原子钟基本原理与时频测量技术

原子钟基本原理 与时频测量技术 翟造成张为群蔡勇杨佩红编 上海科学技术文献出版社 本书从时频应用的实际出发 ，较系统扼要地介绍了各炎原子钟，包括冷原 子钟和光钟工作原评 ，以及常用时间和频車测M技术 ， 对原子钟的某些应用方 面也怍了简单介绍全书共分 9 章 ：引论 ；原子频标的物砰荜础 ；获得窄谱线 的技术与方法 ；原子频标的基本工作原理 ：传统原子频标 ：新型原子频标 ；星 时频测量技术与方法 ；时频高端应用举例等全书矜屯阐述 钱和空间原子钟； 原子时频的基本槪念，行文力求简单易懶 ，并列有大最图表 ，以供参详 本书可供原子时频应用有关学科 ， 如天体测M 、导航定位 、时频计屋等领 域的工程技术人员 ，以及从奉原子频标研究方面的工作人员 和高等院校有关专 业的学生阅读参考 图书在版编目（ C I P ) 数据 原子钟基本原理与时频测量技术/翟造成等编.一上 海：上海科学技术文献出版社， 2009.2 -- - - ISBN 978 7 5439 3610 2 !.翟 •••IE .原子钟 I.原 ••• ！ IV.TH 714 .1 中国版本图书馆CIP数据核字(2008)第207582号 原子钟基本原理与时频测董技术 租 造 成 张 为 群 蔡 勇 杨 佩 红 编 上海科学技术文献出版社出版发行 (上海市长乐路746号 邮 政 编 码200040) 全 国 新 华 书 店 经 销 江苏常熟市人民印刷厂印刷 本 开本787X1092 1/16 2009年2月第1版 印张10.5 字 数2 0 5 000 2009年2月第1次印刷 - -. - - ISBN 978 7 5439 3610 2 定价： 26.80元 http://www sstlp.com 原子钟基本原理 与时频测量技术 翟造成张为群蔡勇杨佩红编 上海科学技术文献出版社 对任何事物的描述和研究都离不开空间和时 人们生活在空间与时间中 ， 大至 人类认识世界的能力大为扩展。从空间上 ， 间 。 当今科学技术日新月异 ， 短暂至某些基本 久远至天体之起源 ， 小至基本粒子精微； 从时间上 ， 宇宙广袤 ， 也是快慢悬殊。 这里 而把空间与时间联系起来的物体运动速度 ， 粒子的寿命； 久暂与快慢的跨度大概可以达到 40 个数量级（104G )左右。要把数量 其大小 、 总要选取一个合适的单位和标准。现在科学家 这么悬殊的现象描述记录下来， 而其标准则依赖 确定分别以“米( m )” 和“秒（s)”作为空间和时间的通用单位 ， 于时间单位秒的定义 ：1 秒是无干扰的铯原子基态两个超精细能级间的跃迁辐 射的 9 192 631 770 个周期所持续的时间 。 这个定义值依靠铯原子钟来实现。 为什么空间长度单位“米”还要依赖时间单位“秒” ？ 因为铯原子频率基准是当 今所有计量标准中准确度最高的 ， 以秒为单位的时间和光速的定义值相结合来 测量长度比用任何实物“米”标准所给出的测量准确度都要高 。长度 s = d ，这 里， 而光速的定义值为 c = 299 792 458 m/s。这 纟是光走过长度 s 所需的时间 ， 样， 长度测量就归结为时间测量 。从这里我们就可以看到用来测量时间的原子 钟在现代生活中的重要意义了 。 上面这些知识就是从本书中得到的 。 如今， 由于时间频率量是在所有物理量中可以测得最精密和最准确的 ， 在 计量学上有一种把所有物理量通过一定的物理关系都转化为时间频率量来进 行测量的趋势 。 因此 ， 从精密的科学测量 ， 时间频率测量的应用非常广泛 ， 诸如 确定物理常数和原子分子结构 、验证物理理论 、进行天文观测 、大地测量 ， 直到 •2 ， 原子钟基本原理与时频测量技术 工程技术 ， 如数字通信 、 信息网絡 、导航定位 、宇宙飞行 、火箭导弹制导 、卫星发 各种不同性能 射 、地质勘探 、电网调节 、交通管制 、精密仪器制造等领域。这里 ， 了解各种原子钟的基本工作原理和大致 和用途的原子钟成为重要工具。因此 ， 了解标准时频信号的传递 、比对和时频测量技术都是十分必要的。 有关 构造 ， 或散见于不同的书刊里 。 不 国内曾经出版过一些专门著作 ， 这些方面的知识 ， 可说 时间频率测量及其标准的发展十分迅速 ， 尤其是在新旧世纪交接前后 ， 过， 是发生了革命性的进步 。这主要是因为激光冷却和陷俘原子物理与技术的开 拓， 和以飞秒光梳为代表的光频精密测量和变换技术的发明 ， 这使得时间频率 一本比较新的 、能 测量手段和技术也是日新月异。这样一些著作就显得老化 ， 反映时代进步的有关原子钟和时间频率测量的读本是有广泛需求的 。 中国科学院上海天文台对中国时间频率领域的发展做出过显著的贡献 。 长期以来 ， 上海天文台是中国标准时间频率的发播中心 ， 在天文时的测量和研 究上是中国时间频率工作的先驱 。 直到 20 世纪 70 年代后期 ， 发播标准时间的 任务才转给中国科学院陕西天文台（现在的中国科学院国家授时中心 ）。但此 后， 他们在时间频率工作上 ， 尤其是氢原子钟的研制和开发上做了大量工作 ， 现 在是国内唯一能进行几种氪钟小批生产的单位， 为开拓我国独立自主的时间频 率测量系统发挥了重要作用。 现在以翟造成研究员为首的团队又编写了这样一本关于原子钟和时间 频率测量的读本 ， 对于从事这个领域的实际工作者是很有参考价值的 。这本 书的一个特点是收集材料比较新 ， 到目前为止原子钟发展的主要状况和大体 读者可以从中明了原子钟发 工作原理都涉及了 。 其次是历史线索比较清晰 ， 本书对时间频率测量技术 ， 特别是高端应用也做出了大概 展的轨迹。第三 ， 的介绍 。 我想， 上述几方面对我国从事时间频率工作的读者是很有帮助的 。 王义遒 2008 年 8 月 2 曰 编者的话 自 1948 年问世 专业的语言称原子时间频率标准（简称原子频标）， 原子钟 ， 后， 半个多世纪来原子钟的研究有了长足的发展 。传统原子钟早已形成产业进 随着激光冷却和陷俘原子 并获得广泛的应用 。 最近一二十年来 ， 入商业生产 ， 又催生了冷原子钟和光钟的诞生 ， 更使准确度由 10 一14 ， 的技术的发明和发展， 10 — 15 — - 举跃入 10 16 10- 17 ，甚至 10-18 ， ， 对科学和技术的发展产生了重要影 应用领域 ， 随着国产原子钟逐步走向实用 ， 特别是与之并行发展的 响 。在我国 ， 对高精度 如卫星导航 、深空跟踪等进入快速发展期 ， 高端技术 ， 这些高端用户 ， 原子钟提出更高的需求， 并面临对各种原子钟的比较与选择。应用领域的工程 希望了解不同原子钟的基本工作原理 ， 技术人员 ， 以及时频应用中实用的测量 技术与方法 。本书就是为了满足这种需求所进行的一种尝试。 它是由作者多 年来为天文技术领域的研究生和技术人员开设《 原子频标原理与时频测量技 术 》课程的教材整理而来 。本书从实用出发 ， 简单地 ， 但较系统 、全面地介绍了 目前正在研究和生产的各种原子钟（包括新兴冷的原子钟 原子钟的物理基础 ， 和光钟）的基本工作原理以及它们的特点与性能比较 。本书的读者对象以应用 领域的工程技术人员为主 。 在编写中避开了复杂难懂的数学推导和理论计算 ( 其实也是作者的能力所限） 同时对时频应用中的常用时频测量技术也作了较 ， 全面的介绍 。本书更像一本时频“手册”， 有一定的实用性 。 但人们还是对它不够熟悉 ， 为 原子钟的发展尽管已有半个多世纪的历史 ， 了使读者容易理解 ， 采 我们在本书开头的原子频标的物理基础等几个章节中 ， 用了“ 科普 ”的语言与描绘 ， 甚至专业工作者读起来感到有点 可能不够“科学”， “陌生” ， 但考虑到兼顾广大读者 ， 这种折中或许也是必要的 。 -2 原子钟基本原理与时频测量技术 尽管我们在 不断有新物理原理和新技术涌现出来 ，