量子频标原理（Physics of quantum frequency standards）
秋季学期
课程编号：04811430
学分：3
教师：陈景标 Jingbiao Chen
考试方式：课后作业：30%，大作业：20%，笔试：50%
教学方式：课堂讲授
内容提要：
本课程主要讲授精密时间频率的基本概念及其在现代科学中的重要作用，精密时间频率的基本测量方法和传递方法，精密时间频率的基本测量设备及其工作原理，原子钟的基本工作原理，影响原子钟标性能的各项因素，原子钟的基本结构，原子钟的伺服系统，几种主要的原子钟的原理、结构及性能（铯原子钟、铷原子钟、氢钟、光频原子钟、离子微波钟和光钟等），全球定位系统的基本原理，原子钟与卫星导航技术的应用，原子钟的前沿问题。
第一章， 简介。原子钟主要特征。原子钟的发展历史。介绍原子钟的主要应用，以及卫星导航技术。
第二章， 振子行为的数学描述。谐振子的幅度与相位调制、反馈、伺服、稳频技术。
第三章， 幅度与频率噪声。噪声特征与谱的各种不同描述，测量。
第四章， 各种不同的经典频率参考源，包括高性能晶振、微波腔、光学腔和激光光源的主要特征，及其在原子钟上的应用。
第五章， 作为量子频率参考的单电子原子、双电子原子、几类对称分子的能级结构，及其所具有的特殊跃迁谱线，特殊性与优缺点。各种物理效应产生的原子钟谱线的加宽和频移，以及各种对应的解决方法和技术。
第六章， 原子钟所用量子介质：存储泡、原子束、激光冷却和囚禁原子、囚禁离子等不同形态的钟态制备方法和技术，包括大作用区非线性饱和光谱、微波和激光场的相干分离场技术和要点。
第七章， 各种铯原子钟。磁选态铯钟、激光抽运激光检测铯钟、喷泉铯（铷）原子钟、微重力铯原子钟。喷泉钟的不确定度来源和稳定度分析。
第八章， 氢钟和铷钟。氢钟的理论、设计、及应用，主动和被动氢钟，低温氢钟。气泡式灯泵铷钟的原理、结构、性能和应用。基于激光泵浦的铷钟和相干不居数囚禁铷钟。
第九章， 光频原子钟。高精度激光光源，及超稳腔的不同稳频技术。具体用于光钟的激光谱技术和特征。碱土金属中性原子光钟，铷原子双光子跃迁光频标，氢原子光频标等。
第十章， 离子与分子频标。离子囚禁技术和方法，基于囚禁离子的各种不同微波和光频原子钟。单离子探测的能级变换方法、循环跃迁和汉勒效应的应用。基于分子跃迁的光频标准技术和特征。
第十一章， 时间频率的精密测量、传递原理、技术、应用及设备。光频链和光梳。
第十二章， 光速，时间，长度定义及精密测量。时频比对。
第十三章， 全球定位系统的基本原理。原子钟与卫星导航技术的应用。量子频率标准的其他科技应用，电压量子标准、基于量子频率测量的磁力仪和核磁共振原理与技术，里德堡常数和精细结构常数的测量。
第十四章， 原子钟前沿问题。达到量子极限的技术。新概念原子钟，包括逻辑离子光钟、魔术波长晶格光钟、核能级跃迁的应用探索。
推荐教材或参考资料：
教材: F. Riehle, “Frequency Standards: Basics and Applications”, WILEY-VCH Verlag GmbH Co. KgaA, 2004.
参考书：
