電子/科研

硬件：HMI+NI USB-6229+激光器

軟件：LabVIEW

時間頻率是國際單位制七個基本量中準確度最高，意義最重大的基準量之一。世界各國一直在持續(xù)不斷進行高準確度的國家時間頻率基準研究。目前中國計量科學研究院（NIM）在科技部基礎性專項的支持下，正在進行我國新一代具有國際先進水平的時間頻率基準裝置—激光冷卻銫原子噴泉鐘（10-15量級）的研制，并已取得了重大進展。

銫原子鐘是一種精密的計時器具。日常生活中使用的時間準到1分鐘也就夠了。但在近代的社會生產(chǎn)、科學研究和國防建設等部門，對時間的要求就高得多。它們要求時間要準到千分之一秒，甚至百萬分之一秒。為了適應這些高精度的要求，人們制造出了一系列精密的計時器具，銫鐘就是其中的一種。銫鐘又叫“銫原子鐘”。它利用銫原子內(nèi)部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波作為標準，去控制校準電子振蕩器，進而控制鐘的走動。

這種鐘的穩(wěn)定程度很高，目前，最好的銫原子鐘達到500萬年才相差 1 秒?，F(xiàn)在國際上， 普遍采用銫原子鐘的躍遷頻率作為時間頻率的標準，廣泛使用在天文、大地測量和國防建設等各個領域中。

每一個原子都有自己的特征振動頻率。人們最熟悉的振動頻率現(xiàn)象就是當食鹽被噴灑到火焰上時食鹽中的元素鈉所發(fā)出的黃色的光。一個原子具有多種振動頻率，一些位于無線電波波段，一些位于可見光波段，而另一些則處在兩者之間。銫133則被普遍地選用作原子鐘。

將銫原子共振子置于原子鐘內(nèi)，需要測量其中一種的躍遷頻率。通常是采用鎖定晶體振蕩器到銫原子的主要微波諧振來實現(xiàn)。這一信號處于無線電的微波頻譜范圍內(nèi)，并恰巧與廣播衛(wèi)星的發(fā)射頻率相似，因此工程師們對制造這一頻譜的儀器十分在行。

為了制造原子鐘，銫原子會被加熱至汽化，并通過一個真空管。在這一過程中，首先銫原子氣要通過一個用來選擇合適的能量狀態(tài)原子的磁場，然后通過一個強烈的微波場。微波能量的頻率在一個很窄的頻率范圍內(nèi)震蕩，以使得在每一個循環(huán)中一些頻率點可以達到9,192,631,770Hz。精確的晶體振蕩器所產(chǎn)生的微波的頻率范圍已經(jīng)接近于這一精確頻率。當一個銫原子接收到正確頻率的微波能量時，能量狀態(tài)將會發(fā)生相應改變。

在更遠的真空管的盡頭，另一個磁場將那些由于微波場在正確的頻率上而已經(jīng)改變能量狀態(tài)的銫原子分離出來。在真空管盡頭的探測器將打擊在其上的銫原子呈比例的顯示出，并在處在正確頻率的微波場處呈現(xiàn)峰值。這一峰值被用來對產(chǎn)生的晶體振蕩器作微小的修正，并使得微波場正好處在正確的頻率。這一鎖定的頻率被9,192,631,770除，得到常見的現(xiàn)實世界需要的每秒一個脈沖。

銫原子鐘又被人們形象的稱作“噴泉鐘”，因為銫原子鐘的工作過程是銫原子象噴泉一樣的“升降”。這一運動使得頻率的計算更加精確。銫原子鐘工作的整個過程可以分割為四個階段：

第一階段，由銫原子組成的氣體，被引入到時鐘的真空室中，用6束相互垂直的紅外線激光（黃線）照射銫原子氣，使之相互靠近而呈球狀，同時激光減慢了原子的運動速度并將其冷卻到接近絕對零度。

第二階段，兩束垂直的激光輕輕地將這個銫原子氣球向上舉起，形成“噴泉”式的運動，然后關閉所有的激光器。這個很小的推力將使銫原子氣球向上舉起約1m高，穿過一個充滿微波的微波腔，這時銫原子從微波中吸收了足夠能量。

第三階段，在地心引力的作用下，銫原子氣球開始向下落，再次穿過微波腔，并將所吸收的能量全部釋放出來。

第四階段，在微波腔的出口處，另一束激光射向銫原子氣，探測器將對輻射出的熒光的強度進行測量。