铷原子钟工作原理

频率源的评估体系。

频率源就是持续输出特定频率的设备。在说明频率源的特性之前，首先要解释下频率源的三围：准确度、稳定性、漂移率。

如下图所示：

显然的，频率源必须输出一定大小的频率时方有意义，准确度是指频率源输出的频率偏差标称频率的大小，由于噪声的关系，在有限时间内只能评估出准确性小于特定水平的准确度；

在古典物理学当中，任何信号均有其特定噪声，稳定性是评估频率源输出的频率噪声水平的关键指标，当频率源输出的频率抖动峰峰值小时，其稳定性就好，反之稳定性则差。稳定性只关注频率抖动的最大值-最小值，与准确度没有关系。但是准确性的评价与稳定性有强烈关系，如下图所示，频率抖动的峰峰值为4E-11，采样时间为1s的稳定性为4.93E-12，采样时间为10s的稳定性为1.53E-12，准确度为6.315294E-12，如果在10秒内获取精确地、重复性地6.3E-12的准确性，也就是准确性精确处于6.3E-12～6.4E-12的准确性（准确性精度1E-13）是不现实的，原因是信号的稳定性早已超出准确性精度，导致本次测量和下次测量的结果不一致，测试失败，针对此类频率源，如果测试时间只有10s，那么必须降低准确性精度至2E-12，即准确性精确处于5E-12~7E-12可以测量。

那么漂移率即代表频率源输出频率准确度单向变化的特性。对于某些频率源，诸如TCXO、VCO，其频率准确度会出现往返式变化，因此对于漂移率的评估时间会变得非常长。

各种频率源

只要是能够反复、持续输出信号的工具、设备等以及其他种类的具象的东西均是频率源，比如：地球上观测日出、日落，机械摆、石英钟、甚至恒温晶振、铷原子钟、铯原子钟、氢原子钟、汞离子钟、镱离子钟等都是频率源。

频率源具有如下特性：其发生的次数在一定程度上可预计。比如太阳每天都会升起，这里每天就是对日出次数的预计。

频率源的生成方式可以是机械式的，比如天体物理的日出、月相，我们基于此建立了天、月的概念；也可以是化学式的，比如一柱香，可以建立小于1天的时间概念；也可以是压电效应的，比如石英钟，可以建立小时、分、秒的概念；也可以是基于量子效应的，比如铷、氢、铯原子钟，依赖此类设备能够区分的时间早已达到ns、ps级。

在时间频率行业，机械式的、化学式的频率源早已被淘汰，压电效应的频率源目前还在广泛应用，但已经和基于量子效应的原子钟高度融合，在本文中，将重点讨论基于量子效应的原子钟。

原子钟的物理基础

原子钟是利用原子的外层电子的能级跃迁制作而成。汤姆逊于1898年提出了枣糕模型，呵呵，虽然所提出的模型与量子模型有较大差异，但偏于理解。

枣糕模型的主要特性是原子核外，存在一定数量的电子均匀镶嵌，就像枣糕一样。

随着物理学的进一步发展，科学家发现，原子核外的电子并非镶嵌在原子核外，而是围绕原子核在做环绕运动，基于核外电子运动的轨迹的偏心率，因此核外电子轨道角动量被发现，随着物理学的进一步发展，科学家发现，核外电子不仅具有轨道角动量，同时还具有自旋特性，因此自旋角动量被发现，并且随着量子力学的发展，进一步发现核外电子的能量并非连续的，而是一份一份的，原因是，按照经典理论，核外电子在围绕原子核旋转时，会不停的向外辐射能量，导致电子会坍缩至原子核内，因此核外电子的轨道是量子化的，量子数为n，n=1代表基态，n>2为激发态，由于外层电子轨道角动量与自旋角动量的耦合，基态劈裂成两个精细能级F=1、F=3，下图中所示为氢原子钟的能级谱线。

基本物理概念已解释清楚，现在切入正题了。

由于核外电子大于1时，核外电子的能级将变得复杂，不利于能级的选择，因此一般情况下，能够制作原子钟的元素基本上是碱金属（氢元素严格意义上具备和碱金属一样的化学特性，因此等同于碱金属）或者金属离子，原因是碱金属或者金属离子的外层电子数为1，能级简单，使用便利的方法即可完成筛选。氢、锂、钠、铷、铯、钫

另外，制作原子钟的元素必须要在室温下便于气化，或者本身是气体形态。氢气本身为气体，锂金属的熔点为180.5℃，钠金属的熔点为97.7℃，铷金属的熔点为38.9℃，铯金属的熔点为28.5℃，钫金属的熔点为27.0℃。

同时，制作原子钟的元素应该具有较长的半衰期，半衰期较长的元素一般是元素序数比较小的元素，钫金属的半衰期仅有21分钟，铯金属的半衰期为30年。

基于上述三个主要因素，制作原子钟的元素基本上为氢、铷、铯，这也是世界上主流的三种原子钟。

氢原子钟、铯原子钟、铷原子钟的底层物理原理比较类似，在后文中，以铷原子钟为例作为重点介绍。

铷原子钟

铷原子钟是利用铷原子最外层电子的原子能级制作而成的频率源。

依据原子物理的理论，当铷元素最外层电子受到特定波长的光谱照射时，外层电子会由基态受激跃迁到激发态。显然的，使用铷元素制作的光谱灯照射铷元素气室后，气室内铷元素的外层电子一定会受激跃迁到激发态，原因是铷元素光谱灯所发出的光谱能量恰好等于铷元素外层电子的受激跃迁能级，但由于激发态属于亚稳态，外层电子将会等概率的自发跃迁回落到基态F=1、F=3，当持续照射一段时间后，铷气室内铷元素的外层电子将全部处于F=3的基态了，这个过程叫做“光抽运”。

假设存在一束微波，微波频率等于F=1与F=3的能级之差，是，处于F=3基态的电子会受激跃迁到F=1的基态，光抽运过程可以持续了。

通过检测光抽运过程的强弱，并微调微波频率，即可准确的获得微波的频率，同时将微波频率下变频到10MHz，则10MHz输出的铷原子钟即制作完成。

现在我们假设，铷光谱灯为铷元素制作而成的，那么铷原子钟就是光抽运式铷原子钟，也称作传统型铷原子钟；铷光谱灯为激光源，并加载激光源稳频电路控制后，那么制作完成的铷原子钟为CPT铷原子钟，CPT：利用原子的相干布局囚禁原理而实现的一种新型原子钟。

传统型铷原子钟与CPT铷原子钟本质上没有较大差异，都是利用铷元素制作而成。

科技前沿

现在国内外时频行业快速发展，出现了诸如镱离子钟，汞离子钟等原子钟，汞原子的原子序号为80，外层电子为2，如果要制作原子钟，需要首先将汞原子电离，失去一个电子，形成汞离子后再进行能级锁定，制作过程比较复杂。

频率与时间

假设铯原子钟的输出频率为10MHz，即每秒钟震荡10 000 000次，那么使用分频器输出10MHz的1/10 000 000 即可获得精确的一秒钟。同时由于原子钟的输出频率具有极强的可预测性，因此，使用原子钟进行国际时间授时，是目前最精确的时间系统。