原子喷泉频标:原理与发展

介绍了喷泉频标的原理与发展.喷泉频标是一项近20年来发展起来的原子钟技术,它以激光冷却技术为基础,利用该技术实现了冷原子介质的俘获与上抛.冷原子介质在上抛下落过程中首先完成原子态制备,然后两次通过微波谐振腔实现Ramsey作用,在两次作用之间原子经历自由演化,最后原子经过探测区,通过双能级荧光探测法探测原子跃迁概率得到鉴频的Ramsey干涉条纹,并实现频率锁定,其中心条纹的线宽在1Hz左右.频率稳定度和频率不确定度是喷泉频标的两个重要指标.影响喷泉钟频率稳定度的因素主要有量子投影噪声和电子学噪声,目前喷泉钟的短期稳定度为(10^(-13)—10^(-14))τ^(-1/2),长期稳定度在(10^(-16)—10^(-17))量级.喷泉频标的频率不确定度主要受二阶塞曼频移、黑体辐射频移、冷原子碰撞频移以及与微波相关的频移等的影响.目前喷泉钟的不确定度在小的10^(-16)量级.作为基准频标,喷泉钟的工作介质主要是^(133)Cs,^(87)Rb.国际各大计量机构都研制了喷泉频标,它在各地协调世界时的建立、国际原子时的校准等方面发挥着越来越重要的作用.此外,喷泉频标还用于研究高精度时频基准和时间比对链路、验证基本物理理论等.

铯原子喷泉频标中的辐射频移及其对频标准确度的影响

研究了钩原子喷泉频标中存在的各种辐射频移，包括微波频谱边带频移、Ｂｌｏｃｈ－Ｓｉｅｇｅｒｔ效应、相邻π跃迁引起的频移、斯塔克效应、黑体辐射频移和 Ｍａｊｏｒａｎａ效应部，分析了产生各种频移的物理原因，推导了各种频移的计算公式，估算了各种频移及其不确定度的大小，分析了它们对频标准确度的影响，提出了减小各种频移或误差以提高频标准确度的方法．研究所得结果对于正确评定铯原子喷泉频标的准确度和探索提高其准确度的途径具有重要意义，对于铯原子喷泉频标的设计也具有现实的指导意义．

铯原子喷泉频标的相对论频移

详细分析了铯原子喷泉频标的相对论频移机制，其中包括频标内部的二级多普勒频移和重力频移，以及与频标位置有关的重力领移。导出了频移的计算公式，估算了频移的大小并讨论了它们对铯原子喷泉频标准确度的影响。

激光冷却铯原子喷泉频标的黑体辐射频移

研究了激光冷却铯原子喷泉频标的黑体辐射频移 (包括黑体辐射塞曼频移和黑体辐射斯塔克频移 ) ,推导了频移的计算公式 ,估算了室温下频移及其不确定度的大小 ,分析了黑体辐射频移对频标准确度的影响。结果表明 :1 )室温下黑体辐射塞曼频移可达 1 0 -1 5 量级 ,在评定铯原子喷泉频标准确度时 ,需要对此项频移加以修正 ;2 )在利用直流斯塔克效应估算黑体辐射斯塔克频移时 ,由直流极化率常数κ的测量误差导致的黑体辐射斯塔克频移的修正误差约为 4× 1 0 -1 6,是黑体辐射斯塔克频移的主要误差来源。此项频移误差是决定铯原子喷泉频标准确度总体水平的主要因素之一。最后还提出建议 ,通过设计更精密的测量铯原子超精细跃迁直流斯塔克频移的实验以提高直流极化率常数κ的测量准确度 。

冷原子微波频标的原理与发展

以原子喷泉为代表的冷原子微波频标近年来取得了飞速发展。基于激光冷却技术的喷泉钟通过原子的抛体运动实现Ramsey干涉,其鉴频谱线约1 Hz的窄线宽和优异的信噪比使得喷泉频标的长期稳定度和不确定度达到了10^(-16),其优异的稳定度指标也对振荡器提出了更高要求。基于光频标技术发展的光生微波可以实现10^(-15)的秒稳定度,从而使喷泉钟的稳定度达到了量子投影噪声极限。通过将性能优异的喷泉钟引入守时钟组,世界原子时的频率精度达到了约2×10^(-16)。除了地面应用外,冷原子频标还进入空间,获得了优异的性能指标,并将在导航定位和科学研究等领域发挥重要作用。中国科学院上海光学精密机械研究所在喷泉频标、光生微波等冷原子微波频标领域开展了系统研究,技术指标达到了国际先进水平,并实现了国际首台空间冷原子钟在轨运行。

以原子喷泉为基础的新型铯原子钟的研究进展

原子频标的准确度是计量的基础,目前最好的频标是铯束频标。由于腔相移等因素的制约,进一步提高铯频标的准确度遇到了困难。近年来国际上已开始研究一种新型频率基准——铯原子喷泉频标,它克服了传统的铯束频标中的腔相移问题,准确度已达到10-15。