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時間頻率計量標準器具助力升國旗一秒不差
時間究竟是什么?——時間的定義計量
說起時間，每個人都會說我知道。可是，時間究竟是什么，卻總是很難說清楚。其實，自從地球上出現人類的那天起，時間的測量一直是人類日常生活必不可少的一項工作。時間作為基本物理量之一，是目前測量精度最高也是人類生活應用最廣泛的物理量。時間的單位是秒，最早的時間是以地球自轉作為標準，稱為世界時。它對秒的定義是指一個平太陽日的1/86400為1秒。
后來的研究發現，地球自轉速率并不均勻，之后經過長期觀測后，人們采用準確度更高的歷書時對時間單位“秒”進行定義。這種基于天體測量對時間進行定義的天文時間對人類歷史的發展作出了巨大的貢獻。然而天體的運動速率并不是完全均勻的，其周期也并非完全穩定，因此對測量的精度有很大的限制，而且觀測時間長，不能很好地滿足現代科學技術高速發展的需要。
如何精確量出一秒?——原子時的出現
隨著量子物理學(激光冷卻原子技術)和激光光譜學的迅速發展，人們開始認識到原子或分子振蕩的周期非常穩定，其精度遠遠高于基于天體運動作為標準的世界時和歷書時，用其來定義秒可以使秒的精度得到極大地提高。利用原子振蕩頻率確定的時間標準，我們一般稱之為原子時[1]。1967年，第十三屆國際計量大會通過決議，把原來基于天體宏觀周期運動的時間單位“秒” 長定義，改為基于原子內部的微觀運動，將 “秒” 長定義為銫(133Cs)(133為左上角標)原子基態的兩個超精細結構子能級間躍遷電磁輻射周期的 9192631770 倍所持續的時間。
而 “秒” 長定義的復現和時間頻率的精確測量則需要依靠量子頻標來實現。量子頻標又稱“原子頻標”，簡單地講，原子頻標是應用原子或離子內部能級間的躍遷頻率作為參考，鎖定晶體振器(簡稱“晶振”)或激光器頻率，從而輸出標準頻率信號的信號發生器。在計量學中，我們稱其為頻率標準器具，它是當代第一個基于量子力學原理做成的計量器具。由于物體運動周期與頻率成反比，所以原子頻標通常又叫原子鐘。實際上，原子鐘應該是能夠產生時間信號(如秒脈沖)并有計數裝置的原子頻標。近三十多年來，隨著新物理理論和新技術成果的應用，人們研制出了不同類型的新型原子鐘，它們已經或即將應用于衛星導航定位系統[2]。
原子鐘也有多種，如何尋找最精準的原子鐘?
銫(Cs)原子具有的一些屬性使其成為基于原子共振躍遷的頻率標準，在20世紀50年代早期，世界上許多實驗室已經開始了對基于銫原子的時間頻率標準的研制。銫原子的原子質量相對較重，因此，它們的移動速度相對較慢，在室溫下約為每秒130米，這就使得銫原子與微波場的作用時間較長。
此外，銫也有相對較高的超精細躍遷頻率(9.2 GHz)，例如銣和氫原子的超精細躍遷頻率分別為6.8 GHz和1.4 GHz。1955年，英國國家物理實驗室 (NPL) 研制出了第一臺銫原子鐘，獲得1×10^-9的不準確度[3]。由銫提供的高精度和準確度時間頻率標準導致了對時間單位 “秒” 的新定義的產生。經過60余年的發展，目前的銫原子鐘的準確度已經達到了10^-16，其精度接近1億年不差一秒[3]。
隨著半導體激光技術、電磁囚禁技術、激光冷卻和陷俘原子技術等新技術的發展，以及新物理原理的應用，新型原子鐘技術的發展十分迅速。一方面人們應用這些新技術探索性能更高的新標準，另一方面努力尋求小型化的新途徑。這些新物理原理和新技術的成功應用，催生了以超冷原子為工作物質的原子噴泉、離子儲存、中性原子囚禁等類型的冷原子鐘和光鐘，使原子鐘的穩定度和準確度提高了1～2個數量級，甚至達到10^-18。20世紀90年代后，尤其是最近幾年，這些新技術被引進到我國，并且在國內迅速發展，新型原子鐘的研究已經蓬勃發展[4]。
1、如噴泉般上拋和下落——冷原子噴泉鐘
時間頻率基準鐘裝置是運行在一定的實驗室環境，具有自我評估能力的最高時間頻率標準裝置，是時間頻率計量單位傳遞的源。近十幾年來，作為各國的時間頻率基準，傳統的磁選態和光抽運大型銫束原子鐘逐漸被銫原子噴泉鐘取代。
原子噴泉的基本想法如圖 1 所示，我們搭建一個豎立的真空裝置，真空中充有工作介質(銣或銫)的飽和蒸氣，利用激光方法俘獲原子，并將其冷卻到非常低的溫度，將原子上拋。原子在上拋和下落的過程中只受到重力的作用，它兩次穿過微波腔，與時間上的分離振蕩場作用，產生鐘躍遷，然后探測不同能級的原子。最后獲得與 Ramsey 鐘躍遷相應的熒光信號。應用該熒光信號即可完成對實用頻標的頻率鎖定。我國先后從事冷原子噴泉鐘研究的有北京大學、中國計量科學研究院、中國科學院上海光機所和中國科學院國家授時中心。
2、準確度更高的冷原子光鐘
原子鐘的準確度和穩定度均以其所應用的量子躍遷譜線頻率的相對值來表示。與微波信號相比，光信號的頻率高，并且有一些原子或離子的光學頻率躍遷譜線很窄，其相應的Q值(譜線質量因子)高達10^18。利用這些譜線實現的頻標，即光頻標，具有極高的頻率穩定度，其準確度和穩定度將優于10^-18。
近些年來，原子冷卻技術，尤其是光晶格原子囚禁技術的飛速發展，使基于冷原子樣品而實現的光頻標擁有高準確度的潛力，并且具有高信噪比和低量子投射噪聲。世界發達國家紛紛開展了基于冷原子的光頻標研制。冷原子光鐘研究進展非常迅速，一些實驗室相繼報道的數據表明，其研究的冷原子光鐘的穩定度和準確度性能已超越了銫原子噴泉鐘[2]。
目前，鍶光鐘的穩定度和準確度達到10^-19量級，比噴泉鐘高4-5個量級。
