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解密原子钟“前世”“今生”

2016-09-19 10:05
FlappyBird
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  天宫二号搭载的空间冷原子钟实验是一项非常重要的科学实验。根据以往的传统,都是国际上有些什么重大的实验突破,然后我们到国内寻找是否有跟进的研究。不过这几年,这个情况正在改观,我们也开始了首创实验,空间冷原子钟钟就是这样的研究,空间钟的发展有点像“北斗”导航系统,最早我国曾经把导航寄希望于欧洲的“伽利略”系统,但最终没有搞成,然后我们自己搞,发挥了下决心就一定要办好的特点,最终领先和超越了“伽利略”。本文将简要介绍原子钟的发展和技术,并对国际上与之对应的国际空间站空间冷原子钟进行简单介绍,从侧面了解和感受空间冷原子钟实验。

  时钟的简介

  对时间的认识与对时间的计量是一个古老的学科,我们常常用到的形容整个世界的最大词语“宇宙”,古语释义为“四方上下曰宇,古往今来曰宙。”(《三苍》)。“往古来今谓之宙,四方上下谓之宇。”(刘安《淮南子·齐俗》),包含了古人朴素的时空统一观念。基于天文时的天文历法一直是一个文明的重要标志,对于农耕文明而言,历法的精度会对社会生活产生重要影响,天文历法的特点就是看重长时间累计误差而忽视时间的细小精度,例如我国的古代也就把一天分为“十二个时辰”,再往下“一炷香功夫”,“一袋烟功夫”什么的,实在不太靠谱。

  对时间的进一步细分是伴随工业文明的发展而发展起来的,一方面工业化大生产和工业社会的发展需要进一步提高社会的同步精度和节奏,另一方面科技的发展也使得精细计时成为可能,以机械钟表为标志,社会进入到“机械时”时代,不过机械时不是一个独立的体系,它还是以天文时作为基础的,对秒的定义是平均太阳日的1/86 400,这个定义一直持续到1960年。

  在以电磁技术为标志的第二次工业革命出现以前,对时频计量精度要求最高的实际是航海,时钟领域跨时代的“哈里森钟”实际就是为了解决航海对钟表的高精度要求而诞生的。当年的英国所以能成为称霸世界的“日不落帝国”,得益于它的无敌的海上霸权,而这与它当年在计时领域领先世界密切相关。英国纪念其海上霸权荣光的“英国国家海事博物馆(National Maritime Museum)”就坐落在当年的伦敦格林威治天文台(包括海事陈列馆、皇家天文台、皇后之屋),其中和计时技术作为其最重要的部分在专门的展厅陈列。

  ——这从一个侧面反映了时钟有一个天生的宿命,就是定位,也就是说,它本来属性是要告诉用户“我在何时”的问题,但是不知从什么时候开始,它还需要告诉用户“我在何地”的问题。这个宿命一直持续到今天,只不过观察目标由天然星辰变成了人造卫星,定位原理由观察角定位变成了距离定位,六分仪等变成了GPS接收机,“哈里森钟”变成了原子钟。

  图1 14世纪以来时钟精度的发展(本图来自参考文献1)

  基于太阳日定义的天文时受限于地球自转所受到的扰动,精度在E-7 - E-8量级,图1给出了14世纪以来时钟精度的发展[1],在电磁技术发展起来,这个误差变得不可接受,而量子力学发展起来以后,让我们认识到原子分子间的能级跃迁具有恒定的频率特性,可以作为频率基准,这个观点是麦克斯韦和开尔文在1870年代提出的,但是真正让其从技术上成为可能是Rabi和他的学生们的工作,Rabi就是Rabi振荡那个Rabi,原子钟就是靠那个Rabi振荡实现的。之后原子钟取得了飞速的发展,其中Rabi的学生Ramsey在1950年提出了分离振荡场理论,该技术成为后来微波基准钟的标准技术,英国NPL的Essen和Parry在1955年研制了第一台可靠的铯原子束钟(如图2所示),到1960年代,原子钟及时精度已经全面超过天文-机械计时,在1967年原子钟的不确定性降到E-12,在CGPM的第13届会议上,给出了时间单位秒的新定义“一秒是133Cs原子基态超精细能级跃迁周期的9 192 631 770倍。”在1950年代,原子钟许多相关技术也取得了重大突破,包括微波振荡器(maser)、离子阱、填充气体谱线压制技术(Dicke效应)等,由此诞生了主动钟、离子阱钟、泡式原子钟等。

  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。

  图3原子钟的原理图

  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。

  图5 Rabi振荡(左图)和Ramsey作用(右图)的原理、线型和线宽

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