原子鐘的幾種常見類型

-.z.原子鐘的幾種常見類型摘要本文按出現(xiàn)的時間順序介紹幾種常用原子鐘(光譜燈抽運銣原子鐘、光譜燈抽運銫原子鐘、磁選態(tài)銫原子束鐘、激光抽運銫原子束鐘、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躍遷的輻射頻率來鎖定外接振蕩器頻率的頻率測量標(biāo)準(zhǔn)裝置的俗稱，通稱為量子頻率標(biāo)準(zhǔn)或原子頻標(biāo)。其工作原理可用圖1來描述：圖1一個受控的標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器產(chǎn)生的信號經(jīng)過倍頻和頻率合成轉(zhuǎn)換成為頻率接近于原子躍遷頻率的信號，鼓勵原子產(chǎn)生吸收或受激發(fā)射的頻率響應(yīng)信號，呈共振曲線形狀，稱為原子譜線，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)信號通過伺服反應(yīng)系統(tǒng)來矯正振蕩頻率，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。光譜燈抽運銣原子鐘光抽運汽室頻標(biāo)用堿金屬原子基態(tài)兩個超精細(xì)構(gòu)造能級之間躍遷的輻射頻率作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，它處在微波波段。在磁場中，這兩個能級都有塞曼分裂，作為標(biāo)準(zhǔn)頻率的躍遷是其中兩個磁子能級QUOTE=0之間的躍遷，它受磁場影響最小。假設(shè)用適宜頻率單色光照射原子系統(tǒng)，使基態(tài)一個超精細(xì)能級上的原子被共振激發(fā)，而自發(fā)輻射回到基態(tài)時可能落到所有能級，原子就會集中到一個基態(tài)能級，極大地偏離玻爾茲曼分布，這就是光抽運效應(yīng)。這里選擇抽運光起著關(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原子發(fā)光，它的光譜成分能使基態(tài)兩個超精細(xì)能級上的原子都被激發(fā)，因而不能有效地實現(xiàn)選擇吸收，起到光抽運作用。幸好對銣原子，可以有一個巧妙的方法。銣原子有兩種穩(wěn)定同位素：和，其豐度分別為72.2%和27.8%。它們各有能級間距為3036MHz和6835MHz的兩個超精細(xì)能級，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，A，a兩線有較多的重合，而B，b線則重合較少。因此，假設(shè)原子發(fā)出的光透過一個充以原子的濾光泡，a線就會被較多地吸收，而剩下較強的b線。原子在這種光作用下，就會有較多的下能級原子被激發(fā)，從而使更多原子聚集在超精細(xì)構(gòu)造的上能級上，這就實現(xiàn)了光抽運效應(yīng)。圖2光譜燈抽運銫原子鐘20世紀(jì)60年代初期銫原子沒有簡單的抽運光源可用，只能利用無極放電光譜燈。這種燈能發(fā)出強度大致相等的兩條超精細(xì)構(gòu)造譜線，分別可對銫原子基態(tài)F=3和F=4兩個超精細(xì)能級發(fā)生作用，引起原子激發(fā)。由于F=4態(tài)有9個塞曼子能級，F(xiàn)=3態(tài)只有7個，而原子吸收光的概率與能級數(shù)成正比，所以，銫共振光通過銫汽室后，兩個超精細(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差，這就會使基態(tài)F=4能級上的原子數(shù)比F=3能級上多，引起兩個能級上原子數(shù)差，實現(xiàn)了光抽運。不過因為兩種成分光強相差不大，抽運效率顯然不高。銫原子光抽運汽室頻率標(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，通過置于諧振腔內(nèi)的汽室被吸收，并在光電檢測器上得到一定電平的光電信號。這相當(dāng)于光抽運下原子在兩個基態(tài)超精細(xì)能級上建立穩(wěn)態(tài)分布時的信號，當(dāng)諧振腔內(nèi)電磁場頻率與超精細(xì)躍遷相符時，原子在兩個超精細(xì)能級之間發(fā)生躍遷，打破了原有的原子在能級上的平衡分布，又會發(fā)生新的光吸收，產(chǎn)生躍遷的光檢測信號，即原子鐘信號。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)過由大量細(xì)長管子組成的準(zhǔn)直器以很小發(fā)散角(約1°)的"原子束〞形式"瀉流〞出來，穿過由強不均勻磁場形成的B分析磁鐵區(qū)，由于處于基態(tài)兩個超精細(xì)構(gòu)造能級上的原子帶有不同磁矩，在強不均勻磁場中因偏轉(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場和微波諧振腔的"中段〞，在那里與微波輻射場進(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)過第二個強不均勻磁場(B分析磁鐵)，躍遷原子被偏向檢測器，未經(jīng)躍遷的則被偏離開。檢測器上躍遷信號與微波頻率的關(guān)系呈Ramsey曲線，如圖5(a)所示。檢測器用熱離化絲把中性銫原子離化為離子而加以收集。通過測定銫原子數(shù)定頻。激光抽運銫原子束鐘高梯度不均勻強磁場選態(tài)只利用基態(tài)F=4或3，QUOTE=0能級上的原子，只是16個能級之一；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"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)的萬分之一。激光抽運原則上可使所有基態(tài)原子集中到所需能級，從而極大地提高原子信號的信噪比。激光抽運原子束頻標(biāo)用光檢測方法來探測躍遷原子信號，但不像在光抽運汽室頻標(biāo)那樣通過光吸收變化來檢測，而是直接探測躍遷原子發(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，原子在激光作用下集中到超精細(xì)構(gòu)造上能級，它們穿過諧振腔后假設(shè)無躍遷，則在檢測區(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，原子就過渡到超精細(xì)構(gòu)造下能級，并能再次吸收光而產(chǎn)生熒光，因此檢測區(qū)的熒光是原子發(fā)生躍遷的表征。在工藝上，激光抽運銫束管不但防止了在真空密封上難以處理的強場磁鐵問題和設(shè)計制造技術(shù)上精細(xì)的束光學(xué)問題，而且熒光檢測還消除了用熱離化絲檢測引起的諸多問題，包括離子噪聲問題，十分嬌嫩且影響壽命的電子倍增器及強磁場質(zhì)譜計問題等。但是激光抽運銫束管也帶來了消除光頻移和激光器長期穩(wěn)定工作的難題。激光冷卻冷原子噴泉鐘在用Ramsey別離場技術(shù)獲得躍遷信號的原子鐘中，線寬Δν決定于原子飛過諧振腔中"漂移區(qū)〞(兩個微波相互作用區(qū)之間的長度L)的時間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)運而生。對原子鐘工作來說，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。它們都依賴于激光對中性原子產(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能來補償，從而實現(xiàn)了減速。偶竭力則依靠原子基態(tài)能級能量與光強成正比的光頻移，原子受到一束強度不均勻的光束作用時，處在不同位置的原子因為受到的光強不同而使其基態(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程中只受到重力作用，它兩次穿過微波腔，與時間上的別離振蕩場作用，產(chǎn)生鐘躍遷，然后探測不同能級的原子。最后獲得與Ramsey鐘躍遷相應(yīng)的熒光信號。這樣極大減小了傳統(tǒng)構(gòu)造中兩個振蕩場不同所造成的相位頻飄而且兩次與微波振蕩場作用時的速度等值反向，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、微波探測和檢測)都在同一地方發(fā)生，應(yīng)用時序?qū)⒏鱾€階段的作用分開。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。為了滿足冷卻過程的需要，球形紫銅腔須光學(xué)拋光到λ/14的精度以便儲存激光和產(chǎn)生各向同性的光場以供捕獲和冷卻原子用。同時，這個微波腔調(diào)諧在9。192GHzQUOTE模式，用于鼓勵"鐘〞躍遷。微波腔內(nèi)有一Cs原子儲存泡，保持真空度在QUOTE乇。含泡腔的Q=3000。原子的冷卻、制備、探測和檢測等每個相互作用過程在同一微波腔中分時序進(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’的重抽運光，通過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光的雙重作用把Cs原子冷卻并囚禁在微波腔中心。此時所有原子被制備處于態(tài)Fg=4的所有QUOTE態(tài)上。然后實施從基態(tài)Fg=4到激發(fā)態(tài)Fe=4’的光抽運，最終將原子抽運到基態(tài)Fg=3態(tài)。第三步，應(yīng)用Ramsey微波探測，|Fg=3，QUOTE=0>Zeeman能級上的原子轉(zhuǎn)移到|Fg=4，QUOTE=0>能級上。然后讓調(diào)諧在Fe=4一Fg=5’的垂直線性吸收光束通過原子樣品，以循環(huán)躍遷檢測這個能級上的原子數(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(一方面因為原子在腔中，另一方面我們不能用光抽運，因為微波探測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這個能級上的原子數(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就可鑒別微波鼓勵信號的準(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行的各類航天器上放置原子鐘，對空間科學(xué)的開展產(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)生了革命化的開展；航天器裝載高穩(wěn)定度的原子鐘，使空間科學(xué)試驗，諸