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图2 Essen和他的第一台铯束管原子钟(本图来自参考文献2)
1980年代以后激光冷却技术发展起来以后 ， 很快被应用于原子钟 ， 基于激光冷却原子实现了原子喷泉钟 ， 基于激光冷却离子实现了冷离子钟 ， 1990年代后 ， 超窄线宽激光器和光频梳锁定技术有了革命性突破 ， 光频标也发展起来 ， 相关的研究热潮现在还在持续 ， 光钟的相关工作是非常大的话题 ， 我们将不涉及 。空间冷原子钟是基于原子喷泉钟技术发展起来的 ， 下面将进一步介绍 。
原子钟与空间钟
讲到这里 ， 我们必须简单介绍原子钟的原理 ， 如图3所示 ， 振荡器产生微波或者光信号 ， 通过精密可调的乘法器（微波/光频链路）与原子介质作用 ， 探测原子介质跃迁后的能态变化 ， 锁定振荡器 ， 振荡器输出标准频率信号 。这是原子钟最基本的部分 ， 称之为原子频标 ， 加上频率计数和积分等计时器功能就构造成全部的原子钟 。——好像说得有些专业 ， 它的原理可以用图4形象地描述 ， 假设图中的招财猫向上和向下是原子鉴频的两个能态 ， 如果输入电磁波（微波或光子）与鉴频能级共振（图中红色电磁波） ， 原子就发生跃迁 ， 招财猫吸收电磁波 ， 由向上态转化为向下态 ， 反之 ， 如果离共振（图中蓝色电磁波） ， 则原子（招财猫）不与电磁波发生作用 ， 根据原子的末态就可以判断电磁波频率的离共振情况 ， 而原子对频率误差的鉴别能力取决于频率跃迁谱线的宽度Δν ， 一般而言 ， 谱线越窄 ， 原子钟的精度越高 ， 我们甚至可以近似（不严谨)地认为原子钟的精度与Δν成反比 ， 在微波频段 ， Δν反比于原子和微波的作用时间t ， 因此通过增加t压窄Δν成为原子钟性能指标提升的最重要途径 。


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图3原子钟的原理图

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图4原子钟的形象原理图
高性能（准确度）原子钟还有一个重要因素 ， 就是环境噪声的影响尽量小 ， 因此可以成为时间频率基准的原子钟都是让原子在自由飞行时与微波场作用 ， 它的最早的代表就是铯束管原子钟 ， 图2中Essen研制的原子钟就是这样的结构 ， 它让热原子束通过微波腔获得干涉条纹 ， 这样的结构中用到了前面提到的分离振荡场 ， 也称之为Ramsey作用 ， 它的原理如图右图所示（左图是与之对照的Rabi振荡） ， 就是让原子介质与微波场两次作用 ， 在这样的工作模式下 ， 微波干涉曲线的线宽Δν取决于两次微波作用间的原子自由飞行时间T ， 满足Δν=1/2T ， 从技术上更容易获得更窄线宽的谱线 ， 并且更容易获得抑制环境噪声 ， 提高原子钟精度 。多数高精度原子钟都采用Rasmey作用的方案 。
在原子喷泉钟出现以前 ， 束型铯原子钟一直是精度最高 ， 最主要的原子钟 ， 并且即使到了现在 ， 它在世界时（UTC）和国际原子时（TAI）报数系统 ， 从时钟数目上 ， 所占比重超过70% 。束型原子钟的精度主要受限于热原子运动和热原子束的速度（100米/秒量级） ， 装置一般是1米到数米 ， Δν一般在10-100Hz量级 。原子喷泉方案就是为了压窄线宽而提出的 ， 其基本想法就是让原子缓慢上抛 ， 然后再落下来 ， 与微波腔两次作用 ， 这样作用时间可以提高约2个数量级 ， 对应线宽也可以压窄约2个数量级 。

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