光钟的发展和应用（上）
以下文章来源于现代物理知识杂志 ，作者管桦等
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管桦 黄垚 高克林
中国科学院武汉物理与数学研究所
原子频标(原子频率标准的简称)是利用量子力学原理制成的高稳定度和高准确度的频率、时间信号产生系统( 成为一个装置时又称为原子钟)。通俗地说，原子钟就像一个计时器一样，记录着时间的流逝。而今天所说的光钟，作为原子钟的一员，顾名思义，就是利用光学频率作参考的原子钟。
古语云：一日不见，如隔三秋；当描述人很紧张或难过，常用“度日如年”来形容；当我们很兴奋时，总希望时间停留在这一刻；当我们后悔做某件事时，我们又希望时间能倒流，可以避免当初的错误。这都是我们主观的感觉，现实中时间是一分一秒均匀的流逝的。我们常以“一年之计在于春，一日之计在于晨”和“一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴”来勉励我们自己要勤奋和努力。由此可见，时间与我们每个人都息息相关，并无处不在。大尺度可追溯到138亿年前的宇宙大爆炸，中等尺度如我们常说的斗转星移，微观尺度如皮秒或者飞秒量级的化学反应和阿秒量级的电子的运动，我们无时无刻不与时间打交道。
时间的流逝需要用一把尺子来度量，就像我们去菜场买菜一样，需要规定多重为1斤。同样需要时间的计量标准，也就是我们通常所说的计时。
具有周期运动的现象能够表征时间。在古代，人类主要利用日月星辰的运行规律来计算四季更替。如地球的公转周期约为365天，月亮的圆缺周期约为30天，两者比值约为12，因此，人们选择12对一天进行细分，把一天分为子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二时辰，基于此规律，远古的人们发明了日晷。古巴比伦和中国分别在6000年前和3000年前开始使用日晷。但日晷的使用受到很多限制，譬如在晚上和阴天就不能使用，并随季节发生变化。
图1 中国计量院的日晷
早期的计时工具除了日晷之外，还有水钟和沙漏，原理都是利用特殊的容器记录水或者沙子漏完的时间，这些计时工具在晚上或阴天也可以正常工作，且不需要经过复杂的校准；水钟或沙漏可以放在室内，使用起来较为方便，同时可以利用日晷来校准，达到和日晷相当的精度。
图2 古代水钟
图3 沙 漏
13世纪，欧洲的修道院中，出现了以砝码带动的机械钟。到了16世纪，意大利著名的物理学家和天文学家伽利略根据比萨大教堂来回摆动的长明灯，发明了单摆。1657年，荷兰物理学家和天文学家惠更斯将重力摆引入机械钟，发明了摆钟，1周的误差大概是1分钟。
随着18世纪航海时代的来临，虽然指南针和简单的天体导航方法对纬度的测量已经达到了相当的水平，但在经度测量方面仍需要提高，从而对时钟的准确度也提出了更高的要求。1761年，英国钟表匠哈里森发明了弹簧平衡擒纵轮式的航海钟，精度比摆钟提高了两个量级，达到10-6的水平，相当于10天才差1秒。这是计时工具首次在导航中发挥重要作用。
1851年，美国哈佛大学天文台首次提供了授时服务，次年英国皇家天文台也开始了授时服务并独立设立了英国标准时间。这种公共的准确时间计量服务主要是为了服务于迅速发展的铁路系统，便于车辆调度和行驶。20世纪初，英国铁路工程师的肖特发明了准确度达到10-9水平的机械钟，为英国国家铁路系统的车辆调度和行驶提供了极大的便利和支持。
19世纪末，美国贝尔实验室的工程师莫里森利用石英晶体在外加特定频率电场驱动下发生谐振的特性，制成了世界上第一台石英钟，精度达到了10-8，标志着人类计时从机械时代跨入了电磁时代。到20世纪中叶，石英钟的精度已经达到小系数10-9。同时，石英钟有一个比较大的优势是石英晶体体积小，可以做成小的挂钟，也可以做成手表，便于携带，现在石英表还是非常流行的手表之一。
20世纪初，随着量子力学的发展，科学家们发现原子分立能级之间固定的跃迁频率比天体运动规律更加适合用来做时间频率标准。1945年，美国科学家拉比首次提出利用铯原子基态的超精细结构跃迁作为参考基准的原子钟方案。1949年，美国国家标准局(NBS)的里昂以氨分子23.8GHz的反演跃迁为参考，研制出世界上第一台原子钟。
1955年，拉比当年设想的铯原子钟在英国国家物理实验室(NPL)研制成功，其崭新的工作原理和巨大的潜在优势激起人们极大的兴趣和重视。由于铯原子钟研究的发展，1967年，第十三届国际计量大会决定将无干扰的铯-133 原子基态超精细结构跃迁周期的9,192,631,770 倍作为新的秒定义, 从此原子时正式进入了历史舞台。
随着激光冷却技术与拉姆齐分离场振荡技术的先后应用，以铯喷泉原子钟为代表的微波原子钟取得了飞跃式发展，其中NPL、NIST 和法国巴黎天文台等单位的铯喷泉钟精度已达到10-16水平。
图4 世界上第一台铯原子钟
人类对精度的要求是无止境的。汽车上装的导航系统的导航精度大约为10米。而定位精度很大程度取决于原子钟的精度，如果要更精确地定位，势必需要精度更高的原子钟 。应对日益复杂的交通运输、金融证券和邮电通信等国家命脉的需求，需要同步性越来越高的时间频率网络，对原子钟的精度也提出了越来越高的要求。同时，对自然规律的探索是人类永恒的主题，在物理学上有些奇妙的常数，如精细结构常数为1/137，它是否真的为一个常数，还是一个随时间变化的量，不同的理论给出不同的解释，这需在实验上给出验证，而高精度原子钟之间的比对是非常有前景的检验方案之一。因此，无论是科学上，还是在人们的生产生活中，都需要发展精度更高的原子钟。
原子钟的发展与科学和技术进步密切相关。原子钟发展过程中，微波钟起了重要的作用。
微波钟的原子参考跃迁处于微波波段(109~1010Hz)，而光波段(1014~1015Hz)比微波波段高4~5 个量级，科学家们很自然地想到是否可以采用原子的光学跃迁作参考，制成精度更高的原子钟。
光钟的概念由美国华盛顿大学的德默尔特在1975年提出。然而，要实现光钟，需要解决工作物质(原子或者离子)的长时间囚禁和冷却、超窄线宽钟跃迁探测光的实现以及光频测量等问题。
目前采用的原子光钟有两种原子体系：一是囚禁冷却的中性原子团，二是囚禁冷却的单离子。
图5 中性原子或单离子光钟结构图
离子阱可利用射频场将单个带电离子约束在超高真空中，使被研究的原子体系处于几乎孤立的不受“干扰”的环境，并且有很长的囚禁时间以便“观察”，是研究原子特性的理想手段，特别有利于原子钟的研究。
首先是离子囚禁方面，1936年，美国科学家彭宁在电子放电实验中，在轴向施加磁场以增加放电电子运动路径的长度，这是彭宁阱的雏形。1953年，德国物理学家保罗发明了无磁场的四极质量过滤器，从而引发了质谱领域的革命。几年后，基于射频电场的离子阱被发明并被命名为保罗阱。1959年，美国科学家德默尔特创建了世界上第一个采用磁场加电场囚禁带电粒子的离子阱，并将其命名为彭宁阱，离子阱的发明使得长时间囚禁单个带电粒子成为可能。德默尔特和保罗因为离子囚禁方面的贡献，与发明分离振荡场的拉姆齐共同获得了1989年诺贝尔物理学奖。
在离子冷却方面，较为传统的是缓冲气体冷却，离子冷却之后的温度取决于缓冲气体的温度，只能到室温左右。激光的发明使科学家们思考采用激光进行离子冷却的方案。1975年，德国科学家汉斯和肖洛以及美国科学家瓦恩兰和德默尔特分别提出了激光冷却离子的方案，并在1978年实现了Ba+和Mg+激光冷却。
离子光钟采用单个囚禁冷却离子作为工作物质，没有采用多离子的原因是离子之间会有库伦相互作用，运动效应会造成谱线增宽。但单离子的信噪比是比较突出的问题，因为光钟的稳定度与原子数有关，原子数越多，同样的取样时间内获得稳定度越高。
由于中性原子不带电，不能像离子一样采用射频场囚禁，需要利用磁光阱或者光晶格进行囚禁。如果采用光晶格囚禁原子，囚禁的原子不受相互碰撞及外界环境的干扰，同时由于原子在光晶格中移动的范围小于光波长，可以消除一阶多普勒频移；然而，光场会引起原子的交流斯塔克效应，如果使用“魔术”波长(即激光对原子光频跃迁的基态和激发态的交流斯塔克频移相等)来构成光晶格，这样原子钟跃迁频率保持不变。基于此，高精度的光晶格原子钟才成为可能。
原子钟跃迁探测光的超窄线宽和高的稳定度是冷原子光钟需要攻克的关键技术之一。一般选择的光频跃迁的自然线宽在Hz 量级，这样需要一个亚赫兹量级线宽的超稳激光源，品质因子(Q 值)要达到1015量级。
国际上广泛采用庞德德雷弗霍尔 (PDH)稳频方法得到线宽为亚赫兹量级的激光器，通过伺服系统将激光频率锁定到超高细度的光学谐振腔上来实现，该光学谐振腔由超低膨胀系数(ULE)材料制成并被放置于温度非常稳定、环境噪声极小的环境中。
图6 PDH稳频方法原理图
激光稳频需要一个精细度极高、同时稳定性很好的参考腔，目前采用超低膨胀系数的参考腔。这类腔主要由ULE材料制成。整个光学谐振腔被放置在一个真空室内，进行温度控制和振动隔离。
1999年，NIST用PDH方法锁定了激光器，并用几根长为3米的橡皮拉力带将整个真空室垂直吊起，首次将激光的线宽压缩到亚赫兹量级。
而美国天体物理联合实验室(JILA)将光学谐振腔垂直支撑，使腔的光轴方向垂直，并且把支撑点选择在通过腔体重心的水平面上，此时总的腔长对垂直方向的振动不敏感。由此也可将激光的线宽压缩到亚赫兹量级。
最新的进展是：JILA选用硅腔，实现了线宽达到几十mHz的稳频激光。
在光频测量方面，由于一般的电子设备都只能测量微波频率的信号，因此需要把光频率转化成微波频率甚至更低的频率才能读出光波频率，科学家们提出了频率链的方案将光学频率一步步向微波频率进行传递，将待测的激光频率经过差频、和频及拍频等手段逐步与微波频率联系起来，由于传统的光频测量采用很多激光器的拍频与和频产生，非常复杂、体积庞大，同时只能测一个光学频率，使用起来非常麻烦，还需要庞大的经费支持，世界上仅有少数几个实验室有这样的条件。
随着20世纪90年代钛宝石激光器的克尔棱镜锁模技术以及超短脉冲钛宝石飞秒激光技术的发展，飞秒光学频率梳(简称飞秒光梳)得以诞生，飞秒光梳就像一把梳齿均匀的梳子一样，每根梳齿代表一个光学频率。1999年德国马普研究所的汉斯利用自锁模的飞秒激光器研制出飞秒光梳。同年，JILA的霍尔(J.Hall)等人研制出了自溯源的飞秒光梳装置。飞秒光梳的诞生使得从可见光频率直接向微波频率的传递得以实现，可以取代原来的光频链用于光钟中钟跃迁频率的测量，并且可以产生波长范围很宽的激光，从而实现多种光学频率的测量。由于在精密激光光谱和飞秒光梳领域的突出贡献，霍尔和汉斯获得了2005年的诺贝尔物理学奖。
目前，离子光钟的候选离子有Ca+ 、Sr+ 、Ba+ 、Yb+ 、Hg+ 、In+ 和Al+ 等。不难看出候选离子分为两类：一类以Ca+ 、Sr+ 、Ba+、Yb+ 、Hg+ 为代表，其核外都只有一个价电子，均为类氢离子，能级结构比较简单。而另一类是In+和Al+,为什么选他们呢？对于In+和Al+，由于光频跃迁51S0-53P0的基态和激发态的电子的总角动量都等于0，因此其交流斯塔克频移和相对论时间膨胀频移非常小。可望成为高性能的光钟。同时提醒大家注意的是171Yb+的6s2F7/2的自然寿命约为3700天，因此，电八极钟跃迁6s2S1/2(F=0)-6s2F7/2(F=3)的谱线的Q值达1024，是目前已知的所有光钟参考谱线中最高的。
2000年，NIST的科学家瓦恩兰小组实现了第一台光钟-Hg+光钟。
图7 NIST的汞离子光钟
在中性原子光钟领域，国际上开展了Ca、Yb、Sr、Mg和Hg等原子光钟的实验研究。
目前，光钟不确定度指标和稳定度指标均进入了10-19量级。其中不确定度指标最高达到了9.5×10-19(Al+)，相当于330亿年不差一秒，时间尺度比宇宙的年龄还要长。美国JILA的叶军小组的Sr光钟和NIST 的奥兹小组的Yb光钟的稳定度指标分别达到了6×10-19和3.2×10-19。（未完待续）