实用文档之原子钟的几种常见类型.docx

实用文档之“原子钟的几种常见类型“摘要本文按出现的时间顺序介绍儿种常用原子钟（光谱灯抽运片巾原子钟、光 谱灯抽运^原子钟、磁选态艳原子束钟、激光抽运锥原子束钟、激光冷却冷 原子喷泉钟、积分球冷却原子钟）的基本原理原子钟是利用原子或分子的能级跃迁的辐射频率来锁定外接振荡器频 率的频率测量标准装置的俗称，通称为量子频率标准或原子频标其工作 原理可用图1来描述：倍频与朝空合成受控振蒲器反饿伺服系统（石英晶体掠荡黔标准胶图1一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为 频率接近于原子跃迁频率的信号，激励原子产生吸收或受激发射的频率响 应信号，呈共振曲线形状，称为原子谱线，其中心频率即原子跃迁频率为V 0,线宽为△ V若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做 出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率，直到使其与原子频率符 合为止这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上，从而实现 使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的光谱灯抽运脚原子钟光抽运汽室频标用碱金属原子基态两个超精细结构 能级之间跃迁的辐射频率作为标准频率，它处在微波波段在磁场中，这两 个能级都有塞曼分裂，作为标准频率的跃迁是其 中两个磁子能级mF=O之间 的跃迁，它受磁场影响最小。

若用合适频率单色光照射原子系统，使基态一 个超精细能级上的原子被共振激发，而自发辐射回到基态时可能落到所有能 级，原子就会集中到一个 基态能级，极大地偏离玻尔兹曼分布，这就是光抽 运效应这里选择 抽运光起着关键作用在20世纪60年代初，激光器刚发 明尚无法利用，唯一可用的共振光源是光谱灯一般光谱灯是山同类原子发 光，它的光谱成分能使基态两个超精细能级上的原子都被激发，因而不能有 效地实现选择吸收，起到光抽运作用幸好对御原子，可以有一个巧妙的办 法白巾原子有两种稳定同位素：站Rb和8?Rb，其丰度分别为72. 2%和27. 8%o 它们各有能级间距为3036MHz和6835MHz的两个 超精细能级，其共振光的 频率分布如图2所示这里A, B线为8吨b所产生，a, b线属于*'Rb原子从 它们的位置可见，A, a两线有较多的重合，而B, b线则重合较少因此，若 巧⑴原子发出的光透过一个充 以跻Rb原子的滤光泡，a线就会被较多地吸 收，而剩下较强的b线Rb原子在这种光作用下，就会有较多的下能级原子 被激发，从而使更多原子聚集在超精细结构的上能级上，这就实现了光抽运 效应130C MHz2500 Ml"86R35MHz--图光谱灯抽运锂原子钟20世纪60年代初期艳原子没有简单的抽运光源 可用，只能利用无极放电光谱灯。

这种灯能发出强度大致相等的两条超精 细结构谱线，分别可对锥原子基态F=3和F=4两个超精细能级发生作用，引 起原子激发由于F=4态有9个塞曼子能级，F=3态只有7个，而原子吸收 光的概率与能级数成正比，所以，锂共振光 通过链汽室后，两个超精细结 构成分被吸收的程度不同，从而造成两种成分的光强差,这就会使基态F=4 能级上的原子数比F=3能级上多，引起两个能级上原子数差，实现了光抽 运不过因为两种成分光强相 差不大，抽运效率显然不高锥原子光抽运 汽室频率标准物理部分的原理装置如图3所示图3光谱灯发出的共振光经透镜聚焦后，通过置于谐振腔内的汽室被吸收，并 在光电检测器上得到一定电平的光电信号这相当于光抽运下原子在两个 基态超精细能级上建立稳态分布时的信号，当谐振腔内电磁场频率与超精 细跃迁相符时，原子在两个超精细能级之间发生跃迁，打破了原有的原子 在能级上的平衡分布，乂会发生新的光吸收，产生跃迁的光检测信号，即 原子钟信号磁选态锚原子束钟图4表示这种频标物理部分 艳束管的工作原理图4锥原子从艳炉经过由大量细长管子组成的准直器以很小发散 角（约） 的“原子束”形式“泻流”出来，穿过由强不均匀磁场形成的B分析磁铁区， 山于处于基态两个超精细结构能级上的原子带有不同磁矩，在强不均匀磁场 中因偏转方向不同而分成两束，如图4所示。

其中一束被引入带有C场和微 波谐振腔的“中段”，在那里与微波辐 射场进行两次相互作用而完成跃迁归^甲护e° 1 1 1 1-1000 -5000 0 SOOO 10000频率/Hz图5跃迁后原子束继续前行，经过第二个强不均匀磁场(B分析磁铁)，跃迁原 子被偏向检测器，未经跃迁的则被偏离开检测器上跃迁信号与微波频率的 关系呈Ramsey曲线，如图5(a)所示检测器用热离化丝把中性锥原子离化为 离子而加以收集通过测定锥原子数定频激光抽运链原子束钟高梯度不均匀强磁场选态只利用基态F=4或3,呻=0能级上的原子，只是16个能级之一；而且磁偏转与原子速率有关， 可利用的原子乂只占很小的一个“速度窗口”，真正被接收到的跃迁原子约 只占原子束中总原子数的万分之一激光抽运原则上 可使所有基态原子集中 到所需能级，从而极大地提高原子信号的信噪比激光抽运原子束频标用光 检测办法来探测跃迁原子信号，但不像在光抽运汽室频标那样通过光吸收变 化来检测，而是直接探测跃迁原 子发出的荧光图6显示这种频标物理部分 的结构钟微波钛迁图6山图可见，原子在激光作用下集中到超精细结构上能级，它们穿过谐振 腔后若无跃迁，则在检测区不可能受同一束光作用而发出荧光；而若发生了 跃迁，原子就过渡到超精细结构下能级，并能再次吸收光而产生荧光，因此 检测区的荧光是原子发生跃迁的表征。

在工艺上，激光抽运锥束管不但避免 了在真空密封上难以处理的强场磁铁问题和设计制造技术上精密的束光学问 题，而且荧光检测还消除了用热 离化丝检测引起的诸多问题，包括离子噪声 问题，十分娇嫩且影响寿 命的电子倍增器及强磁场质谱计问题等但是激光 抽运艳束管也带来了消除光频移和激光器长期稳定工作的难题激光冷却冷原子喷泉钟在用Ramsey分离场技术获得跃迁信号 的原子 钟中，线宽△ v决定于原子飞过谐振腔中“漂移区”（两个微波相互作用区 之间的长度L）的时间T,有“ va1/2Tq而T与原子速度v有关，T=L/v，速度越 大，T越小所以原子速度愈低，越有利于取得高的频率稳定度因此，激光 冷却原子的方法应运而生对原子钟工 作来说，激光冷却原子技术的应用主 要有：激光减速原子束、冷原子团的激光操控和激光阱中的原子陷俘它们 都依赖于激光对中性原子产生的散射力和偶极力散射力利用多普勒频移使 原子吸收频率低于共振频率的光而激发，而自发辐射则平均放出共振频率的 光，其能量亏损靠原子损失动能来补偿，从而实现了减速偶极力则依幕原 子基态能级能量与光强成正比的光频移，原子受到一束强度不均匀的光束作 用时，处在不同位置的原子因为受到的光强不同而使其基态能量有 所不同， 这是一种随位置而变化的能量，所以是“势能”，这使原子趋向于能量最低 处，从而能陷俘原子。

[1]冷原子喷泉钟的基本想法如图7所示，搭建一个竖立的真空装置，真空中充有工作介质（白巾或锥）的饱和 蒸 汽，利用激光俘获原子并将其冷却，将原子上抛原子在上抛和下落的过程 中只受到重力作用，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 这样极大减小 了传统结构中两 个振荡场不同所造成的相位频飘 而且两次与微波振荡场作用时 的速度等值反向，消除了一阶多 普勒频移［2］图7积分球冷却原子钟 积分球冷却原子钟的基本思想是把原子钟的 所有相互作用（原子冷却、原子制备、微波探测和检测）都在同一地方 发生，应用时 序将各个阶段的作用分开从而该钟可以减小到儿升的体积积分球冷却原子钟的物理部分是由激光焊接的钛材做成，真空室由2L/s的离子泵维持在9*10*，jmPao外面罩两层磁屏蔽8内有一 Cs原子储存泡，保为了满足冷却过程的需要，球形紫铜腔须光学抛光到X/14的精度以便储存激 光和产生各向同性的光场以供捕获和冷却原子用同时，这个微波腔调谐在 9o 192GHzH001模式，用于激励“钟”跃迁微波腔持真空度在「-to含泡腔的Q=3000o原子的冷却、制备、探测和检测等每个相互作用过程在同一微波腔中分 时序进行。

首先将频率比Cs循环跃迁Fg=4 一 Fe占调低儿MHz的冷却激光 和调到Fg=3 一 FeM的重抽运光，通过6条多模保偏光纤注入腔中，在高反 射率的球形谐振腔中，利用漫反射的红移激光和重抽运光的双重作用把Cs原 子冷却并囚禁在微波腔中心此时所有原子被制备处于态Fg=4的所有叫•态 上然后实施从基态Fg=4到激发态Fe=4，的光抽运，最终将原子抽运到基态 Fg=3态第三步，应用Ramsey微波探测，|Fg=3, mF=O>Zeeman能级上的原子 转移到|Fg=4, mF=0>能 级上然后让调谐在Fe=4 一 Fg=5，的垂直线性吸收光 束通过原子样品，以循环跃迁检测这个能级上的原子数(N4),然后应用4 一 5, 的蓝移激光清除能级Fg=4上的原子而后利用兀跃迁微波脉冲将留在能|Fg=3, 叫=0〉上的原子转移到F沪4能级(一方面因为原子在腔中，另一方面我们不 能用光抽运，因为微波探测后还有许多原子留在Fg=3,叫'HO的 能态上)最 后利用同样的垂直线性吸收束检测这个能级上的原子数(N3)o于是，应用巳知 的N4和N3,我们就可得出跃迁儿率：N4P=N3 + N4利用跃迁儿率的峰值信号就可鉴别微波激励信号的准确与否，从而将微 波源频率锁定在原子跃迁峰值上。

［3］在绕地球轨道、行星轨道或飞越行星运行的各类航天器上放置原子钟， 对空间科学的发展产生着重要的作用空间原子钟的研制成功，使导航定位 系统产生了革命化的发展；航天器装载高稳定度的原子钟，使空间科学试验， 诸如基础物理测试以及深空探测等成为可能［4］随着21世纪这个太空世纪的 到来，原子钟的重要性愈发凸显在 提高原子钟的稳定性和原子钟小型化的 道路上，科研人员还有很长的路要走，但无疑前景是广阔的参考文献[1] 原子钟与相关物理学的研究……王义遒[2] 新型原子钟及其在我国的发展……翟造成，杨佩红[3] 第三代卫星导航定位系统星载原子钟的新发展……崔造成，杨佩 红[4] 应用原子钟的空间系统与空间原子钟的新发展……崔造成。