光学频率标准与光钟的实现

　　1引言

　　当代最精密和最准确的计量是时间(频率)的计量，表征时间基准的重要指标是它的准确度与稳定度。人们发现微观量子态的跃迁具有稳定不变的周期，可以用于时间标准并使其准确度与稳定度大大提高。1938年，Rabi等首先证实了原子共振能够产生稳定的钟跃迁^[1]。1949年Ramsey发明了分离振荡场技术，从而导致了1955年世界上第一台铯原子钟的诞生。随着艳原子钟的发展与成熟，1967年国际计量大会决定采用原子秒，定义为“秒是铯133原子(¹³³Cs)基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间”圈。该标准一直持续至今，实现了国际时间单位秒的标准化。德国的PTB、加拿大的NRC的铯束原子钟的准确度达到2~8x10^-14数量级。美国NIST的光抽运铯束原子钟的准确度达到1x10^-14。

　　用于量子频标的理想粒子，应该是完全孤立、不受外界干扰的、在自由空间静止的粒子。但由于原子热运动及相互间的作用引起的谱线增宽，使原子频标准确度与稳定度的提高受到了限制。随着激光冷却与粒子捕陷技术的发展，1995年法国计量局LPTF首次实现了“激光冷却一艳原子喷泉”的艳钟，使原子钟的工作原理发生了革命性的变化，准确度提高到1~2x10^-15。2001年，美国的NlsT，德国的PTB先后研制成功艳冷原子喷泉钟。英国、意大利、俄罗斯、日本、加拿大、中国等也正在研究基于激光冷却的原子喷泉原子钟。原子喷泉频标的准确度有望达到10^-16数量级。

　　自从激光问世以来，光学频率标准一直是人们的研究重点，但由于光的频率太高，无法用现有设备直接计数，使光钟的发展受到了限制。随着基于锁模飞秒脉冲激光的光学频率梳的发现，使光钟的实现成为可能。2001年，美国NIST实现了基于单个激光冷却与囚禁¹⁹⁹Hg+的光钟，稳定度达到了7x10^-15[3,4]，并有望达到10^-18数量级。

　　光学频率标准与微波频率标准相比具有以下优点:1)光学频率比微波频率高10 ⁵量级，可以把时间分割得更加精细;2)由于光学频率标准是基于单个囚禁离子的频标，因此不存在离子间相互作用引起的频移与增宽效应，可获得更窄的谱线和稳定度;3)跃迁频率越高，谱线的Q值越高，有利于提高频标的稳定度与准确性;4)应用光学频率标准可以统一时间(频率)、长度的计量标准;5)光学频率标准可以直接测量谱线的频率、宽度和位移等，这对研究原子、分子的能级结构，深人了解辐射场和物质相互作用的细节等都具有重要意义。

　　由于时频计量的不断发展，建立在基本物理常数如真空中的光速C、普朗克常数h、基本电荷e和时间、基础上的全新单位体系有望成为现实。