原子钟的基本原理及应用

1.原子钟的概念

原子钟，是一种利用原子、分子能级差为基准信号来校准晶体振荡器或激光器频率，以使其输出标准频率信号的一种装置。它利用原子能级跃迁产生的光信号，通过光电转化、信号处理后获得用来修正晶振或激光器频率的负反馈纠偏信号，使其输出稳恒振荡频率，这种输出频率可以用来精确计量时间。根据采用的原子种类和技术手段的不同，原子钟可以分为很多种。因为特定原子能级之间的能极差是很稳定的，所以原子钟的准确度很高，可以达到千万年仅差一秒或者更高的水平。

2.几种常见的原子钟

随着物理学技术的发展，特别是与原子钟技术有关的原子、分子和光学物理方面的进步，极大地促进了原子钟技术的发展，人们研制出了不同种类的原子钟。现代原子钟所采用的许多技术都与脉泽、激光以及后来的激光光谱学新领域的发展密不可分。这些技术的发展导致原子和离子的激光冷却和囚禁技术的产生，很多新型原子钟也应运而生。

2.1冷原子喷泉钟

冷原子喷泉钟主要有铯原子喷泉钟和铷原子喷泉钟两种，它们的工作原理相同，结构也大同小异。喷泉原子钟工作时，冷原子云在电磁场以及重力的作用下沿喷泉管上下运动，以完成原子能级变化的检测，就像喷泉一样，所以取了一个形象的名字—喷泉钟。

2.2原子光钟

原子光钟是一种作为参考标准的原子能级跃迁频率处于光频波段的原子钟。原子光钟的工作原理与微波原子钟相似，除了跃迁频段不同之外，其频率发生器是稳频激光器而不是微波原子钟的晶体振荡器。

原子光钟用稳频激光器的脉冲去探测被激光冷却的工作物质（原子或离子），激励被冷却的工作物质发生跃迁，使用一个声光调制器（AOM）调节探测激光的频率，使它接近原子的共振频率，跃迁信息通过光电倍增管来检测，以原子跃迁产生的信号作为参考信号，并通过声光调制器和伺服系统调制探测激光的频率，使其锁定到原子的共振中心频率。因为光频率比微波频率高大约5个量级，激光冷却可以把元素样品冷却到μK量级的低温，从而使谱线具有很高的Q值，所以原子光钟可以达到很高的准确度和稳定度，频率稳定度可以达到10-17甚至10-18量级。

实现光钟的重要手段是先进行原子冷却，进而可以操控原子，目前用的最多是磁光阱对原子进行囚禁，需要用到窄线宽半导体激光器，磁光阱光束传递系统以及超高真空度真空腔。

典型用于原子冷却的磁光阱系统原理图

2.3相干布居囚禁（CPT）原子钟

1976年发现了CPT(coherent population trapping)现象, 随后出现了完整的理论分析。CPT 的本质, 是激光场可以使具有特定构型的原子能级之间产生相干耦合, 在基态两个能态之间形成CPT,从而实现无反转光放大或电磁诱导透明。

用两束相干的激光激励碱金属蒸汽腔中的原子，当两束激光的频率差值等于碱金属基态的超精细能级差，并满足共振条件时，激光与碱金属超精细能级共振，呈现电磁诱导透明现象。利用电磁诱导透明信号，并经过电路处理后就可以用来锁定本机振荡器，从而实现原子钟系统。

4.原子钟性能指标

原子钟输出频率的性能可以用输出频率信号的准确性、稳定性和复现性等来衡量

4.1频率准确度

频率信号的准确度指某一台实际的原子钟输出信号与公认的标准信号的频率差异的不确定程度。得到这一参数有两种方法，一种是制作两台以上采用相同原理和结构的原子钟，通过比较它们的输出频率间的差别，采用不确定度表征，从实验上获得。另一种是考察制作原子钟的每一个环节，根据原理和技术误差从理论上计算得到这一参数。把这两种方法结合起来，用实验结果修正理论计算，可以获得更准确的结果。

4.2频率稳定度

频率稳定度是指输出频率随时间的变化程度，长时间的缓慢变化称为频率的长期频率稳定度，短时间内的变化称为短期频率稳定度。短期的频率变化主要是由原子钟内部的各种噪声引起的。需要说明的是长期与短期频率稳定度并没有严格的界限。通常把长时间连续工作时输出频率的缓慢漂移称为长期稳定性，而在一个小时内取样频率的变化称为短期稳定度。工作频率的高低对短期稳定性有很大的影响，工作频率越高，获得的电磁信号线宽越窄，相应的信噪比越高，短期稳定度越好。一个典型的例子就是原子光钟的短期稳定度要明显优于微波原子钟。

4.3频率复现性

频率复现性反映同类原子钟或同一台原子钟多次开机或者多次独立调节时输出频率的一致性。频率复现性的数值主要是根据多次开机或者调节得到的相对频率差值的标准方差或者最大相对差值来计算。

除了衡量原子钟输出频率的性能的三个指标外，原子钟的体积、功耗以及对工作环境的适应性等因素也会成为制约原子钟应用的因素。对原子钟性能的不同要求直接导致了原子中的不同发展方向，例如，以光钟为代表的发展方向，不断向高准确度和稳定度迈进，以实现更精确的时间计量，而以CPT原子钟为代表的发展方向，不断向芯片级、集成化的小型化方向发展，以实现原子钟的便携化应用。

4.原子钟的应用

频率标准的发展对于一个国家的经济、科学与技术、国防与社会安全有着相当的重要意义，由于制造、交通运输、通讯和信息技术的不断飞速发展，时间和频率测量的准确度和精确度也越来越高。导航、定位、测地学、天文观测、网络授时和同步都需要高稳定度和准确度的频率标准。原子钟作为一种高精度的计时仪器,目前已经应用在了人类活动的很多领域，在工作和生产中发挥着巨大的作用。

作为一种高精度的计时装置，原子钟最重要的应用当然是高准确度的时间计量服务。在我国，人们通常根据重要电视台播报的时间来校准自己的时钟，而校准这一时间的时钟就是铯原子钟。由于铯原子钟准确度较高，可以达到几千万年只差一秒或者更高的程度，因此被广泛地用作基准时钟。我们每天从电视、广播或者网络等得到的报时服务，就是原子钟这一应用的最大体现。而据英国《每日电讯报》的报道，美国研究人员已经制造出了最守时的原子钟，其精度高达3亿年内只差一秒，是目前最精确的原子钟，可用于调整国际时区以及卫星系统。

除了做时间基准外，原子钟最重要的工程应用是在全球定位系统（GPS）上的应用。GPS系统利用精确的三维测距来实现定位。实现精确的长度测量是通过转变为测量电磁波的传播时间来实现的。电磁波是一种高频波，几乎只沿直线传播，当遇到障碍物时就会反射回来，通过测量电磁波来回传播的时间就可以实现距离的测量。但是，电磁波是以光速(c= 299792458m/s)传播的，来回时间极短，一般的计时器是根本无法测出这么短的时间，要准确测量就需要非常精确的计时装置，而原子钟是目前人类所能掌握的最精确的时钟，自然被用作实现精确测距的“尺子”。由此可以知道，GPS的定位精度很大程度上取决于所载原子钟的性能。目前GPS在人们生产和生活中的应用越来越普遍，性能指标不断提高的原子钟不仅让人们享受更好的服务，还有可能在未来的宇宙定位、太空探索中发挥重要作用。另外，原子钟还广泛应用在通信、导航、电视、天文地理测量、精密仪器校准等诸多领域。