量子频率标准

利用原子内部稳定能级的量子跃迁频率做成的信号源

量子频率标准（quantum frequency standard）是指利用原子内部稳定能级的量子跃迁频率做成的信号源。频率和时间的计量标准器具。原子钟是指那些能连续运转，对原子内部的跃迁频率信号进行周期积累计数，从而能给出秒、分、小时等时刻信号的原子频标。

发展简况

量子频标起源于波谱学研究。20世纪40年代，在气体波谱学研究中人们发现某些物质的波谱谱线不仅频率稳定，而且宽度很窄，可用以鉴别信号源频率的微小变动。1948年，美国国家标准局开始以氨分子的反演吸收线（v0=23870兆赫）来控制无线电振荡频率的分子频率标准。1954年发明氨分子微波激射器，其振荡信号具有极高的频谱纯度和频率稳定性，很快被用作频率标准（见量子电子学）。1955年，英国国家物理研究所用铯原子基态超精细跃迁谱线来自动锁定石英晶体振荡器的铯原子频标出现。1960年激光问世以后，用单色性激光信号作光频频率标准有了可能。在高性能稳频激光器和光频测量研究的基础上，人们正在研究新的光频标准。

工作原理

量子频标按作用原理可分为被激型和自激型两种。

被激型频标

被激型量子频标的工作原理由量子跃迁检测装置、受控频率信号发生器（一般为石英晶体振荡器）、频率变换装置和电子自动控制装置组成。信号发生器产生标准频率输出信号，同时通过频率变换装置提供合适频率的电磁振荡，以激励原子系统的量子跃迁。跃迁信号与激励频率的关系呈以中心频率为ν0的共振光谱线形状。正常情况下标准频率产生的激励信号频率正好落在中心频率上。当信号发生器频率发生变化时，激励信号频率偏离中心频率，检测装置根据检测到的跃迁信号来判别激励频率偏离中心的方向与大小，给出误差信号，通过自动控制装置使信号频率纠正到正确位置，保证输出频率不变。铯原子束和铷气室频标都是这样工作的。

自激型频标

自激型频标依靠微波受激发射放大产生频谱极窄的受激辐射信号。量子跃迁检测装置接收这种信号，并与受控信号发生器产生的经频率变换而得的激励信号进行相位比较，得到误差信号，用以调整输出频率，使之保持不变。氢激射器属于这一类。

激光问世以后，已经出现了利用某些物质的可见光波段的吸收谱线来稳定激光频率的方法，为可见光波段的频率标准显示了前景。

性能指标

量子频标的主要性能指标是频率准确度和稳定度。①频率准确度指频标输出频率与标称频率的接近程度，用相对频率偏差δν/ν0表示。频率偏差来源于原子能级受外界干扰引起的轻微移动，以及控制过程的误差。频率基准的准确度由对各种干扰因素引起的频移值的理论评价而独立得到，次一级频标的准确度可与上一级频标比对校准而得。频率基准都用实验室铯原子频标，铯原子喷泉频标具有最高的准确度，达到1×10－15。②频率稳定度指一定取样时间内平均频率随时间的相对变化。以取样时间长短划分短期稳定度和长期稳定度，取样时间长短划分没有绝对界限。频标的短期频率稳定度主要受频标内部噪声限制，可用相位噪声谱密度来表示，但通常用频率变化的方差来描述；长期稳定度则主要决定于环境因素的变化和频标物理参量的衰变。③其他次要指标有频率漂移率、复现性、频率温度系数等。

应用

量子频标作为精密、准确的频率和时间测量标准，应用十分广泛，主要有：①是时间频率量的计量工具，原子钟是守时设备的核心。连续运转的量子频标（原子钟）已作为主要的守时工具，与天文守时手段互相补充。量子频标的时间频率计量具有最高的准确度与精密度，因此有尽可能把其他物理量转换为时间频率量来进行测量的趋势，如长度单位“米”、电压单位“伏”和电阻单位“欧姆”都通过频率来确定，根据光速的确定数值以统一长度和时间的计量基准已经实现，因此量子频标在计量中具有基础性的地位。②量子频标对天文观察、大地测量、精密测定基本物理常数和原子、分子的能级结构，探讨物理常数是否随时间变化，检验相对论和量子电动力学等物理理论具有重要意义。③量子频标对导航、通信、电视、火箭制导、卫星跟踪、电网调节、精密仪器校准、交通管制等现代技术都发挥着重要作用。统一、自主的时间频率体系是保障社会生产正常运行和国防安全的命脉。

研究进展

为了实现高水平的量子频标，需要进行物理、技术的整体研究，主要有：①选择特殊的原子及其能态要求它们稳定而不易受干扰，易于制备和检测。射频频标使用的原子（分子）基态，可利用不同能态原子所带有的不同磁（电）矩，在不均匀磁（电）场中运动轨迹的不同而选择得到，或利用合适频率和偏振的光使某些原子能级发生选择激发，然后把原子集中到特定基态；光频标常使用原子亚稳能级，一般用光抽运方法制备原子态。检测跃迁原子的方法与选态方法相似，也可利用不均匀磁/电场或光的选择激发检测特定原子态，再用电离或荧光等方法检测原子。②频标的准确度与稳定度性能的研究，如各种能级位移和跃迁频率移动的物理机制，确定频移与其产生的物理因素之间的数量关系，探索缩小和消除频移的方法。采用原子束、激光冷却与囚禁原子、离子储存等方法可缩小频移。③频标的频率稳定度随共振谱线宽度的缩小而提高，以方差平方根表示的稳定度：

σγ(τ)=KΔv/(S/N)v0τ1/2，式中K是常数，与具体频标装置有关，S/N是谱线的信噪比，依赖于原子选态和检测方法。在一些频标中，延长原子与辐射场相互作用的时间对压缩谱线宽度十分有效。一种方法是利用相干辐射场多次与原子相互作用来完成一次能级跃迁（N.拉姆齐分离场技术），这过程中的量子干涉效应可以在单个共振谱线上出现多个干涉峰，从而大大压缩线宽。④量子频标必须把原子产生的标准信号频率，保持稳定和准确地转换到与待测频率相接近的频率，以进行精密和准确的测量。射频波段的电磁波频率变换已成为常规技术，但仍有许多研究和改进的余地。光频段的频率变换，发明了基于飞秒锁模激光器的光频梳状发生器，其频率间隔可严格锁定在射频信号上，完成了光频和射频的链接。这是电磁波频率变换上的革命，由此实现了光频标（光钟）。

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