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微波原子钟
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传统铷频标:
  频标,是频率标准的简称。人类对频率的需要,源于对时间衡量的需要。最初,人类对时间的衡量建立在 天体周期运动的基础上。这种衡量方式已经基本可以满足日常生活了。但是随着科技的进步,这种衡量时间的方式已经远远不够精确了。千分之一秒的偏差就可以让 计算机的运行出现错误,让卫星的回收变为泡影。稳定度极高的原子频标的出现,给科学建立了更精准的时间标准。铷原子频标作为一种优良的二级频标,已经在许 多领域获得了其不可替代的地位。由于它具有体积小、重量轻、造价低、寿命长、稳定度较好、容易制造等优点,而成为目前应用最广泛的实用频标。从结构上考 虑,铷频标包括物理部分和电路部分。物理部分是利用铷原子给出一个特别精准的信号(标准谱线),电路部分是利用晶振、辅助电路把物理部分给出的精准信号转 变成可以应用的频率信号。传统铷钟的物理部分结构如图1。
图1 物理部分结构
  由装有气态87Rb的谱灯发出名为a、b线的两种频率的光。a、b线经过85Rb后,a线会被滤掉,剩下b线。b线作为抽运光照射 装有气态87Rb的吸收泡,瞬间,透过吸收泡到达光检测器的光的强度会保持稳定。这时我们利用晶振、电路给出一个在87Rb工作频率附近扫描的微波频率, 并加到吸收泡上。微波频率越接近87Rb的工作频率,则抽运光被吸收的程度就越大,那么透射到光检测器上的光就越弱。于是,随着微波信号的扫描,在光检测 器上就可以看到如图2的微波共振曲线。
图2 微波共振曲线
  这条曲线蕴含了Rb原子能级的高度稳定性特点。我们再进行电路上的操作,利用这个曲线将输出频率锁定,即可得到传统Rb原子频标了。 项目组成员多年来在该领域一直承担着国家重大科研课题任务,与合作单位共同研制成功的铷原子钟已成功应用到我国的北斗卫星导航系统。

铷束原子钟:
背景
      传统铷原子钟,铷原子处于气室的环境中,也被称为气室型铷原子钟。和铯束原子钟比较,它不需要真空系统、原子束装置和偏转磁铁等,因而体积小、质量小、价格便宜,但准确度、长期稳定度较差、频率漂移率比较大,仅能用作二级标准。 铷束原子钟(如图3所示),是模仿小型铯束原子钟的做法,用Rb原子束和Ramsey微波腔取代铷气泡结构,采用谱灯光抽运和荧光检测技术的小型铷束原子钟。该方案预期在保留准确度高的优势下,达到较好的稳定度指标,同时能够长期连续运行。
图3 铷束原子钟物理部分
原理
  铷原子钟利用的是87Rb原子在基态|F=1,mF=0>和|F=2,mF=0>两能级之间的跃迁。跃迁频率为6.834 682 614 GHz。 首先通过光抽运作用(见后续介绍),使87Rb原子全部或者大部分处于某一能级,在这里选择|F=2,mF=0>能级。 然后原子束进入Ramsey谐振腔,在谐振腔内,通过输入一定频率的微波,使原子跃迁至另一能级|F=1,mF=0>。 最后对微波腔出射的原子进行检测,检测有多少原子发生了跃迁。由原子束技术可知,当输入微波频率等于跃迁频率时,发生跃迁的概率最高。由此,通过调整输入微波的频率,得到不同的出射原子能级分布。最终可得到跃迁频率。
光抽运作用
  在铷原子束进入微波腔之前,必须使原子的能态尽量处于某一能级,因此需要进行抽运。 用87Rb灯经过85Rb滤光泡之后的光(b光)进行抽运,使87Rb原子抽运到|F=2,mF=0>能级。
图4 铷频标相关能级及跃迁图
Ramsey谐振腔
图5 Ramsey腔
  Ramsey谐振腔使用分离振荡场技术,原子束两次通过微波区域,得到的最终谱线线宽要小于单一振荡场;或者采用长的微波腔抑或长的螺旋线结构。
图6 跃迁几率线型 (实线为分离振荡场,虚线为单一振荡场结果)
原子检测
  同样使用87Rb灯经过85Rb滤光泡之后的光(b光)进行荧光检测。探测87Rb原子在|F=1,mF=0>态的数量。

图7 Ramsey腔中电磁场的模拟
  该项目获得国家自然科学基金的支持(基金批准号:11174015)。

激光抽运铷原子钟:
基础及应用简介
  激光抽运铷原子钟也是原子钟的一种,而原子钟既然被称为钟, 也就跟日常生活中钟表的功能是一样的,但它的输出信号的精度和稳定度要比普通的钟表高很多:普通的钟表一年会偏差约60秒,而我们现在做的原子钟一万年才 偏差1秒,而更精密的原子钟甚至几千万年才偏差1秒。虽然我们在日常生活中没有直接感觉到这么原子钟的存在,但它却一直深刻的影响着人们的生活。 例如,导航卫星就携带有原子钟,进行卫星定位工作时,可根据这台原子钟的输出时钟信号与地面时钟信号之差来确定地球上某点与卫星的距离,如果多个卫星构成 卫星定位网络的话就可以获得多组距离参数,进而可以确定出该点的空间位置等信息。正因为有如此大的价值,所以当今一系列定位系统(GPS、北斗等)中的原 子钟技术一直受到各国政府和军方的高度重视,相关的应用更是层出不穷。 在基础物理量的测量方面,尤其是与相对论有关的实验验证测量方面如引力红移的验证、精细结构常数随时间的变化关系等,因为要求达到的精度之高是除高精度原 子钟之外任何测量手段所无法企及的,所以原子钟一直是基础科学里最有力的工具之一。 原子钟在勘探、通信网络等领域都对高精度的原子钟产生了强烈的需求。可以预见原子钟领域的广阔前景是前所未有的。
特点
  铷原子频标具有体积小、功耗低、可靠性高、价格低廉等特点,被广泛应用在通讯、电力、卫星导航等领域。传统、实用型的铷原子频标均采用铷光谱灯作为抽运光源。光谱中包含87Rb原子的a线与b线,经过85Rb原子(A线、B线)的滤光作用后剩下b线,但是,由于两种原子的a线与A线 在频域上并不是完全重合的,因而不能完全滤除,即部分a线会剩余,进入到87Rb原子的吸收泡内,破坏光抽运效果。另外,铷光谱灯的光谱中,除了含有铷原 子发出的光外,还含有起辉气体(一般为惰性气体)发出的光,它对光抽运没有任何帮助,但会增加光电探测器的本底光电流噪声,鉴于以上两点考虑,我们采用单 一频率输出的半导体激光器作为抽运光源,试图弥补谱灯光抽运的缺点,从而提高铷原子频标的指标。
结构
图8 激光抽运铷原子钟的结构
  一台窄线宽(约1MHz)780nm的半导体激光器作为光源,利用饱和吸收谱稳频方法将其频率锁定,然后激光射入置于恒定磁场中的87Rb吸收泡中,造成基 态超精细结构中塞曼子能级|F=2,mF=0>与|F=1,mF=0>之间出现粒子数差,实现光抽运,其余装置与传统铷钟相同。
进展
  目前,课题组已实现该系统的闭环锁定,并进行了初步的指标测试,图9为相对频差原始数据和稳定度指标,初步获得的短期稳定度指标为3.7×10-12τ-1/2(1-100s)。
图9激光抽运铷原子钟测试数据及稳定度指标

小型铯束原子钟:

  国内,多家单位开展了铯束原子钟的关键技术工作,有传统工作方式的磁选态-电子倍增器方案的小铯钟,也有光抽运-光检测的小铯钟方案,我们课题组在2010年开始采用磁选态-光检测方案,开展相关研究工作。

  对于磁选态-电子倍增器方案,国内实现的短期稳定度指标与5071A标准管持平,目前的短板是电子倍增器的寿命不过关,增益衰减过快,导致其寿命只有半年到1年,国内几家单位正在积极开展相关技术攻关工作,希望在不久的将来能有较大的技术突破。
  光抽运-光检测方案,从原理上可以充分提高铯原子的利用效率,有望提高铯束原子钟的稳定度指标,国内北京大学和国家授时中心相继开展了相关研究工作,短期稳定度指标在中系数10-12水平。
  对于磁选态-光检测方案,目前我们课题组实现的1秒至10万秒稳定度指标已达到5071A标准管水平。