时间频率计量标准器具助力升国旗一秒不差

　　时间究竟是什么?——时间的定义计量

　　说起时间，每个人都会说我知道。可是，时间究竟是什么，却总是很难说清楚。其实，自从地球上出现人类的那天起，时间的测量一直是人类日常生活必不可少的一项工作。时间作为基本物理量之一，是目前测量精度最高也是人类生活应用最广泛的物理量。时间的单位是秒，最早的时间是以地球自转作为标准，称为世界时。它对秒的定义是指一个平太阳日的1/86400为1秒。

　　后来的研究发现，地球自转速率并不均匀，之后经过长期观测后，人们采用准确度更高的历书时对时间单位“秒”进行定义。这种基于天体测量对时间进行定义的天文时间对人类历史的发展作出了巨大的贡献。然而天体的运动速率并不是完全均匀的，其周期也并非完全稳定，因此对测量的精度有很大的限制，而且观测时间长，不能很好地满足现代科学技术高速发展的需要。

　　如何精确量出一秒?——原子时的出现

　　随着量子物理学(激光冷却原子技术)和激光光谱学的迅速发展，人们开始认识到原子或分子振荡的周期非常稳定，其精度远远高于基于天体运动作为标准的世界时和历书时，用其来定义秒可以使秒的精度得到极大地提高。利用原子振荡频率确定的时间标准，我们一般称之为原子时[1]。1967年，第十三届国际计量大会通过决议，把原来基于天体宏观周期运动的时间单位“秒” 长定义，改为基于原子内部的微观运动，将 “秒” 长定义为铯(133Cs)(133为左上角标)原子基态的两个超精细结构子能级间跃迁电磁辐射周期的 9192631770 倍所持续的时间。

　　而 “秒” 长定义的复现和时间频率的精确测量则需要依靠量子频标来实现。量子频标又称“原子频标”，简单地讲，原子频标是应用原子或离子内部能级间的跃迁频率作为参考，锁定晶体振器(简称“晶振”)或激光器频率，从而输出标准频率信号的信号发生器。在计量学中，我们称其为频率标准器具，它是当代第一个基于量子力学原理做成的计量器具。由于物体运动周期与频率成反比，所以原子频标通常又叫原子钟。实际上，原子钟应该是能够产生时间信号(如秒脉冲)并有计数装置的原子频标。近三十多年来，随着新物理理论和新技术成果的应用，人们研制出了不同类型的新型原子钟，它们已经或即将应用于卫星导航定位系统[2]。

　　原子钟也有多种，如何寻找最精准的原子钟?

　　铯(Cs)原子具有的一些属性使其成为基于原子共振跃迁的频率标准，在20世纪50年代早期，世界上许多实验室已经开始了对基于铯原子的时间频率标准的研制。铯原子的原子质量相对较重，因此，它们的移动速度相对较慢，在室温下约为每秒130米，这就使得铯原子与微波场的作用时间较长。

　　此外，铯也有相对较高的超精细跃迁频率(9.2 GHz)，例如铷和氢原子的超精细跃迁频率分别为6.8 GHz和1.4 GHz。1955年，英国国家物理实验室 (NPL) 研制出了第一台铯原子钟，获得1×10^-9的不准确度[3]。由铯提供的高精度和准确度时间频率标准导致了对时间单位 “秒” 的新定义的产生。经过60余年的发展，目前的铯原子钟的准确度已经达到了10^-16，其精度接近1亿年不差一秒[3]。

　　随着半导体激光技术、电磁囚禁技术、激光冷却和陷俘原子技术等新技术的发展，以及新物理原理的应用，新型原子钟技术的发展十分迅速。一方面人们应用这些新技术探索性能更高的新标准，另一方面努力寻求小型化的新途径。这些新物理原理和新技术的成功应用，催生了以超冷原子为工作物质的原子喷泉、离子储存、中性原子囚禁等类型的冷原子钟和光钟，使原子钟的稳定度和准确度提高了1～2个数量级，甚至达到10^-18。20世纪90年代后，尤其是最近几年，这些新技术被引进到我国，并且在国内迅速发展，新型原子钟的研究已经蓬勃发展[4]。

　　1、如喷泉般上抛和下落——冷原子喷泉钟

　　时间频率基准钟装置是运行在一定的实验室环境，具有自我评估能力的最高时间频率标准装置，是时间频率计量单位传递的源。近十几年来，作为各国的时间频率基准，传统的磁选态和光抽运大型铯束原子钟逐渐被铯原子喷泉钟取代。

　　原子喷泉的基本想法如图 1 所示，我们搭建一个竖立的真空装置，真空中充有工作介质(铷或铯)的饱和蒸气，利用激光方法俘获原子，并将其冷却到非常低的温度，将原子上抛。原子在上抛和下落的过程中只受到重力的作用，它两次穿过微波腔，与时间上的分离振荡场作用，产生钟跃迁，然后探测不同能级的原子。最后获得与 Ramsey 钟跃迁相应的荧光信号。应用该荧光信号即可完成对实用频标的频率锁定。我国先后从事冷原子喷泉钟研究的有北京大学、中国计量科学研究院、中国科学院上海光机所和中国科学院国家授时中心。

　　2、准确度更高的冷原子光钟

　　原子钟的准确度和稳定度均以其所应用的量子跃迁谱线频率的相对值来表示。与微波信号相比，光信号的频率高，并且有一些原子或离子的光学频率跃迁谱线很窄，其相应的Q值(谱线质量因子)高达10^18。利用这些谱线实现的频标，即光频标，具有极高的频率稳定度，其准确度和稳定度将优于10^-18。

　　近些年来，原子冷却技术，尤其是光晶格原子囚禁技术的飞速发展，使基于冷原子样品而实现的光频标拥有高准确度的潜力，并且具有高信噪比和低量子投射噪声。世界发达国家纷纷开展了基于冷原子的光频标研制。冷原子光钟研究进展非常迅速，一些实验室相继报道的数据表明，其研究的冷原子光钟的稳定度和准确度性能已超越了铯原子喷泉钟[2]。

　　目前，锶光钟的稳定度和准确度达到10^-19量级，比喷泉钟高4-5个量级。