光钟的现状及未来发展
光钟的现状及未来发展
光钟，也被称为“光频原子钟”或“光频标”，是一种稳定度极高的原子钟。中国计量科学研究院时频所所长房芳所长向我们介绍道：原子钟是一种利用原子量子特性产生高度稳定且准确频率信号的仪器。通过量子力学揭示，原子由原子核和电子组成，电子在特定轨道上运动，其能量不连续。原子在吸收或释放固定频率信号时，会发生能级跃迁，这种频率信号非常稳定，不随时间变化，为原子钟的研制提供了基础。
原子钟主要分为微波钟和光钟两大类，频率越高，每秒的振动次数越多，时间测量越精确。光钟的频率远高于微波钟，因此理论上光钟的准确度和稳定度可以比微波钟提高数个数量级。光钟以其极高的准确度和稳定度，为科学研究、导航定位、通信技术等领域提供了重要的时间基准。
如何制作高准确度的光钟？首先通过激光冷却技术，将原子速度从室温降低到接近绝对零度，以减少多普勒效应等干扰，从而实现对原子跃迁频率的精密测量。为了消除外场干扰，需要将原子置于电磁屏蔽的空间中，并消除所有光场。还需要对测量到的频率进行评定，以消除各种物理效应的影响，如原子碰撞和黑体辐射等。
根据参考量子体系不同，光钟可分为中性原子光钟和离子光钟。中性原子光钟利用光势阱囚禁原子，而离子光钟则利用射频场囚禁离子。目前美国的NIST在光钟研究方面取得了显著的成果，而其他国家的科研机构也在积极开展相关研究。
房芳所长详细的讲解了光钟的制作过程，首先，需要一个稳定的激光作为光钟的本振源。通过将激光器的频率锁定在一个热膨胀系数极小、对震动不敏感的法珀腔上，实现激光频率的稳定。然后，需要将激光频率进一步锁定在原子系综上，以同时实现短期和长期的稳定度。激光照射在离子或原子上，通过跃迁几率的误差信号，将激光器的频率锁定，得到稳定且准确的光频信号。最后，需要对各种物理效应引起的光频进行修正，包括黑体辐射、光晶格影响、原子碰撞等，以确保光钟的准确度。以中国计量院做的锶原子光晶格钟为例，其不确定度达到了极高的水平，显示出光钟极高的准确性。
光钟技术的应用前景及突出成果
光钟产生的稳定且准确的激光信号需要转化为微波信号，以便用于产生时间信号。这一转换过程通过光梳实现，光梳的梳齿频率间隔固定，锁定一个梳齿后，所有梳齿频率均固定。通过探测器测量梳齿间的拍频，可得到微波信号，输入秒脉冲发生器后可得到常用的时间信号。全球80多家守时实验室500多台守时钟的钟信号，通过卫星比对将数据汇总至国际计量局，经加权平均后得到自由原子时。由于守时钟的准确度有限，需要准确度更高的基准钟（如铯喷泉基准钟）进行驾驭，以产生国际原子时。国际原子时再结合天文观测数据进行修正，并加入闰秒，最终得到我们使用的协调世界时。房芳所长指出，光钟的激光频率虽然稳定度极高，但秒的定义目前仍基于微波频率（铯原子的基态能级跃迁频率）。尽管光钟的稳定度远超现有微波钟，但由于定义上的限制，光钟只能作为次级基准驾驭时间。
在为何需要高精度的时间测量方面，卫星导航是时间应用的最大领域。全球有四大卫星导航系统，包括GPS、伽利略、GLONASS和北斗。导航的基本原理是通过接收导航卫星发射的时间信号，利用4颗卫星到达同一点的时间差和卫星的位置来某点的位置。由于导航精度与时间的准确性密切相关，差一秒的时间会导致定位误差达30万公里。因此，为达到一米级的定位精度，所有导航卫星上的时间同步需达到3纳秒。随着从微波钟到光钟的技术进步，定位精度有望从米级提升至厘米级，这需要原子钟的性能指标不断提升。
光钟在时间测量和科学研究中的应用及其未来发展方面，已经开始参与驾驭国际原子时，与铯喷泉钟一同提升时间的准确度。随着光钟的广泛使用，时间的准确度有望进一步提升。由于光钟技术的快速发展，为更好地利用光钟，需要将秒定义从微波频率改为光频。目前国际计量局和国际时间频率计量委员会正在讨论这一议题。
光钟技术面临的问题与解决措施
光钟能够精确测量引力势的变化，因此在大地测量中起到重要作用。作为一个精密的测量工具，光钟也可用于验证前沿物理理论。但目前仍面临一些技术难点和挑战，其中激光器的性能是关键因素之一。光钟中使用的激光器主要依赖进口，其稳定度、可靠性和线宽等指标仍有提升空间。此外，光钟还需要精密的控制技术，包括温度、磁场的精确测量和控制，以及隔震、隔声和温控等技术的支持。
房芳所长提到，中国有多家研究机构致力于光钟的研发，并希望在国际秒定义修改的讨论中发出中国的声音，为修改秒定义做出中国的贡献。这显示了中国在光钟技术领域的积极投入和追求国际影响力的决心。