铯原子钟知识.docx

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铯原子钟
所有时钟的构造都包括两大部分：能够按照固定周期走动的装置，如钟摆；还有一些计算、累加和侦测器。所以，当原子侦测器所测得的讯号最大时，表示微波共振腔里的微波，已
经调整到可以使基态铯原子跃迁的频率，也就是9,192,631,770Hz。
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喷泉式铯原子钟
公元1993年到1999年美国NIST是利用铯原子束原子钟作为时间量测的标准，但从公元2000年开始，NIST改为采用X雷射冷却技术的喷泉式铯原子钟。喷泉式铯原子钟是以雷射致冷之铯原子团为基础，将冷原子向上发射形成喷泉状而得名。其工作过程是将铯原子像喷泉一样的“升降”。这一运动使得频率的计算更加精确。在冷原子团的运动路径上放置微波共振腔，目的在取出铯原子与微波共振讯号作为锁频之用。在喷泉式铯原子钟中，低温造成铯原子的运动速度极慢，而与微波的作用时间拉长，故讯号的分辨率比传统的铯原子钟好100倍以上。右图为喷泉式铯原子钟工作过程的示意图。这个过程主要可分为四个阶段：
（1）6束近红外线雷射光（图中黄线）以适当的角度打向铯原子，把这些铯原子的热运动减慢并将铯原子聚集成球状，此时铯原子团的温度会下降到接近绝对零度。
（2）铯原子被冷却后，两束垂直的激光将铯原子向上举起，形成“喷泉”式的运动，然后关闭所有的激光器。这个很小的推力将使铯原子向上举起约1公尺高，穿过微波共振腔，这时铯原子吸收了微波的部分能量。
（3）此时将雷射光关掉，原子受到重力的作用，会向下再度通过微波共振腔，并将所吸收的能量全部释放出来。
（4）如果微波共振腔内的微波频率，正好可以使基态铯原子得以在两个超精细能阶之间跃迁时，则当铯原子一上一下通过微波共振腔时，有些铯原子会因跃迁而改变原子的能量态。最后再把雷射光打到这些处于受激态的铯原子，以激发这些铯原子放出光子而回到基态能阶。调整微波共振腔内的微波频率，使铯原子侦测器量测的讯号达最大值，此时的微波能量即为铯原子能阶差。
上述过程在多次重复进行后，将每一次微波共振腔中的共振频率取平均值，而得到一个确定频率的微波，使大部分铯原子的能量状态发生相应改变。这个频率就是铯原子的天然共振频率，或确定秒长的频率。当在微波共振腔中发生能态改变的铯原子与激光束再次发生作用时会放出光能。
同时，一个探测器（右）对这一荧光柱进行测量。整个过程多次重复，直到达到出现最大数目的铯原子荧光柱。探测器将打击在其上的铯原子呈比例的显示出，处在正确频率的微波场呈现峰值。这一峰值被用来对产生的晶体振荡器作微小的修正，并使得微波场正好处在正确的铯原子天然共振频率。这个共振频率再被9,192,631,770除，就得到目前所定义的1秒脉冲。
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全光学原子钟
美国Science期刊于2001年7月12日的一项研究报告指出，美国科学家已经将先进的雷射光技术和单一的汞原子相结合而研制出世界上最精确的时钟。科罗拉多州科学家利用机械式变速齿轮组的原理，量测出更准确的时间（距）。美国国家标准局在60年代即利用原子振动周期，即原子钟来定义一秒。现在是将铯原子