銫原子鐘

二十世紀30年代，美國哥倫比亞大學實驗室的拉比和他的學生在研究原子及其原子核的基本性質時所獲得的成果，使基於上述原子計時器的時鐘研製取得了實質性進展。在拉比設想的時鐘裏，處於某一特定的超精細態的一束原子穿過一個振動電磁場，場的振動頻率與原子超精細躍遷頻率越接近，原子從電磁場吸收的能量就會越多，並因此而經歷從原先的超精細態到另一態的躍遷。反饋迴路可調節振動場的頻率，直到所有原子均能躍遷。原子鐘就是利用振動場的頻率作為節拍器來產生時間脈衝，振動場頻率與原子共振頻率已達到完全同步的水平。

1949年，拉比的學生拉姆齊提出，使原子兩次穿過振動電磁場，其結果可使時鐘更加精確。

二戰後，美國國家標準局和英國國家物理實驗室都宣佈，要以原子共振研究為基礎來確定原子時間的標準。世界上第一個原子鐘是由美國國家物理實驗室的埃森和帕裏合作建造完成的，當時這個鍾需要一個房間的設備，另一名科學家扎卡來亞斯使得原子鐘成為一個更為實用的儀器。

1954年，他與馬薩諸塞州的摩爾登公司一起建造了以他的便攜式儀器為基礎的商用原子鐘。兩年後該公司生產出了第一個原子鐘，並在四年內售出50個，如今用於GPS的銫原子鐘都是這種原子鐘的後代。

1967年，人們依據銫原子的振動而對秒做出了重新定義。

1995年在法國研製成功的冷原子鐘（銫原子噴泉），利用了“激光冷卻和囚禁原子原理和技術”，使原子鐘的水平又提高了一個數量級。世界上只有法國、美國、中國、德國等少數幾個國家研製成功。名為NIST F-1的原子鐘是世界上最精確的鐘表，但它並不能直接顯示鐘點，它的任務是提供“秒”這個時間單位的準確計量。這一計時裝置安放在美國科羅拉多州博爾德的國家標準和技術研究所（NIST）物理實驗室的時間和頻率部內。

1999年才建成的這座鐘價值約為65萬美元，可謂身價不菲。在2000萬年內，它既不會少1秒也不會多1秒，其精度之高由此可見一斑。這架昂貴的時鐘既沒有指針也沒有齒輪，只有激光束、鏡子和銫原子氣。

每一個原子都有自己的特徵振動頻率。人們最熟悉的振動頻率現象就是當食鹽被噴灑到火焰上時食鹽中的元素鈉所發出的黃色的光。 ^[1]  一個原子具有多種振動頻率，一些位於無線電波波段，一些位於可見光波段，而另一些則處在兩者之間。秒的最新定義是銫-133 原子基態的超精細能級之間的躍迀所對應的輻射的9，192，631，770個週期所持續的時間。所以，銫133則被普遍地選用作精細的原子鐘。

將銫原子共振子置於原子鐘內，需要測量其中一種的躍遷頻率。通常是採用鎖定晶體振盪器到銫原子的主要微波諧振來實現。這一信號處於無線電的微波頻譜範圍內，並恰巧與廣播衞星的發射頻率相似，因此工程師們對製造這一頻譜的儀器十分在行。

為了製造原子鐘，銫會被加熱至汽化，並通過一個真空管。在這一過程中，首先銫原子氣要通過一個用來選擇合適的能量狀態原子的磁場，然後通過一個強烈的微波場。微波能量的頻率在一個很窄的頻率範圍內震盪，以使得在每一個循環中一些頻率點可以達到9,192,631,770Hz。精確的晶體振盪器所產生的微波的頻率範圍已經接近於這一精確頻率。當一個銫原子接收到正確頻率的微波能量時，能量狀態將會發生相應改變。

在更遠的真空管的盡頭，另一個磁場將那些由於微波場在正確的頻率上而已經改變能量狀態的銫原子分離出來。在真空管盡頭的探測器將打擊在其上的銫原子呈比例的顯示出，並在處在正確頻率的微波場處呈現峯值。這一峯值被用來對產生的晶體振盪器作微小的修正，並使得微波場正好處在正確的頻率。這一鎖定的頻率被9,192,631,770除，得到常見的現實世界需要的每秒一個脈衝。

銫原子鐘又被人們形象的稱作“噴泉鍾”，因為銫原子鐘的工作過程是銫原子象噴泉一樣的“升降”。這一運動使得頻率的計算更加精確。圖1詳細的描繪了銫原子鐘工作的整個過程。這個過程可以分割為四個階段：

由銫原子組成的氣體，被引入到時鐘的真空室中，用6束相互垂直的紅外線激光（黃線）照射銫原子氣，使之相互靠近而呈球狀，同時激光減慢了原子的運動速度並將其冷卻到接近絕對零度。此時的銫原子氣呈現圓球狀氣體雲。

兩束垂直的激光輕輕地將這個銫原子氣球向上舉起，形成“噴泉”式的運動，然後關閉所有的激光器。這個很小的推力將使銫原子氣球向上舉起約1m高，穿過一個充滿微波的微波腔，這時銫原子從微波中吸收了足夠能量。

在地心引力的作用下，銫原子氣球開始向下落，再次穿過微波腔，並將所吸收的能量全部釋放出來。同時微波部分地改變了銫原子的原子狀態。

在微波腔的出口處，另一束激光射向銫原子氣，探測器將對輻射出的熒光的強度進行測量。當在微波腔中發生狀態改變的銫原子與激光束再次發生作用時就會放射出光能。同時，一個探測器（右）對這一熒光柱進行測量。整個過程被多次重複，直到達到出現最大數目的銫原子熒光柱。這一點定義了用來確定秒的銫原子的天然共振頻率。

上述過程將多次重複進行，而每一次微波腔中的頻率都不相同。由此可以得到一個確定頻率的微波，使大部分銫原子的能量狀態發生相應改變。這個頻率就是銫原子的天然共振頻率，或確定秒長的頻率。

它利用銫原子內部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波作為標準，去控制校準電子振盪器，進而控制鐘的走動。這種鐘的穩定程度很高，最好的銫原子鐘達到2000萬年才相差 1 秒。在國際上， 普遍採用銫原子鐘的躍遷頻率作為時間頻率的標準，廣泛使用在天文、大地測量和國防建設等各個領域中。

為在研製銫原子噴泉鍾項目上取得突破，中國通過“派出去”、“請進來”等多種方式，與在這一領域技術水平領先的法國、美國和德國開展合作，解決了多項技術難點，最終保證了項目的順利完成。 ^[2] 

2007年，中國計量科學研究院成功研製“銫原子噴泉鍾”，實現了600萬年不差一秒，達到世界先進水平。中國成為繼法、美、德之後，第四個自主研製成功銫原子噴泉鐘的國家，成為國際上少數具有獨立完整的時間頻率計量體系的國家之一。

中國銫原子噴泉鍾研製中實現了一系列國際首創，主要有：提出銫原子噴泉鍾運行率的概念，將銫原子噴泉鍾運行可靠性用定量表述，並在2003年率先達到運行率95%；用單根光纖傳輸四束水平裝載—冷卻光，改善對射光功率平衡；利用選態微波功率控制原子密度，改善冷原子碰撞頻移評定；提出併成功實現正負交替採樣，改善頻率鎖定穩定度。

中國計量科學研究院自主研製的“NIM5可搬運激光冷卻—銫原子噴泉時間頻率基準”於2010年通過了國家質檢總局組織的專家鑑定。NIM5銫原子噴泉鍾採用國際最新一代銫鐘原理，獨立研製設計了噴泉鍾物理真空系統、激光光學系統和電子學系統，實現了多方面創新，達到性能指標：年運行超過300天，連續30天準連續運行率大於99%，頻率不確定度達到2×10^-15，把中國時間頻率基準的準確度提高到2000萬年不差一秒，並在國際上首次實驗實現噴泉鍾直接駕馭氫鍾產生地方原子時，這標誌着中國時間頻率基準的研究跨上了一個新的台階。

2014年8月，NIM5成為國際計量局認可的基準鍾之一，參與國際標準時間修正。這意味着一旦美國關閉GPS信號或不能使用國際校準數據，NIM5可獨立“守住”中國原子時。下一代NIM6將達6000萬年不差一秒。NIM6已經進入調試階段。

NIM5已獲得了重要應用。在國際上首次實驗實現噴泉鍾直接駕馭氫鍾，產生中國計量院（NIM）原子時，既可以參與國際時間合作，在非常時期又可以獨立運行。

噴泉鍾駕馭氫鍾產生NIM原子時，充分發揮了噴泉鍾準確度高和氫鍾可靠性高、穩定度好的優點，科學先進，資源利用合理。銫噴泉鍾也將為中國北斗衞星的地面時間系統提供計量支持和服務。

激光抽運小型銫原子鐘TA1000在2018年舉行的第20界國際工業博覽會上榮獲創新金獎 ^[3] 

對國家經濟建設、基礎科研，特別是國防安全都極為重要。

1967年國際計量大會將秒的定義從天文秒改為原子秒。上世紀末，美國研製成功了GPS全球衞星定位系統，在軍事、科研、計量、航空、航天、通訊、氣象、資源、環境、大地測量各領域中，發揮着巨大的作用。

銫原子噴泉鍾是GPS的基礎支撐技術。原子時，並溯源到美國標準技術院(NIST)的銫原子噴泉鍾。由於時間頻率基準關係到國家核心利益，而銫原子噴泉鍾是一個國家獨立時間頻率體系的源頭，因此發達國家紛紛加大投入研製改進一代又一代的銫原子噴泉鍾。