電子/科研

硬件：HMI+NI USB-6229+激光器

軟件：LabVIEW

時間頻率是國際單位制七個基本量中準確度最高，意義最重大的基準量之一。世界各國一直在持續不斷進行高準確度的國家時間頻率基準研究。目前中國計量科學研究院（NIM）在科技部基礎性專項的支持下，正在進行我國新一代具有國際先進水平的時間頻率基準裝置—激光冷卻銫原子噴泉鐘（10-15量級）的研制，并已取得了重大進展。

銫原子鐘是一種精密的計時器具。日常生活中使用的時間準到1分鐘也就夠了。但在近代的社會生產、科學研究和國防建設等部門，對時間的要求就高得多。它們要求時間要準到千分之一秒，甚至百萬分之一秒。為了適應這些高精度的要求，人們制造出了一系列精密的計時器具，銫鐘就是其中的一種。銫鐘又叫“銫原子鐘”。它利用銫原子內部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波作為標準，去控制校準電子振蕩器，進而控制鐘的走動。

這種鐘的穩定程度很高，目前，最好的銫原子鐘達到500萬年才相差 1 秒。現在國際上， 普遍采用銫原子鐘的躍遷頻率作為時間頻率的標準，廣泛使用在天文、大地測量和國防建設等各個領域中。

每一個原子都有自己的特征振動頻率。人們最熟悉的振動頻率現象就是當食鹽被噴灑到火焰上時食鹽中的元素鈉所發出的黃色的光。一個原子具有多種振動頻率，一些位于無線電波波段，一些位于可見光波段，而另一些則處在兩者之間。銫133則被普遍地選用作原子鐘。

將銫原子共振子置于原子鐘內，需要測量其中一種的躍遷頻率。通常是采用鎖定晶體振蕩器到銫原子的主要微波諧振來實現。這一信號處于無線電的微波頻譜范圍內，并恰巧與廣播衛星的發射頻率相似，因此工程師們對制造這一頻譜的儀器十分在行。

為了制造原子鐘，銫原子會被加熱至汽化，并通過一個真空管。在這一過程中，首先銫原子氣要通過一個用來選擇合適的能量狀態原子的磁場，然后通過一個強烈的微波場。微波能量的頻率在一個很窄的頻率范圍內震蕩，以使得在每一個循環中一些頻率點可以達到9,192,631,770Hz。精確的晶體振蕩器所產生的微波的頻率范圍已經接近于這一精確頻率。當一個銫原子接收到正確頻率的微波能量時，能量狀態將會發生相應改變。

在更遠的真空管的盡頭，另一個磁場將那些由于微波場在正確的頻率上而已經改變能量狀態的銫原子分離出來。在真空管盡頭的探測器將打擊在其上的銫原子呈比例的顯示出，并在處在正確頻率的微波場處呈現峰值。這一峰值被用來對產生的晶體振蕩器作微小的修正，并使得微波場正好處在正確的頻率。這一鎖定的頻率被9,192,631,770除，得到常見的現實世界需要的每秒一個脈沖。

銫原子鐘又被人們形象的稱作“噴泉鐘”，因為銫原子鐘的工作過程是銫原子象噴泉一樣的“升降”。這一運動使得頻率的計算更加精確。銫原子鐘工作的整個過程可以分割為四個階段：

第一階段，由銫原子組成的氣體，被引入到時鐘的真空室中，用6束相互垂直的紅外線激光（黃線）照射銫原子氣，使之相互靠近而呈球狀，同時激光減慢了原子的運動速度并將其冷卻到接近絕對零度。

第二階段，兩束垂直的激光輕輕地將這個銫原子氣球向上舉起，形成“噴泉”式的運動，然后關閉所有的激光器。這個很小的推力將使銫原子氣球向上舉起約1m高，穿過一個充滿微波的微波腔，這時銫原子從微波中吸收了足夠能量。

第三階段，在地心引力的作用下，銫原子氣球開始向下落，再次穿過微波腔，并將所吸收的能量全部釋放出來。

第四階段，在微波腔的出口處，另一束激光射向銫原子氣，探測器將對輻射出的熒光的強度進行測量。