关键字：原子钟 超精细能级 激光 GPS全球定位系统
一、引言
众所周知，时间的测量与国民经济、国防、科学实验乃至人民的生活密切相关。在实验室等场合，人们对精密时间测量有很高的要求，但现在日常生活中常见的计时仪器如石英表、电子表等都无法很好地满足人们的需求，因此我们迫切需要一种精确计时仪器，随后便有了原子钟的发明。
最早的传统型原子钟由Isidor Rabi与他的学生在20世纪30年代发明，其主要原理是超精细能级跃迁。尽管它最初本是由Isidor Rabi创造出来用于探索宇宙本质的，但其后有了许多应用。
经过半个多世纪的发展，传统型原子钟演变为多种类型的新一代原子钟，主要有冷原子喷泉钟、空间基准钟、气泡型冷原子钟以及CBT钟和光钟等。同时，原子钟也获得愈来愈广泛的应用，重要性也更加显著：它被广泛应用于导航、信息等领域，例如如今已渗透到人们生活各个方面的GPS的主要控制部分就含有原子钟。原子钟为远距离精确定位提供了基础。在高科技研究方面，由于原子钟而能精确地获得时间数据，使得测量耗时短的物理过程成为可能，可以提高研究水平以及结果的准确性和可靠性。本文以下部分将依次阐述原子钟的基本原理、原子钟的主要类型、原子钟在生活工业和科技方面的应用，以及其局限性和发展前景。
二、原子钟的原理
目前所有种类的原子钟都是以超精细能级跃迁为基本原理设计的。本段首先解释什么是超精细能级跃迁。
原子核外的电子只能在特定的、不同的轨道上运动，不同轨道上的电子有不同的能量，不同的能量值称之为能级。核外电子能在不同的轨道上跃迁，使原子有不同的能量，即处于不同的能级。当电子处在最低能级时，原子处在基态。当电子具有比最低能级更高的能量时，原子处在激发态。电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级，但高能级是不稳定的，电子很容易回到低能级，并释放出具有稳定频率的辐射。在特定的情况下，原子的能级可以发生分裂，即同一个能级分裂形成两个或多个能量差很小的能级，成为精细能级；精细能级在特定情况下又可以分裂，形成超精细能级。原子在两个超精细能级之间跃迁的过程就称为超精细能级跃迁。
超精细能级跃迁因只与原子内部结构有关，受外界影响较小，具有较好的稳定性。相比于超精细能级跃迁，原子在其他能级之间跃迁所释放的能量较大，即对应的电磁波的频率较大，常处于红外光、可见光乃至紫外光波段，不利于利用电学仪器探测其频率；而原子在进行超精细能级跃迁时释放的能量较小，即对应的电磁波频率较低，常处在微波波段，非常适合使用电学仪器进行探测，从而完成捕捉稳定震荡信号。原子在超精细能级间跃迁产生的电磁波以其特有的稳定性和可探测性确保了原子钟的精密与准确。原子钟的基本工作原理如图1所示。
图1. 原子钟的基本结构
人为的使晶体振荡器产生频率不定但接近超精细能级跃迁辐射的频率的电磁波，使原子发生超精细能级跃迁（即从低能级E1跃迁到高能级E2）；由于原子跃迁到更高能级后不稳定，因此很容易从高能级E2回到低能级E1，同时发射出特定频率的电磁波；系统捕捉到原子发出的电磁波，再不断根据捕捉到的电磁波频率为标准调节晶体振荡器，直到晶体振荡器发射的电磁波频率和原子超精细能级跃迁辐射的频率相同，形成共振，因此可以测得一个稳定的时间间隔，从而可以制成原子钟。
三、原子钟的类型
现有较常见的原子钟的类型有如下几类：
1.冷原子喷泉钟
通过冷却原子，即降低原子的运动速度，可以使原子发生超精细能级跃迁辐射的频率更精确地被测量。冷原子喷泉钟的基本结构与传统型原子钟的基本结构大致相同，但冷原子喷泉钟增加了激光器这一装置。图2为冷原子喷泉钟的基本结构。
图2. 冷原子喷泉钟的基本结构
现在介绍冷原子喷泉钟的基本工作流程，可分为四个阶段：
（1） 六个两两垂直的激光器照射到位于它们中心的气态铯原子团上，使之相互接触而呈球型。由于激光减缓了原子团的运动速度，使得原子团的温度逐渐降低直到接近绝对零度（），从而可以使原子的超精细能级跃迁更稳定。
（2） 两束垂直地面的激光器发出激光使铯原子团缓缓向上运动，直至原子团到达位于激光器上方的微波腔，原子团从微波腔中吸收大量能量，跃迁到高能级。
（3） 由于重力，铯原子团从微波腔上方下落，在再次通过微波腔的过程中，把第一次通过微波腔所吸收的能量全部释放出来。
（4） 在微波腔的下方出口处，激光探测器发出激光照射到已经两次通过微波腔的铯原子团上，这时，探测器测量铯原子团辐射出的荧光频率。
重复进行以上过程，并使每一次流程中微波腔里的微波频率都不同，从而由探测器得到一个确定的荧光频率，在该频率上有最多比例的铯原子发生超精细能级跃迁辐射，这个频率也是铯原子的振动频率。
尽管冷原子喷泉钟的原理与传统型原子钟的相同，但由于前者能控制铯原子的运动，使其在微波腔中停留的时间更长，从而有更多时间去调整和测量频率，因此前者的稳定性和精确性都比后者有很大的提高。
2． CPT钟
CPT钟是根据相干双色光与原子的相互作用而产生CPT（Coherent Population Trapping， 即相干布居数囚禁或粒子数相干布居囚禁）共振现象设计的一种新型原子钟。CPT中的基本原理也与传统型原子钟大致相同，但获取稳定频率的的方式不同。以下将简单解释CPT钟锁定频率的原理。
用两束相位差恒定的激光将原子基态的两个超精细能级耦合到一个共同的激发态，如果两激光的频率差严格等于原子两超精细能级差对应的频率，则原子会被抽运到两个超精细能级的一个相干叠加态。此时激发态上没有原子，且原子将不再吸收辐射，原子被“布居囚禁”，即其在两个能级上的数量分布达到稳定，并发生稳定的微波辐射。由此可以锁定一个稳定频率。
由于只需要两束激光来束缚原子并测量频率，CPT钟不再需要微波腔，从而很好地简化了原子钟的结构，实现了原子钟的微型化。美国商品化的芯片原子钟的体积仅有16立方厘米，并且有很好的稳定性。由于这些特点，CPT原子钟在远程定位、通讯网络同步、军用、民用等方面都有很好的应用前景。例如，CPT钟应用于GPS可显著提高定位精度。
此外还有例如光钟、空间基准钟、气泡型冷原子钟等多种类型的原子钟，性能相比于传原子钟都有一定的提高。
四、原子钟的应用
1．原子钟与GPS（全球定位系统）
目前人们使用的全球定位系统由空间部分、地面监控部分、用户接收部分三个部分组成。其中空间部分由多个卫星组成。GPS通过测量地面接收部分和各个卫星之间的距离来确定目标位置，即测量电磁波从发射到接收的时间差，再用时间差乘以光速。因为光速很大（约），只要测量时间出现一点点误差，就会使定位结果有很大误差，所以能够精确测量时间的原子钟在GPS有很高的重要性。
现在应用到GPS上的原子钟已经有很好的稳定性，每过32000年，原子钟才会有一秒的误差。
2. 原子钟与航海
在20世纪初期，航海家们需要靠天空中的星空图来来确定自己的航海方向，并且需要准确的时间来观察天空，所以在船上装了时钟。但随着航行路程愈来愈长，对时间的精确度有了更高的要求，因此原子钟就很好地替代了老式钟表的位置。拥有原子钟以后，配合准确的天空观测仪器，航海家可以更加精准的确定自己在海上的位置，确保了航海家不会偏离自己的轨道。
五、原子钟的局限性和发展方向
尽管原子钟是极其精密的计时仪器，在航海航空，卫星定位，科学计算等方面有重要的应用，但传统型原子钟精密的结构和庞大的体积限制了它的应用范围进一步扩大。这促使科学家们根据相干双色光与原子的相互作用而产生CPT共振现象制造出不需要微波谐振腔的CPT钟，从而能够大大减小其体积，可以很好地实现原子钟的微型化和精简化。可以预见，在将来更多的精力将会投入到体积更小的CPT钟的研究和改进中。
原子钟还有技术复杂不利于维护、对环境要求高、设备昂贵等需要改进的地方。但科学家们已经找到了解决一些问题的方法。终究有一天，原子钟能更好地被我们利用。
六、结语
原子钟问世以来，由于其拥有良好的性能，具有很大的科学价值和应用价值。许多国家都花费的大量人力和财力研制并发展原子钟。我国也开展了许多有关原子钟方面的研究，但除了冷原子喷泉钟外，其他类型的原子钟都不能跟上国际的脚步。笔者希望国家能把更多的资金投入原子钟中的研究，我国科学家们也加快步伐，使原子钟在我国的发展有更大的进步；也希望各国科学家能早日解决原子钟的诸多问题。
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论文作者:周坤昇
论文发表刊物:《科技中国》2017年8期
论文发表时间:2017/12/13
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