用于铯原子喷泉频率基准的TE_(011)微波谐振腔

本文全面描述了用于中国计量科学研究院正在研制的铯原子喷泉的微波腔的结构特性和性能测量。该微波腔工作于TE0 1 1 模式。它是一种圆柱型腔 ,内径 4 3mm ,高 4 2 .9mm ;两端有截止波导管 ,内径 12mm ,长 30mm。微波馈送采用同轴 -波导转换 ,为了简化 ,腔外部未设调谐装置。腔的材料采用具有高导电率的无氧铜 ,所有的馈送部件均无磁并具有超高真空性能。对已装入喷泉管的微波腔在真空状态下的测量表明 ,其失谐量和有载Q值分别为 0 .7MHz和 8× 10 3。估算了与微波腔有关的钟频率不确定度 ,其中由腔相位差产生的频率不确定度降至 1.6× 10 - 1 6 ,它是喷泉钟准确度提高到 10 - 1 5量级的主要因素。

铯原子喷泉钟NTSC-F1研制进展

铯原子喷泉钟在守时系统起校准作用。介绍了铯原子喷泉钟NTSC-F1的4个子系统及运行参数,与氢钟比对测量获得了NTSC-F1的频率稳定度性能,实现了系统不确定度的初步评定,给出了各频移项的频移量和不确定度,并对NTSC-F1的改进进行了介绍。

铯原子喷泉钟频移的自动评定系统研究

'秒'定义频率9 192 631 770 Hz是理想值,在实际工作过程中,铯原子喷泉钟在外部环境(如引力场、电磁场等)、内部原子相互作用(如碰撞)下,原子样品的跃迁频率偏离了定义值,这些偏离量称为'频移'。为了获得被测原子钟信号和秒定义频率之间的偏差,需要测量所有频移量,并且给出其频率不确定度。介绍了频移自动评定系统的设计和实现,考虑了各项频移的运行周期和切换间隔,实时给出二阶塞曼频移、冷原子碰撞频移和黑体辐射频移的纠正量,计算分析获得了频移量的系统不确定度。

NIM铯原子喷泉钟微波频率综合器的研制

为了研制NIM5铯原子喷泉钟系统，在PLL锁相环路、100MHz干涉开关和倍频链路等技术的基础上，提出了微波综合器的设计和实现方案。介绍了微波综合器设计中的关键技术：利用氢钟提高综合器的长期稳定度、采用微波干涉开关抑制微波泄露频移，以及通过DDS提高综合器的准确度。测试结果表明，该微波综合器在谱纯度、相位噪声和稳定度等指标上均满足设计要求，具有模块化程度高、结构简单的特点，并已成功应用于NIM5铯原子喷泉钟系统中。

从长度单位米到时间单位秒:稳频激光—飞秒光梳—铯原子喷泉钟—光钟

报道了中国计量科学研究院(NIM)在复现国际单位制(SI)长度单位米和时间单位秒的研究进展,包括稳频激光、NIM4铯原子喷泉钟和飞秒光学频率梳。NIM4钟不确定度达4.4×10-15,NIM在研的飞秒光梳将以优于1×10-13的不确定度实现光学波长向微波频率的溯源。文中还讨论了127I2饱和吸收6 3 3 nm 3次谐波稳频的He-Ne激光波长比5次谐波稳频的更“准确”;指出飞秒光梳是从动跟踪系统,描述它的性能指标应当是它的跟踪精度;估计了用“吸收室—原子束—原子喷泉—原子/离子存储”4种不同原理所建频标可能达到的不确定度极限。最后简略展望时间频率基准研究的新动向———光钟。

NIM铯原子喷泉实现MOT-OM原子云并冷却到10μK

报道了中国计量科学研究院 (NIM)研制新一代“激光冷却 铯原子喷泉”国家时间频率基准装置的进展。实现了铯 (Cs)原子从磁光阱 (MOT)过渡到光学阻尼 (OM)的装载 冷却 ,利用飞行时间法记录到信噪比优于 40的原子云荧光信号 ;原子经后冷却达到 (10～ 15 ) μK ;用OM从铯蒸气直接获得了冷原子云。

NTSC-F1铯原子喷泉钟光频移的评定

光频移是铯原子喷泉钟系统频移项之一。铯原子与微波Ramsey相互作用期间,近共振的冷却光、探测光、选态推光的存在都会产生原子光频移。通过控制NTSC-F1铯原子喷泉钟光学系统的AOM射频开关,以及在进入物理系统光纤前添加机械开关的方式,可以有效地降低系统的光频移。理论上对光频移影响因素进行了分析,实验上对NTSC-F1铯原子喷泉钟冷却光、探测光、选态推光分别存在的情况下的光频移值进行了测量评估,确定了NTSC-F1铯原子喷泉钟光频移项的主要来源。NTSC-F1铯原子喷泉钟光频移量为0,相对值不确定度为5.13×10^(-19)。

激光冷却-铯原子喷泉钟科研成果获国家科技进步一等奖

2月27日，中共中央、国务院在人民大会堂隆重举行国家科学技术奖励大会。党和国家领导人胡锦涛、温家宝、曾庆红、李长春出席大会并为获奖代表颁奖。温家宝代表党中央、国务院在大会上讲话。这次大会授奖项目共329个。中国计量科学研究院研究建立的激光冷却一铯原子喷泉时间频率基准装置荣获国家科技进步一等奖。这是计量院与国家科技进步奖阔别十年后的又一次重逢。再次印证了科研工作者坚守“板凳要坐十年冷”良好学风的重要性。

基于Labwindows/CVI的铯原子喷泉钟时序控制系统研制

基于平台Labwindows/CVI研制了NTSC-F2铯原子喷泉钟时序控制系统,和时序控制系统人机交互界面。利用人机界面设置时序的起始电平、用时、延时、相位和周期等各项参量,实现15路TTL信号和4路任意波信号的同时输出和独立输出,同步精度可达300ns。

铯原子喷泉钟Rabi和Ramsey牵引频移的理论研究

Rabi和Ramsey牵引效应是影响铯原子喷泉钟频率不确定度的重要因素之一。构建了铯原子喷泉钟中微波腔的辐射场与冷原子团相互作用的物理模型,获得了原子—辐射场哈密顿量和时间演化算符。通过数值求解时间演化算符的薛定谔方程,用蒙特卡洛方法模拟原子团速度和密度的二维分布,获得了钟跃迁概率和Rabi和Ramsey频移,并对频移量与初始原子|3,±1>态对称性、|3,0>与|3,±1>态相干和相干相位的关系进行了理论分析,应用于铯原子喷泉钟得到Ramsey腔微波脉冲面积是7π/2时非相干和相干初始原子态对应Rabi和Ramsey牵引频移量级分别为10-18和10-14,且频移量与相干相位呈三角函数关系,与PTB评定该项频移得到的理论及实验结果一致。

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。

我国铯原子喷泉钟获准参与驾驭国际标准时间,为国际统一时间作修正

8月7日,国际计量局（BIPM）正式通知：中国计量科学研究院研制并运行的＂NIM5铯原子喷泉钟＂通过评审,被接收为国际计量局（BIPM）认可的基准钟之一,参与驾驭国际原子时（TAI）。这标志着我国成为世界上少数几个能参与驾驭国际标准时间的国家,在国际标准时间的产生过程中不仅具备了话语权,更具备了表决权。

1500万年不差一秒 中国计量院研制成功NIM5铯原子喷泉钟

2010年11月30日,由中国计量科学研究院（NIM）自主研制的＂NIM5可搬运激光冷却-铯原子喷泉时间频率基准＂通过了国家质检总局组织的专家鉴定。经鉴定,NIM5铯原子喷泉钟的频率不确定度达到2×10^15，

“NIM4激光冷却-铯原子喷泉时间频率基准装置研究”荣获国家科技进步一等奖

2007年2月27日，中共中央、国务院在北京隆重举行国家科学技术奖励大会。这次大会奖励共计329项，其中，国家科技进步一等奖20项。中国计量科学研究院“NIM4激光冷却-铯原子喷泉时间频率基准装置研究”荣获国家科技进步一等奖。经过实验测试和评估，我国最新一代时间频率基准“NIM4激光冷却一铯原子喷泉时间频率基准”频率准确度达到5×10^-15，相当于600万年不差一秒，达到世界先进水平。

铯原子喷泉的飞行时间信号

应用激光冷却与囚禁的铯原子喷泉是新一代的频率基准。报告了冷原子云上抛信号的序列测量 ,发表了飞行时间 (TOF)信号的基本估算公式 (估算原子云温度和TOF峰值信号强度 ) 。

2000年NIM铯冷原子喷泉时间频率基准装置研究的进展

本文报导了中国计量科学研究院 (NIM)研制新一代“激光冷却铯原子喷泉”国家时间频率基准装置的进展 :实现了从磁光阱 (MOT)过渡到光学黏胶 (OM)装载 冷却铯 (Cs)原子 ,利用飞行时间 (TOF)法记录到信噪比优于4 0的原子云荧光信号 ;原子经后冷却达到 (1 0～ 2 0 ) μK ;用光学黏胶从铯蒸气直接获得了冷原子云。并给出了对实验的讨论。

绝热跃迁方法测量铯喷泉钟冷原子碰撞频移

冷原子碰撞频移是限制铯原子喷泉钟频率不确定度性能的主要因素之一.在使用外推法测量冷原子碰撞频移时,制备密度均匀成比例的原子团是减小系统误差的关键.绝热跃迁方法可以用来实现均匀跃迁比例,均匀度可达10–3.通过理论分析Bloch矢量的演化,导出了误差满足的方程,实验测量了不同参数对跃迁几率的影响,印证了理论分析.在此基础上可以优化实验参数并评估原子有效密度比的不确定度,实现了冷原子碰撞频移的高精度测量.

应用于铯原子喷泉钟的二维磁光阱研制

理论模拟研究了二维磁光阱原子束流量与饱和蒸汽压、冷却光强、激光失谐量的关系,构建了二维磁光阱(2D-MOT)装置,实验上实现了大流量的慢速原子束,其测量值为2.1×109/s.利用荧光法测量了各实验参数与流量的关系,测量结果与数值模拟结果符合较好.