原子鐘的幾種常見(jiàn)類(lèi)型

-.z.原子鐘的幾種常見(jiàn)類(lèi)型摘要本文按出現(xiàn)的時(shí)間順序介紹幾種常用原子鐘(光譜燈抽運(yùn)銣原子鐘、光譜燈抽運(yùn)銫原子鐘、磁選態(tài)銫原子束鐘、激光抽運(yùn)銫原子束鐘、激光冷卻冷原子噴泉鐘、積分球冷卻原子鐘)的根本原理。原子鐘是利用原子或分子的能級(jí)躍遷的輻射頻率來(lái)鎖定外接振蕩器頻率的頻率測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的俗稱(chēng)，通稱(chēng)為量子頻率標(biāo)準(zhǔn)或原子頻標(biāo)。其工作原理可用圖1來(lái)描述：圖1一個(gè)受控的標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)倍頻和頻率合成轉(zhuǎn)換成為頻率接近于原子躍遷頻率的信號(hào)，鼓勵(lì)原子產(chǎn)生吸收或受激發(fā)射的頻率響應(yīng)信號(hào)，呈共振曲線形狀，稱(chēng)為原子譜線，其中心頻率即原子躍遷頻率為QUOTE，線寬為Δν。假設(shè)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的受控振蕩器頻率與原子躍遷頻率不符，原子做出的響應(yīng)信號(hào)通過(guò)伺服反應(yīng)系統(tǒng)來(lái)矯正振蕩頻率，直到使其與原子頻率符合為止。這樣就使受控振蕩器頻率始終穩(wěn)定在原子躍遷頻率上，從而實(shí)現(xiàn)使其振蕩頻率鎖定于原子躍遷頻率的目的。光譜燈抽運(yùn)銣原子鐘光抽運(yùn)汽室頻標(biāo)用堿金屬原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)構(gòu)造能級(jí)之間躍遷的輻射頻率作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，它處在微波波段。在磁場(chǎng)中，這兩個(gè)能級(jí)都有塞曼分裂，作為標(biāo)準(zhǔn)頻率的躍遷是其中兩個(gè)磁子能級(jí)QUOTE=0之間的躍遷，它受磁場(chǎng)影響最小。假設(shè)用適宜頻率單色光照射原子系統(tǒng)，使基態(tài)一個(gè)超精細(xì)能級(jí)上的原子被共振激發(fā)，而自發(fā)輻射回到基態(tài)時(shí)可能落到所有能級(jí)，原子就會(huì)集中到一個(gè)基態(tài)能級(jí)，極大地偏離玻爾茲曼分布，這就是光抽運(yùn)效應(yīng)。這里選擇抽運(yùn)光起著關(guān)鍵作用。在20世紀(jì)60年代初，激光器剛創(chuàng)造尚無(wú)法利用，唯一可用的共振光源是光譜燈。一般光譜燈是由同類(lèi)原子發(fā)光，它的光譜成分能使基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)上的原子都被激發(fā)，因而不能有效地實(shí)現(xiàn)選擇吸收，起到光抽運(yùn)作用。幸好對(duì)銣原子，可以有一個(gè)巧妙的方法。銣原子有兩種穩(wěn)定同位素：和，其豐度分別為72.2%和27.8%。它們各有能級(jí)間距為3036MHz和6835MHz的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)，其共振光的頻率分布如圖2所示。這里A，B線為所產(chǎn)生，a，b線屬于原子。從它們的位置可見(jiàn)，A，a兩線有較多的重合，而B(niǎo)，b線則重合較少。因此，假設(shè)原子發(fā)出的光透過(guò)一個(gè)充以原子的濾光泡，a線就會(huì)被較多地吸收，而剩下較強(qiáng)的b線。原子在這種光作用下，就會(huì)有較多的下能級(jí)原子被激發(fā)，從而使更多原子聚集在超精細(xì)構(gòu)造的上能級(jí)上，這就實(shí)現(xiàn)了光抽運(yùn)效應(yīng)。圖2光譜燈抽運(yùn)銫原子鐘20世紀(jì)60年代初期銫原子沒(méi)有簡(jiǎn)單的抽運(yùn)光源可用，只能利用無(wú)極放電光譜燈。這種燈能發(fā)出強(qiáng)度大致相等的兩條超精細(xì)構(gòu)造譜線，分別可對(duì)銫原子基態(tài)F=3和F=4兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)發(fā)生作用，引起原子激發(fā)。由于F=4態(tài)有9個(gè)塞曼子能級(jí)，F(xiàn)=3態(tài)只有7個(gè)，而原子吸收光的概率與能級(jí)數(shù)成正比，所以，銫共振光通過(guò)銫汽室后，兩個(gè)超精細(xì)構(gòu)造成分被吸收的程度不同，從而造成兩種成分的光強(qiáng)差，這就會(huì)使基態(tài)F=4能級(jí)上的原子數(shù)比F=3能級(jí)上多，引起兩個(gè)能級(jí)上原子數(shù)差，實(shí)現(xiàn)了光抽運(yùn)。不過(guò)因?yàn)閮煞N成分光強(qiáng)相差不大，抽運(yùn)效率顯然不高。銫原子光抽運(yùn)汽室頻率標(biāo)準(zhǔn)物理局部的原理裝置如圖3所示。圖3光譜燈發(fā)出的共振光經(jīng)透鏡聚焦后，通過(guò)置于諧振腔內(nèi)的汽室被吸收，并在光電檢測(cè)器上得到一定電平的光電信號(hào)。這相當(dāng)于光抽運(yùn)下原子在兩個(gè)基態(tài)超精細(xì)能級(jí)上建立穩(wěn)態(tài)分布時(shí)的信號(hào)，當(dāng)諧振腔內(nèi)電磁場(chǎng)頻率與超精細(xì)躍遷相符時(shí)，原子在兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間發(fā)生躍遷，打破了原有的原子在能級(jí)上的平衡分布，又會(huì)發(fā)生新的光吸收，產(chǎn)生躍遷的光檢測(cè)信號(hào)，即原子鐘信號(hào)。磁選態(tài)銫原子束鐘圖4表示這種頻標(biāo)物理局部———銫束管的工作原理。圖4銫原子從銫爐經(jīng)過(guò)由大量細(xì)長(zhǎng)管子組成的準(zhǔn)直器以很小發(fā)散角(約1°)的"原子束〞形式"瀉流〞出來(lái)，穿過(guò)由強(qiáng)不均勻磁場(chǎng)形成的B分析磁鐵區(qū)，由于處于基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)構(gòu)造能級(jí)上的原子帶有不同磁矩，在強(qiáng)不均勻磁場(chǎng)中因偏轉(zhuǎn)方向不同而分成兩束，如圖4所示。其中一束被引入帶有C場(chǎng)和微波諧振腔的"中段〞，在那里與微波輻射場(chǎng)進(jìn)展兩次相互作用而完成躍遷。圖5躍遷后原子束繼續(xù)前行，經(jīng)過(guò)第二個(gè)強(qiáng)不均勻磁場(chǎng)(B分析磁鐵)，躍遷原子被偏向檢測(cè)器，未經(jīng)躍遷的則被偏離開(kāi)。檢測(cè)器上躍遷信號(hào)與微波頻率的關(guān)系呈Ramsey曲線，如圖5(a)所示。檢測(cè)器用熱離化絲把中性銫原子離化為離子而加以收集。通過(guò)測(cè)定銫原子數(shù)定頻。激光抽運(yùn)銫原子束鐘高梯度不均勻強(qiáng)磁場(chǎng)選態(tài)只利用基態(tài)F=4或3，QUOTE=0能級(jí)上的原子，只是16個(gè)能級(jí)之一；而且磁偏轉(zhuǎn)與原子速率有關(guān)，可利用的原子又只占很小的一個(gè)"速度窗口〞，真正被接收到的躍遷原子約只占原子束中總原子數(shù)的萬(wàn)分之一。激光抽運(yùn)原則上可使所有基態(tài)原子集中到所需能級(jí)，從而極大地提高原子信號(hào)的信噪比。激光抽運(yùn)原子束頻標(biāo)用光檢測(cè)方法來(lái)探測(cè)躍遷原子信號(hào)，但不像在光抽運(yùn)汽室頻標(biāo)那樣通過(guò)光吸收變化來(lái)檢測(cè)，而是直接探測(cè)躍遷原子發(fā)出的熒光。圖6顯示這種頻標(biāo)物理局部的構(gòu)造。圖6由圖可見(jiàn)，原子在激光作用下集中到超精細(xì)構(gòu)造上能級(jí)，它們穿過(guò)諧振腔后假設(shè)無(wú)躍遷，則在檢測(cè)區(qū)不可能受同一束光作用而發(fā)出熒光；而假設(shè)發(fā)生了躍遷，原子就過(guò)渡到超精細(xì)構(gòu)造下能級(jí)，并能再次吸收光而產(chǎn)生熒光，因此檢測(cè)區(qū)的熒光是原子發(fā)生躍遷的表征。在工藝上，激光抽運(yùn)銫束管不但防止了在真空密封上難以處理的強(qiáng)場(chǎng)磁鐵問(wèn)題和設(shè)計(jì)制造技術(shù)上精細(xì)的束光學(xué)問(wèn)題，而且熒光檢測(cè)還消除了用熱離化絲檢測(cè)引起的諸多問(wèn)題，包括離子噪聲問(wèn)題，十分嬌嫩且影響壽命的電子倍增器及強(qiáng)磁場(chǎng)質(zhì)譜計(jì)問(wèn)題等。但是激光抽運(yùn)銫束管也帶來(lái)了消除光頻移和激光器長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的難題。激光冷卻冷原子噴泉鐘在用Ramsey別離場(chǎng)技術(shù)獲得躍遷信號(hào)的原子鐘中，線寬Δν決定于原子飛過(guò)諧振腔中"漂移區(qū)〞(兩個(gè)微波相互作用區(qū)之間的長(zhǎng)度L)的時(shí)間T，有Δν≈1/2T。而T與原子速度v有關(guān)，T=L/v，速度越大，T越小。所以原子速度愈低，越有利于取得高的頻率穩(wěn)定度。因此，激光冷卻原子的方法應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)原子鐘工作來(lái)說(shuō)，激光冷卻原子技術(shù)的應(yīng)用主要有：激光減速原子束、冷原子團(tuán)的激光操控和激光阱中的原子陷俘。它們都依賴(lài)于激光對(duì)中性原子產(chǎn)生的散射力和偶竭力。散射力利用多普勒頻移使原子吸收頻率低于共振頻率的光而激發(fā)，而自發(fā)輻射則平均放出共振頻率的光，其能量虧損靠原子損失動(dòng)能來(lái)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了減速。偶竭力則依靠原子基態(tài)能級(jí)能量與光強(qiáng)成正比的光頻移，原子受到一束強(qiáng)度不均勻的光束作用時(shí)，處在不同位置的原子因?yàn)槭艿降墓鈴?qiáng)不同而使其基態(tài)能量有所不同，這是一種隨位置而變化的能量，所以是"勢(shì)能〞，這使原子趨向于能量最低處，從而能陷俘原子。[1]冷原子噴泉鐘的根本想法如圖7所示，搭建一個(gè)豎立的真空裝置，真空中充有工作介質(zhì)(銣或銫)的飽和蒸汽，利用激光俘獲原子并將其冷卻，將原子上拋。原子在上拋和下落的過(guò)程中只受到重力作用，它兩次穿過(guò)微波腔，與時(shí)間上的別離振蕩場(chǎng)作用，產(chǎn)生鐘躍遷，然后探測(cè)不同能級(jí)的原子。最后獲得與Ramsey鐘躍遷相應(yīng)的熒光信號(hào)。這樣極大減小了傳統(tǒng)構(gòu)造中兩個(gè)振蕩場(chǎng)不同所造成的相位頻飄而且兩次與微波振蕩場(chǎng)作用時(shí)的速度等值反向，消除了一階多普勒頻移。[2]圖7積分球冷卻原子鐘積分球冷卻原子鐘的根本思想是把原子鐘的所有相互作用(原子冷卻、原子制備、微波探測(cè)和檢測(cè))都在同一地方發(fā)生，應(yīng)用時(shí)序?qū)⒏鱾€(gè)階段的作用分開(kāi)。從而該鐘可以減小到幾升的體積。積分球冷卻原子鐘的物理局部是由激光焊接的鈦材做成，真空室由2L/s的離子泵維持在9*QUOTEmPa。外面罩兩層磁屏蔽。為了滿足冷卻過(guò)程的需要，球形紫銅腔須光學(xué)拋光到λ/14的精度以便儲(chǔ)存激光和產(chǎn)生各向同性的光場(chǎng)以供捕獲和冷卻原子用。同時(shí)，這個(gè)微波腔調(diào)諧在9。192GHzQUOTE模式，用于鼓勵(lì)"鐘〞躍遷。微波腔內(nèi)有一Cs原子儲(chǔ)存泡，保持真空度在QUOTE乇。含泡腔的Q=3000。原子的冷卻、制備、探測(cè)和檢測(cè)等每個(gè)相互作用過(guò)程在同一微波腔中分時(shí)序進(jìn)展。首先將頻率比Cs循環(huán)躍遷Fg=4一Fe=5’調(diào)低幾MHz的冷卻激光和調(diào)到Fg=3一Fe=4’的重抽運(yùn)光，通過(guò)6條多模保偏光纖注入腔中，在高反射率的球形諧振腔中，利用漫反射的紅移激光和重抽運(yùn)光的雙重作用把Cs原子冷卻并囚禁在微波腔中心。此時(shí)所有原子被制備處于態(tài)Fg=4的所有QUOTE態(tài)上。然后實(shí)施從基態(tài)Fg=4到激發(fā)態(tài)Fe=4’的光抽運(yùn)，最終將原子抽運(yùn)到基態(tài)Fg=3態(tài)。第三步，應(yīng)用Ramsey微波探測(cè)，|Fg=3，QUOTE=0>Zeeman能級(jí)上的原子轉(zhuǎn)移到|Fg=4，QUOTE=0>能級(jí)上。然后讓調(diào)諧在Fe=4一Fg=5’的垂直線性吸收光束通過(guò)原子樣品，以循環(huán)躍遷檢測(cè)這個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)(N4)，然后應(yīng)用4一5’的藍(lán)移激光去除能級(jí)Fg=4上的原子。而后利用QUOTE躍遷微波脈沖將留在能|Fg=3，QUOTE=0>上的原子轉(zhuǎn)移到Fg=4能級(jí)(一方面因?yàn)樵釉谇恢校硪环矫嫖覀儾荒苡霉獬檫\(yùn)，因?yàn)槲⒉ㄌ綔y(cè)后還有許多原子留在Fg=3，QUOTE≠0的能態(tài)上)。最后利用同樣的垂直線性吸收束檢測(cè)這個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)(N3)。于是，應(yīng)用的N4和N3，我們就可得出躍遷幾率:P=QUOTE利用躍遷幾率的峰值信號(hào)就可鑒別微波鼓勵(lì)信號(hào)的準(zhǔn)確與否，從而將微波源頻率鎖定在原子躍遷峰值上。[3]在繞地球軌道、行星軌道或飛越行星運(yùn)行的各類(lèi)航天器上放置原子鐘，對(duì)空間科學(xué)的開(kāi)展產(chǎn)生著重要的作用?？臻g原子鐘的研制成功，使導(dǎo)航定位系統(tǒng)產(chǎn)生了革命化的開(kāi)展；航天器裝載高穩(wěn)定度的原子鐘，使空間科學(xué)試驗(yàn)，諸