，可以獲得更準確的結(jié)果。

  3.2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。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。

  3.3頻率復現(xiàn)性

頻率復現(xiàn)性反映同類原子鐘或同一臺原子鐘多次開機或者多次獨立調(diào)節(jié)時輸出頻率的一致性。頻率復現(xiàn)性的數(shù)值主要是根據(jù)多次開機或者調(diào)節(jié)得到的相對頻率差值的標準方差或者相對差值來計算。

除了衡量原子鐘輸出頻率的性能的三個指標外，原子鐘的體積、功耗以及對工作環(huán)境的適應性等因素也會成為制約原子鐘應用的因素。對原子鐘性能的不同要求直接導致了原子中的不同發(fā)展方向，例如，以光鐘為代表的發(fā)展方向，不斷向高準確度和穩(wěn)定度邁進，以實現(xiàn)更精確的時間計量，而以CPT原子鐘為代表的發(fā)展方向，不斷向芯片級、集成化的小型化方向發(fā)展，以實現(xiàn)原子鐘的便攜化應用。

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(shù)、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(shù)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。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(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(lǐng)域。

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