王義遒

(北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系，北京 100871)

1 引 言

1999年7月，由中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)時(shí)間頻率專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)天文學(xué)會(huì)時(shí)間頻率專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)宇航學(xué)會(huì)計(jì)量與測(cè)試專業(yè)委員會(huì)和中國(guó)全球定位系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用協(xié)會(huì)授時(shí)與時(shí)間專業(yè)委員會(huì)共同發(fā)起并聯(lián)合舉辦的全國(guó)時(shí)間頻率學(xué)術(shù)年會(huì)在青島召開(屬原由計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)主持的第六次全國(guó)時(shí)間頻率學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì))以來，每?jī)赡贻喠饔梢粋€(gè)專業(yè)委員會(huì)主持承辦，至2019年正好滿20周年。這是很值得紀(jì)念的，它標(biāo)志著我國(guó)時(shí)間頻率界的大聯(lián)合、大團(tuán)結(jié)，也體現(xiàn)著這20年來中國(guó)時(shí)間頻率領(lǐng)域研發(fā)工作的大進(jìn)步、大發(fā)展！

以研制原子鐘(頻標(biāo))為代表的中國(guó)時(shí)間頻率技術(shù)發(fā)展道路十分曲折，大體經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期：上世紀(jì)六七十年代的初創(chuàng)期，八九十年代的停滯期，和本世紀(jì)這二十年的大發(fā)展期。

目前，我國(guó)正在研制的原子鐘種類齊全，以銣、氫、銫為代表的實(shí)用原子鐘生產(chǎn)已基本實(shí)現(xiàn)，星載銣鐘穩(wěn)定度水平已處于國(guó)際前列，上海光機(jī)所創(chuàng)造了人類第一次將冷原子鐘搭載在空間站上實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的紀(jì)錄。各類授時(shí)系統(tǒng)都已建立，北斗全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)即將提前完成計(jì)劃。

但是，我們?cè)跁r(shí)頻領(lǐng)域主要核心設(shè)備原子鐘的研制和守時(shí)、授時(shí)的體制與測(cè)試方法基本處于跟隨狀態(tài)，缺乏自主創(chuàng)新；實(shí)用原子鐘除銣鐘發(fā)展較好外，均需進(jìn)一步提高性能指標(biāo)，特別是在可靠性和壽命方面還要經(jīng)受長(zhǎng)期考驗(yàn)，個(gè)別元器件(如作為原子選態(tài)和檢測(cè)用的半導(dǎo)體激光器、磁選態(tài)銫束管中的電子倍增器)和關(guān)鍵技術(shù)尚待繼續(xù)攻關(guān)；大量精密測(cè)試設(shè)備還依賴進(jìn)口。可以說，我國(guó)實(shí)用原子鐘和時(shí)間頻率測(cè)試設(shè)備的生產(chǎn)尚處在需要進(jìn)一步開發(fā)和工藝規(guī)范化與產(chǎn)業(yè)整合的階段。當(dāng)前正在建設(shè)的國(guó)家時(shí)間頻率體系還不能完全做到“獨(dú)立自主”，依然存在著部門分割、分散，難以實(shí)現(xiàn)真正“統(tǒng)一”的局面。

為了使中國(guó)真正成為時(shí)間頻率強(qiáng)國(guó)，滿足中華民族偉大復(fù)興所提出的基本科技發(fā)展需求，以下幾點(diǎn)是至關(guān)重要的。

1)在提高現(xiàn)有或未來原子鐘性能指標(biāo)上還有一些重要的基礎(chǔ)物理與工藝技術(shù)問題尚需挖掘與探索；

2)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，特別是國(guó)防建設(shè)需要更為精準(zhǔn)的時(shí)頻服務(wù)；

3)為驗(yàn)證基礎(chǔ)物理理論與物理常數(shù)隨時(shí)空變化的研究需要提供極端精密的時(shí)頻服務(wù)；

4)為重建新的秒定義和建立在物理常數(shù)上的計(jì)量單位新定義的復(fù)現(xiàn)與實(shí)施取得中國(guó)的話語(yǔ)權(quán)。

因此我們還要不懈努力，一方面在基礎(chǔ)研究狠下功夫，爭(zhēng)取做出原始創(chuàng)新，另一方面，還要在工藝技術(shù)上精益求精，以求在原子鐘和時(shí)間頻率領(lǐng)域做出我國(guó)獨(dú)特的創(chuàng)新貢獻(xiàn)。

本文結(jié)合我國(guó)早期原子鐘發(fā)展歷程對(duì)此展開一些敘事性的闡述和議論。

2 我國(guó)早期原子鐘研制

在“我國(guó)原子時(shí)頻事業(yè)早期回顧一隅”[1]一文中可以看到，早期原子鐘研究者都是從基本物理原理開始，一步一個(gè)腳印地走過來的。

2.1 束管研究解決真空問題

1960年前后，我國(guó)一些科研機(jī)構(gòu)和高校對(duì)做銫、氫、銣三種實(shí)用原子鐘在物理技術(shù)上已有一些準(zhǔn)備，但困難極大。1956年，丁渝先生從加拿大回國(guó)，加盟中科院原子能所。他一方面在北京大學(xué)兼職，創(chuàng)辦了波譜學(xué)專門化，帶著一批青年教師與學(xué)生，在中國(guó)首次觀察到了核磁共振、電子順磁共振和核四極矩共振信號(hào)。這是原子頻標(biāo)的物理基礎(chǔ)。另一方面，他在原子能所開始設(shè)計(jì)銫原子束裝置，以便開展原子核磁矩和銫原子束頻率基準(zhǔn)的研究。1959年，計(jì)量院會(huì)同清華物理教研組設(shè)計(jì)制造銫束管的計(jì)劃因難度太大而下馬，丁渝先生帶著青年研究人員吳蒼生等人一面開始進(jìn)行鈉原子的光磁雙共振研究，一面則設(shè)計(jì)制造了一支由銅板焊接而成、長(zhǎng)不到2m的方形銫束管裝置，我們稱其為“銅棺材”。由于當(dāng)時(shí)焊接和真空技術(shù)不過關(guān)，直到1966年前，真空度始終達(dá)不到要求，后來觀察到銫束射頻躍遷信號(hào)。丁渝先生是中國(guó)波譜學(xué)的鼻祖，“波譜學(xué)”的名稱就是他在參與國(guó)家“12年科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”時(shí)確定的。他奠定了我國(guó)銫束和汽室頻標(biāo)的第一塊基石。

2.2 高度重視工藝技術(shù)研究

1960年，王天眷克服困難輾轉(zhuǎn)西歐回國(guó)，到中科院武漢物理數(shù)學(xué)所(當(dāng)時(shí)稱“中南物理所”)，繼續(xù)他與湯斯合作的氨分子鐘研究工作。不久上海天文臺(tái)也開始研制氨分子鐘。1963年前后，當(dāng)認(rèn)識(shí)到氨分子鐘性能指標(biāo)難以提高后，較快地轉(zhuǎn)向了1960年由Ramsey等人發(fā)明的氫原子激射器的研制。他們以工藝為先抓研制。1963年，筆者第一次參觀中南物理所時(shí)，王天眷先生非常自豪地介紹工廠里一名技工用滾珠拋磨得十分光滑的21cm諧振腔內(nèi)壁，從而可以獲得幾萬Q值。這是產(chǎn)生“激射”的先決條件?？梢娝麑?duì)精益求精的工藝技術(shù)和工匠精神的尊重。

2.3 光抽運(yùn)汽室原子鐘研究

1961年，上海光機(jī)所(原“中科院電子學(xué)研究所”)王育竹從蘇聯(lián)研究生畢業(yè)回國(guó)，繼續(xù)從事其在蘇聯(lián)科學(xué)院電子學(xué)研究所的光抽運(yùn)鈉原子汽室頻標(biāo)的研究工作，從籌建實(shí)驗(yàn)裝置觀察光磁共振信號(hào)開始，最終做成一臺(tái)鈉原子鐘。因鈉原子鐘性能不夠好，70年代初轉(zhuǎn)向研制銣汽室頻標(biāo)。1972年與上海國(guó)榮燈具廠聯(lián)合研制成功我國(guó)第一臺(tái)銣頻標(biāo)。

1961年，筆者從蘇聯(lián)讀研究生畢業(yè)回國(guó)，在北大化學(xué)系徐光憲教授和中科院化學(xué)所錢人元教授的支持下，舉辦了一個(gè)“核磁共振在化學(xué)中應(yīng)用”討論班。當(dāng)時(shí)，波譜學(xué)專門化屬于無線電物理專業(yè)，設(shè)在無線電電子學(xué)系。1963年，北大無線電系主體遷到昌平分校，筆者與化學(xué)系和化學(xué)所的聯(lián)系不便，只好轉(zhuǎn)向?qū)ふ覈?guó)防研究項(xiàng)目。筆者曾以莫斯科大學(xué)普羅霍洛夫?yàn)閷?dǎo)師，他是氨分子鐘的發(fā)明人之一，1964年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，對(duì)波譜學(xué)在研制原子頻標(biāo)中的重要作用有所了解。當(dāng)時(shí)正是光抽運(yùn)汽室頻標(biāo)的初創(chuàng)期，而我們教研室對(duì)開展光抽運(yùn)磁共振工作已有相當(dāng)基礎(chǔ)，于是決心轉(zhuǎn)向原子頻標(biāo)研究方向。由于這類原子頻標(biāo)是一種用原子躍遷頻率鎖定石英晶體振蕩器頻率的自動(dòng)控制裝置，筆者利用暑期自學(xué)了自動(dòng)控制與頻率控制理論，大體上理解了這種頻標(biāo)的設(shè)計(jì)原理。此后，我們與國(guó)內(nèi)兄弟單位進(jìn)行合作，做原子鐘總體設(shè)計(jì)和物理部分的研制。

1963年10月，由于87Rb和85Rb兩種同位素，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒有，如從英國(guó)購(gòu)買，價(jià)格昂貴，且到貨期長(zhǎng)。因此決定立即從銫原子入手開展工作。由于當(dāng)時(shí)沒有更高的標(biāo)準(zhǔn)可用來進(jìn)行比對(duì)，1965年底我們完成了三臺(tái)同樣的樣機(jī)，采用“三角帽”兩兩互比的方法得到最好短期穩(wěn)定度為5×10-11的結(jié)果(或說600年不差1s)。

研制過程中，對(duì)銫燈泡的發(fā)光顏色曾有過較大爭(zhēng)論。過去我們做光磁共振都以鈉原子為樣品，它發(fā)出的兩條589.0nm和589.6nm黃線很容易用肉眼辨認(rèn)；而銫燈泡兩條有用的894.3nm和852.1nm譜線是紅外線，人眼看不見。在高頻無極放電下看到的是白光、渾濁白光或玫瑰色光，且強(qiáng)弱可變。究竟何種為好，我們決定通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)來解決。將銫燈搬到物理系光譜儀上做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)還是暗玫瑰色的燈銫譜線最強(qiáng)。后來用光抽運(yùn)光檢測(cè)來檢驗(yàn)證明也如此。但銫、銣、氫的共振光要么在紅外，要么在紫外，為什么頻標(biāo)用的抽運(yùn)光源和氫離解器發(fā)出的光都以玫瑰色為最好？筆者翻閱了多本氣體放電的資料，不得其解?？梢娫隅娎镂锢韱栴}，還有許多問題需要探討。

銫汽室的光抽運(yùn)靠的是原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)的簡(jiǎn)并度不同，F(xiàn)=4有9個(gè)能級(jí)，F(xiàn)=3是7個(gè)，因而共振光通過時(shí)其超精細(xì)能級(jí)的吸收率為9∶7。正是由于這種微弱的吸收率差造成吸收泡后部?jī)蓚€(gè)能級(jí)上的原子布居數(shù)不同，從而可以檢測(cè)到9 192 631 770Hz附近的微波躍遷，做成頻標(biāo)。這種光抽運(yùn)效率遠(yuǎn)比利用同位素效應(yīng)的銣頻標(biāo)要低。為了得到最佳抽運(yùn)效果，我們用計(jì)算機(jī)計(jì)算了吸收泡的最佳長(zhǎng)度。1963年，我們用國(guó)產(chǎn)第一代電子管計(jì)算機(jī)——103機(jī)做了計(jì)算，并使用大量紙帶打孔計(jì)算了約一個(gè)月，才獲得結(jié)果。所幸與我們預(yù)估的相差不多。

2.4 銣頻標(biāo)設(shè)計(jì)定型鑒定

1976年2月，中國(guó)唯一一次的“全國(guó)原子鐘會(huì)議”召開。僅隔一天，四機(jī)部也在科學(xué)會(huì)堂召開了北大與北京768廠合作研制的銣頻標(biāo)生產(chǎn)設(shè)計(jì)定型鑒定會(huì)，與會(huì)代表上百人。兩家單位分別做了設(shè)計(jì)報(bào)告，幾家用戶單位也做了試用報(bào)告之后，代表們不僅參觀考察了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，還分組用兩天時(shí)間將200多張圖紙進(jìn)行了認(rèn)真審查討論，代表們提出了百余個(gè)問題或修改意見，要求我們答復(fù)或解釋。其中連一顆螺釘?shù)奈恢枚疾荒芊胚^。我們連夜討論，最后歸結(jié)成約40多個(gè)問題并一一向大會(huì)做了解釋，或表明修改態(tài)度?？梢姰?dāng)時(shí)大家工作態(tài)度的認(rèn)真與嚴(yán)謹(jǐn)。

我們當(dāng)時(shí)為了精益求精，在使用單位的要求下，將試制產(chǎn)品進(jìn)行了空中試飛，這樣對(duì)溫度穩(wěn)定性提高了要求，并對(duì)物理部分(泵體)的熱設(shè)計(jì)先后做了兩次修改，在技術(shù)員與工人師傅連夜加班的積極配合下性能終于得到改善。由于我們當(dāng)時(shí)對(duì)熱設(shè)計(jì)理論生疏，又缺乏材料的熱學(xué)數(shù)據(jù)，這種修改主要是憑經(jīng)驗(yàn)。由于形勢(shì)變化，這款頻標(biāo)只進(jìn)行了兩年多時(shí)間的批量生產(chǎn)就終止了。

2.5 銫束管研制

1976年，我們?cè)凇叭珖?guó)原子鐘會(huì)議”上接受了研制小型密封銫束管的任務(wù)。此前，計(jì)量院已經(jīng)開始研制銫束基準(zhǔn)(即“大束管”)，12所和17所也在聯(lián)合研制密封同軸型銫束管，體積較大(束管長(zhǎng)60cm)。

我們首先確定要研制能批量生產(chǎn)的儀器型頻標(biāo)。由于缺乏相關(guān)資料，我們從基本原理實(shí)驗(yàn)開始做起。在電子倍增器研制中采用了計(jì)量院的方案，準(zhǔn)直器參考了12所的方案，而吸銫劑也是12所提供的氯化銀片。由于國(guó)內(nèi)石墨的吸銫效果均極差(我們還請(qǐng)化學(xué)系做過石墨和鋅片的吸銫效果實(shí)驗(yàn)，鋅片因沒能趕上實(shí)驗(yàn)而未用)。而氯化銀一接觸金屬就腐蝕，使用要極其謹(jǐn)慎小心。當(dāng)時(shí)各單位不分彼此，技術(shù)上互相幫助，有困難共同克服，患難與共。

由于領(lǐng)導(dǎo)重視，兄弟單位密切配合，經(jīng)費(fèi)有保障，我們的研制進(jìn)展很快，兩年內(nèi)基本配齊了各種工藝設(shè)備，其中焊接就有點(diǎn)焊、釬焊、高頻焊、氬弧焊等幾種，在技術(shù)員與技術(shù)工人緊密配合，和附近工廠的支持下，我們基本上備齊了可研制與生產(chǎn)銫束管的全套零部件。準(zhǔn)直器是在技工精心鉆研下用鍍銅鋁絲密排成型后拉伸腐蝕去鋁而成的，多在工具顯微鏡下看到的個(gè)個(gè)通透率極高的蜂窩狀孔徑時(shí)，筆者的心情難以言表。為了得到最佳束光學(xué)設(shè)計(jì)，我們從原理出發(fā)，設(shè)計(jì)制造了兩臺(tái)動(dòng)態(tài)銫束管。一臺(tái)專門研究原子束形分布，另一臺(tái)則準(zhǔn)直器位置與傾角可變，原子探測(cè)器位置可移動(dòng)，部件可更換，可以全面研究束光學(xué)及Ramsey花樣。這樣我們開始在不同微波頻率與強(qiáng)度、不同C場(chǎng)下對(duì)原子束磁共振譜線進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1978年，通過實(shí)驗(yàn)，筆者看到不加C場(chǎng)時(shí)的Rabi躍遷譜線可以完美重復(fù)量子力學(xué)二能級(jí)躍遷精確解曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，在斜入射束、無微波作用下移動(dòng)探測(cè)器觀察銫束形分布時(shí)(如圖1所示)，我們發(fā)現(xiàn)本應(yīng)只有一個(gè)主束峰(如為F=4態(tài)原子)的探測(cè)平面上卻出現(xiàn)了另一較小的副峰[2](如圖2所示)。它絕非因偏轉(zhuǎn)不好而混進(jìn)來另一態(tài)(F=3)原子，而是部分F=4態(tài)原子在兩個(gè)偏轉(zhuǎn)磁鐵之間發(fā)生了躍遷，變成為類似F=3原子了。反之亦然。經(jīng)過仔細(xì)分析后，確認(rèn)它是Majorana躍遷的表現(xiàn)。這是一種在多個(gè)等距能級(jí)之間發(fā)生的多能級(jí)躍遷，在微弱磁場(chǎng)下原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的塞曼能級(jí)之間就可能發(fā)生，如圖3所示中(4，4)與(4，-4)的9個(gè)能級(jí)之間。注意到在強(qiáng)磁場(chǎng)下，(4，-4)能級(jí)的行為與F=3原子相同，因此，當(dāng)F=4，mF≠-4原子躍遷到(4，-4)能級(jí)時(shí)就偏轉(zhuǎn)到后者的位置上去了，成為一個(gè)副峰。F=4上各能級(jí)原子躍遷到(4，-4)能級(jí)的概率不同，這就會(huì)造成超精細(xì)微波躍遷7條線的強(qiáng)度不對(duì)稱，如圖4所示。

圖1 動(dòng)態(tài)銫束管裝置示意圖Fig.1 Dynamic cesium beam device

圖2 偏轉(zhuǎn)束形(選F=3)曲線圖Fig.2 Beam deflection (F=3)

圖3 銫原子基態(tài)隨磁場(chǎng)變化下的Majorana躍遷曲線圖Fig.3 The dependence of the Majorana transitions of cesium with magnetic field strength

圖4 超精細(xì)躍遷σ線的強(qiáng)度分布曲線圖Fig.4 The intensity distribution of the hyperfine σtransitions with C field in z/-z direction

1978年10月，德國(guó)PTB G.Becker來華訪問。關(guān)于頻率基準(zhǔn)方面，說他們研制的銫束基準(zhǔn)不確定度已經(jīng)達(dá)到了7×10-15，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他基準(zhǔn)。在報(bào)告中也提到有Majorana 躍遷問題，但論述不詳，也未在不確定度估算中考慮這個(gè)問題。筆者在上海計(jì)量局，找到機(jī)會(huì)與他討論并將實(shí)驗(yàn)記錄給他看時(shí)，他卻不置可否。1979年，他在美國(guó)PTTI會(huì)議發(fā)表的論文中，仍認(rèn)為其頻率基準(zhǔn)不確定度是7×10-15。據(jù)計(jì)量院黃秉英(他參與了該次會(huì)議)說，這引起與會(huì)人們的質(zhì)疑(當(dāng)時(shí)僅10-15就是一個(gè)極難的測(cè)量問題)。但同年在另一次會(huì)議上，他卻說PTB Cs I的不確定度僅為1.5×10-13，比原數(shù)降了一個(gè)多數(shù)量級(jí)。近20年后，筆者看到他們發(fā)表的Cs I早期資料，7條超精細(xì)躍遷譜線明顯不對(duì)稱，呈現(xiàn)出Majorana躍遷的顯著跡象[3]。

1979年3月，筆者將各種可能的Majorana躍遷概率均做了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)可以較好地與實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證，于是就撰寫了一篇長(zhǎng)文章，后經(jīng)過精簡(jiǎn)發(fā)表在《計(jì)量學(xué)報(bào)》(1981年1月第1期)[2](原文以課題組名義刊于內(nèi)部刊物上[4])。后來得知，日本就Majorana效應(yīng)一文先于1980年在IEEE上發(fā)表[5]，不過兩者論題很不相同，互不重復(fù)。

1983年，筆者又寫了一篇英文文章，比較全面介紹了這種效應(yīng)，詳細(xì)分析了它對(duì)頻標(biāo)性能的影響，并提出了一些消除和減少這種影響的設(shè)想[6]。當(dāng)時(shí)PTB該組成員，后來成為時(shí)頻室主任的A.Bauch當(dāng)時(shí)還是博士生，后來他的博士論文就以銫束管中的Majorana躍遷為題，其在PTB發(fā)表的博士論文中第一篇引文就是我在《計(jì)量學(xué)報(bào)》1983年發(fā)表的英文文章[6]。

1984年初，筆者訪問PTB時(shí)，在成因、計(jì)算、對(duì)原子頻標(biāo)的影響等方面介紹了對(duì)Majorana躍遷問題的看法。此前，筆者在巴黎高師(ENS)和巴黎南大學(xué)原子鐘研究所(LHA)各講過一次，聽眾較多。這時(shí)我們才確信，外國(guó)人并沒有做過像我們這樣的細(xì)致實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗麄円婚_始都是使用固定束通道的對(duì)稱束，所以不可能得到我們的結(jié)果。他們提出的一些Majorana躍遷對(duì)頻率不確定度影響的看法是對(duì)的，但缺乏定量的依據(jù)，因此真正將這項(xiàng)影響考慮到頻率基準(zhǔn)不確定度評(píng)估中有定量數(shù)據(jù)的極少。

2.6 光抽運(yùn)光檢測(cè)銫束頻標(biāo)的早期探索

1980年，法國(guó)人Arditi和Picqué提出了一種像銣頻標(biāo)光抽運(yùn)光檢測(cè)的銫束管方案后，筆者認(rèn)為可以消除原來磁選態(tài)銫束管中繁復(fù)的工藝問題而得到遠(yuǎn)為優(yōu)越的頻標(biāo)性能指標(biāo)。在與12所的同事討論后，他們也認(rèn)為可行。我立即在該所刊物上發(fā)表了一篇推薦文章[7]。我們爭(zhēng)取到了一小筆啟動(dòng)費(fèi)(2萬元)，并很快在12所的幫助下，利用一些原有的零部件做出了一只動(dòng)態(tài)銫束管。最主要的問題是要用到單模半導(dǎo)體激光器(雖然也可使用體積龐大、價(jià)格昂貴的Ti寶石激光器)。對(duì)此我們不熟悉，請(qǐng)清華大學(xué)周炳琨小組的張漢一合作，利用廉價(jià)的Mitsubishi或夏普的激光器(約一二百美元一只)做了利用外腔穩(wěn)定激光頻率的工作。利用這些激光器我們用光譜儀和銫汽室研究了一系列的激光性能，但都不足以很好地觀察到銫束光抽運(yùn)信號(hào)。

與此同時(shí)，我們對(duì)激光抽運(yùn)和檢測(cè)問題，做了一些理論研究，列出了選擇不同躍遷與偏振的單激光和雙激光抽運(yùn)下銫原子在各能級(jí)上的分布方程，計(jì)算了允許得到最佳光抽運(yùn)光檢測(cè)組合。我們的研究成果在1983年杭州召開的中國(guó)第一次國(guó)際時(shí)間頻率會(huì)議上做了報(bào)告[8]。該文后被美國(guó)NIST、法國(guó)LHA、韓國(guó)KRISS和日本等國(guó)頻標(biāo)界引用，有一定影響。但是實(shí)驗(yàn)進(jìn)展卻很遲緩。直到1984年初，才得以觀察到了銫束的光抽運(yùn)和光檢測(cè)信號(hào)[9]，并做成一臺(tái)初步的動(dòng)態(tài)頻標(biāo)[10]。

后來?xiàng)顤|海參與工作。他將數(shù)字鎖定技術(shù)引入激光穩(wěn)頻，但激光頻率的長(zhǎng)期漂移導(dǎo)致跳模問題仍令人困惑，難以長(zhǎng)期工作。他提出用斜光檢測(cè)的方法來降低對(duì)頻率控制的要求。這是因?yàn)橛卸嗥绽疹l移的吸收曲線頂端變化比較平緩，頻率控制的同步帶寬較寬，從而不易失鎖。這樣我們的動(dòng)態(tài)銫束頻標(biāo)可連續(xù)工作近一個(gè)月，1993年在日本召開的國(guó)際原子頻標(biāo)和量子電子學(xué)會(huì)議上，我們首次宣布[11]得到了激光抽運(yùn)銫束頻標(biāo)的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度指標(biāo)為2×10-13。楊東海和筆者獲得了該年的饒毓泰物理學(xué)獎(jiǎng)。

3 激光冷卻原子方面的自主創(chuàng)新

在早期原子鐘研制中，多數(shù)團(tuán)隊(duì)由于著重于基礎(chǔ)研究，對(duì)物理理解比較深入，國(guó)內(nèi)也提出過一些創(chuàng)新的想法，并取得了一些進(jìn)展。據(jù)筆者所知，其中，國(guó)家計(jì)量院薛傳惲將銫束頻標(biāo)中選態(tài)用二級(jí)磁鐵的極隙形狀做了精密調(diào)整，使其磁場(chǎng)分布具有B=B0+kz2的形式，從而增強(qiáng)了選速效果，縮小了線寬[12,13]。上海計(jì)量局鄭裕民等獲得了當(dāng)時(shí)氫鐘壁移的最小值[14]。原中科院湖北物理所和原七機(jī)部二院計(jì)量站(203所)聯(lián)合研制成功的銣激射器，還一度成為我國(guó)短期頻率穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)。

為解決銣頻標(biāo)嚴(yán)重的光頻移問題，董太乾提出過脈沖光抽運(yùn)光檢測(cè)和分離吸收泡方案[15,16]，雖然沒能獲得優(yōu)越的結(jié)果，但討論中我們獲得了對(duì)于原子相位延遲概念的理解，很有收獲。

原子鐘研究中降低原子的熱運(yùn)動(dòng)速率，甚至將原子孤立起來始終是時(shí)頻工作者的愿景。在研制銫束頻標(biāo)中曾試圖將銫原子電離后用電場(chǎng)將原子減速，但束管結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所有原子等量減速不能改善速度分布。正當(dāng)猶豫之時(shí)，我們得悉激光減速與冷卻令人興奮的信息。

不久，上海光機(jī)所王育竹小組率先開展了利用鈉原子束管進(jìn)行激光冷卻的工作。他們利用多次反射光橫向通過原子束先是實(shí)現(xiàn)了原子束顯著偏轉(zhuǎn)[17]，然后得到了使原子束橫向運(yùn)動(dòng)冷卻到66μK的程度，這已遠(yuǎn)低于多普勒冷卻極限[18]。王育竹在1979年就提出用積分球腔的各向反射光來減速和冷卻原子的思想，由于實(shí)驗(yàn)條件等原因，到1993年才得以實(shí)現(xiàn)原子減速[19]。事實(shí)證明一個(gè)物理思想的提出到真正具體實(shí)現(xiàn)，往往要經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)探索。1975年H?nsch和Schawlow提出用對(duì)射激光來實(shí)現(xiàn)原子的多普勒冷卻方案后，世界上有好幾個(gè)小組在做激光冷卻實(shí)驗(yàn)，但多數(shù)得到的不但不是冷卻，而是加熱。直到1985年，朱棣文小組才以合適的光強(qiáng)、偏振與頻率的六束正交激光得到了原子冷卻，并命名其冷卻原子團(tuán)為“光學(xué)粘團(tuán)(optical molasses)”。

1980年，在王慶吉提出了一種原子冷卻的方案，工作原理如圖5所示。左邊是原子的上下兩個(gè)能級(jí)，其間距可用兩能級(jí)間的躍遷頻率hν0來表示。當(dāng)原子在頻率為ν>ν0的光脈沖作用下，由于二級(jí)斯塔克效應(yīng)，能級(jí)將發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)后的能級(jí)如中間的能級(jí)所示。這時(shí)的能級(jí)間隔變成為hν0′，并有hν0′hν0′，原子失去的能量多于吸收的能量，原子就會(huì)以減少動(dòng)能來補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)減速，但經(jīng)過討論，大家認(rèn)為這樣的機(jī)制不可能實(shí)現(xiàn)原子冷卻與減速。

圖5 討論的原子冷卻方案示意圖Fig.5 The discussed atomic cooling scheme

1983-1984年，筆者在巴黎法蘭西學(xué)院聆聽了Cohen-Tannoudji的作用于原子的輻射力的系統(tǒng)講座后，對(duì)激光冷卻的本質(zhì)有了比較清晰的理解，確信用脈沖光技術(shù)不可能冷卻原子，因其無法算出對(duì)原子的作用力，但上述機(jī)制中的能量補(bǔ)償問題仍不得其解。因此開始對(duì)原子與光場(chǎng)的相互作用能量變化過程進(jìn)行計(jì)算。由于二級(jí)斯塔克效應(yīng)對(duì)交變電場(chǎng)與靜電場(chǎng)十分相似，而對(duì)前者計(jì)算困難，我請(qǐng)研究生謝川用靜電場(chǎng)模擬做了計(jì)算。結(jié)果說明，在這種情況下原子的能量虧損是由電場(chǎng)提供的[22]。

這里涉及一個(gè)基礎(chǔ)研究中的學(xué)術(shù)氛圍問題。如果那時(shí)在辯論中有人指出，只要將王育竹文章中光強(qiáng)隨時(shí)間變化的光脈沖改為隨空間定向變化的光場(chǎng)分布，就可行了。其能級(jí)能量的光頻移就成為勢(shì)能變化，就能導(dǎo)出偶極力，其方向與大小都是明確可算的。事實(shí)上，首先取得亞多普勒冷卻成果，并因激光冷卻原子而得到諾貝爾物理獎(jiǎng)的朱棣文和Cohen-Tannoudji就是利用了偏振梯度所產(chǎn)生的“西西弗斯效應(yīng)”。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制，還必須有光頻移能級(jí)的空間變化與原子速度、光抽運(yùn)與光發(fā)射時(shí)間等匹配，難度并不小。這也是一般用負(fù)失諧的六束對(duì)射激光照射原子團(tuán)得到的往往不是冷卻，而是加熱結(jié)果的原因。由此可見基礎(chǔ)研究之重要。

科研管理部門在提供各種保障條件下，更要對(duì)基礎(chǔ)研究加以必要的支持。大力提倡和鼓勵(lì)原始創(chuàng)新。當(dāng)下我們基本上掌握了已有使用原子鐘技術(shù)的基礎(chǔ)，我們更應(yīng)著重基礎(chǔ)創(chuàng)新。筆者在國(guó)外曾提出過一種利用磁偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)噴泉的設(shè)想[23]，得到資助并開始加工設(shè)備，但在國(guó)內(nèi)卻難以支持，這種設(shè)想無人做過，因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)太大。

原子鐘科技工作者還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)物理基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)。我們?cè)岢鲞^一種用主輔玻色愛因斯坦凝聚(BEC)組，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)原子激光(atom laser)的建議[24,25]。這里用到了BEC阱中“相位統(tǒng)一”的概念，是在同行中已經(jīng)多次用過的概念。當(dāng)我們的文章投到國(guó)外刊物時(shí)，評(píng)審意見要求對(duì)此問題做出理論說明，我們卻難以做到。就在第二年，這種設(shè)想?yún)s被美國(guó)MIT的Ketterle小組從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了[26]?，F(xiàn)在看來這個(gè)理論問題我們是應(yīng)該可以解決的，可是在當(dāng)時(shí)，我們不但沒有勇氣，也沒有理論準(zhǔn)備去解決這個(gè)問題。這說明我們對(duì)相關(guān)的物理理論掌握得相當(dāng)薄弱。為了取得必要的自主創(chuàng)新，我們的科技工作者要不斷提高理論水平，并且培養(yǎng)一支原子鐘物理理論隊(duì)伍以迎接未來的挑戰(zhàn)。

4 我們的差距和努力方向

中國(guó)要成為原子鐘研制生產(chǎn)的強(qiáng)國(guó)，我們的差距是明顯的。

4.1 實(shí)用商品原子鐘性能指標(biāo)的提升

當(dāng)前，我國(guó)研制的銣原子鐘性能指標(biāo)上已進(jìn)入世界前列，并順利得到空間應(yīng)用，但在燈泡發(fā)光機(jī)理、濾光、控溫、降噪及保持光強(qiáng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性上，還需要進(jìn)一步研探。

在氫鐘方面，無論是以守時(shí)為主要應(yīng)用的主動(dòng)型，還是廣泛實(shí)用的被動(dòng)型，在性能指標(biāo)和可靠性及壽命方面距離國(guó)際領(lǐng)先水平還有一定距離。需要改進(jìn)，首先要充分掌握這類頻標(biāo)的物理原理，保證整體設(shè)計(jì)達(dá)到精準(zhǔn)合理；同時(shí)要總結(jié)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，在電離泡激勵(lì)、束流控制、泡壁涂敷、真空維持、對(duì)中與整體裝配、電路噪聲抑制，以及被動(dòng)型的最佳調(diào)制等方面進(jìn)一步下功夫，做到設(shè)計(jì)與工藝定型，投入生產(chǎn)后要建立和遵行嚴(yán)格的生產(chǎn)管理程序。

我國(guó)銫鐘研制先后有磁選態(tài)、激光抽運(yùn)和自主創(chuàng)新的磁選態(tài)光檢測(cè)三種束管樣機(jī)，但未能真正進(jìn)入正規(guī)生產(chǎn)狀態(tài)。由于這類鐘主要用于守時(shí)，近兩三年需要根據(jù)樣機(jī)試用情況，考驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行與可靠性等技術(shù)狀態(tài)，摸透影響性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素，分批次地抓緊設(shè)計(jì)定型、固化工藝，以便按批次提高指標(biāo)。磁選態(tài)銫鐘的關(guān)鍵部件電子倍增器尚未完全走上定型生產(chǎn)階段，亟需完成此步驟。光抽運(yùn)及磁選態(tài)光檢測(cè)銫束管所用的激光二極管至今尚依賴進(jìn)口，相關(guān)管理單位無論如何要繼續(xù)不斷地支持研制，實(shí)行自主生產(chǎn)。由于用量較少，這類產(chǎn)品的研發(fā)很難實(shí)行市場(chǎng)化運(yùn)作，必須依靠國(guó)家資助。

我們應(yīng)該充分做好CPT鐘的開發(fā)應(yīng)用。隨著信息化的發(fā)展，預(yù)計(jì)個(gè)體使用的微型原子鐘將會(huì)大行其道。國(guó)內(nèi)已有多個(gè)單位在研制，甚至進(jìn)入生產(chǎn)階段，但需進(jìn)一步提高性能、降低功耗與體積重量，并能做到設(shè)計(jì)與工藝定型，進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)。對(duì)其推廣應(yīng)用也要下大功夫。

原子鐘研制中物理部分固然占大頭，但在信息時(shí)代，電路的改進(jìn)也值得注意。特別是將兩部分結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化智能控制，可能是提高性能的一條捷徑。

4.2 冷原子噴泉頻率基準(zhǔn)有待進(jìn)入第一梯隊(duì)

我國(guó)已有三個(gè)團(tuán)隊(duì)成功研制冷原子噴泉頻率基準(zhǔn)，中國(guó)計(jì)量院和國(guó)家授時(shí)中心團(tuán)隊(duì)研制的銫基準(zhǔn)不確定度已達(dá)到<1×10-15，進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)行列，但尚未達(dá)到小系數(shù)10-16，離國(guó)際第一梯隊(duì)尚有點(diǎn)距離。上海光機(jī)所在87Rb噴泉的基礎(chǔ)上，還研制著85Rb噴泉，在不確定度評(píng)估上還有一些基礎(chǔ)性的物理問題值得深鉆。另外，這類頻標(biāo)的長(zhǎng)期連續(xù)工作，以及在運(yùn)行過程中自動(dòng)監(jiān)控與檢測(cè)影響不確定度的因素的探索在上海光機(jī)所也在進(jìn)行。不久的將來，我國(guó)有望進(jìn)入國(guó)際第一梯隊(duì)。

4.3 新型微波原子鐘的探索

由于人們直接接觸的音頻和視頻信號(hào)都用無線電波攜帶與傳輸，所以盡管光頻標(biāo)因其頻率比射頻頻率高三四個(gè)數(shù)量級(jí)而可取得更高的穩(wěn)定度而備受關(guān)注，但微波頻標(biāo)的生命力估計(jì)還會(huì)長(zhǎng)期存在。因此，新型微波頻標(biāo)的探索仍值得重視。如果它們的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)能比現(xiàn)有實(shí)用頻標(biāo)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，且體積重量適當(dāng)，結(jié)構(gòu)與制造工藝不過于復(fù)雜，還是很值得探索的。在這方面國(guó)內(nèi)已有不俗的表現(xiàn)：上海光機(jī)所的冷原子鐘在天宮二號(hào)上成功實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了國(guó)際領(lǐng)先的記錄，由他們首次提出創(chuàng)新思想的激光冷卻的積分球鐘樣機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，激光冷卻的鎘離子鐘實(shí)驗(yàn)由清華大學(xué)王力軍團(tuán)隊(duì)首先做成；而汞離子鐘、脈沖光抽運(yùn)(POP)等已接近實(shí)用水準(zhǔn)的高性能新型微波鐘，也有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)。不過原子鐘從研制出樣機(jī)到真正實(shí)用往往需要經(jīng)過長(zhǎng)期考驗(yàn)。我們必須耐得住寂寞，堅(jiān)持在長(zhǎng)期悉心鉆研下，使之成為可以不斷重復(fù)、乃至進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)的地面和空間實(shí)用原子鐘產(chǎn)品。

4.4 光鐘要直追巔峰

成為時(shí)代寵兒的光鐘，現(xiàn)在我國(guó)已有十多家單位在研。從工作物質(zhì)看，既有中性原子，如鈣Ca、銣Rb、鍶Sr、鐿Yb、汞Hg；也有離子，如Ca+、Yb+、Sr+、Hg+、Al+；可以說，國(guó)外所有的工作物質(zhì)我們基本都做了。從工作條件看，既有作為頻率基準(zhǔn)用，也有可搬運(yùn)的實(shí)用鐘?？梢哉f光鐘研究上，我們已經(jīng)超脫了國(guó)外的窠臼。武漢物數(shù)所高克林小組首先實(shí)現(xiàn)了鈣單離子光鐘，其躍遷頻率得到國(guó)際承認(rèn)。之后計(jì)量院、華東師大、國(guó)家授時(shí)中心分別實(shí)現(xiàn)了鍶和鐿的光鐘。北京大學(xué)陳景標(biāo)還提出了“主動(dòng)光鐘”概念，受到國(guó)外同行的重視，并得到了初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是，用作時(shí)頻基準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室光鐘在頻率不確定度上與國(guó)際前沿還有一定距離，我們需要在理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上雙重攻關(guān)，做出突破性成就。

光鐘以其極優(yōu)的頻率不確定度與穩(wěn)定度，將會(huì)改變現(xiàn)有以銫原子基態(tài)超精細(xì)躍遷頻率為準(zhǔn)的秒定義。在其中獲得有力的話語(yǔ)權(quán)是建設(shè)時(shí)頻強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志。我們要有重點(diǎn)地攻堅(jiān)克難，爭(zhēng)取做出重大國(guó)際貢獻(xiàn)。在我國(guó)基本要實(shí)現(xiàn)三種不同種類，且不確定度超過5×10-18的光頻標(biāo)。這類原子鐘還是復(fù)現(xiàn)當(dāng)下建立在物理常數(shù)基礎(chǔ)上的計(jì)量單位基準(zhǔn)的主要手段。我們一方面要做出頂尖的原子鐘，另一方面還要在理論和實(shí)驗(yàn)上找出實(shí)現(xiàn)以物理常數(shù)與單位定義值最適宜的物理關(guān)系。這需要精密細(xì)致的工作。物理常數(shù)的數(shù)值是否會(huì)隨著時(shí)空情況而變化也是一個(gè)在理論上具有重要意義的問題，我們中國(guó)人也要以頂級(jí)原子鐘為工具，為世界文明添磚加瓦，奉獻(xiàn)自己應(yīng)有的份額。

分子鐘(以88Sr2，174Yb2，H+2為主)和更高頻段(核鐘，主要以229Th為工作物質(zhì))時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)的探索，目前國(guó)外已在進(jìn)行。這需要大量投入和長(zhǎng)期堅(jiān)持，從我國(guó)當(dāng)前情況看，可以有少量團(tuán)隊(duì)投入工作，不宜過多投入。

4.5 持續(xù)支持關(guān)鍵元器件和測(cè)試設(shè)備研發(fā)與生產(chǎn)

我國(guó)時(shí)頻界長(zhǎng)期致力于原子鐘及電路噪聲基本問題和測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)的研究團(tuán)隊(duì)還不多，成果也顯得有些薄弱，并不大引起同行的關(guān)注。這種狀況對(duì)我國(guó)時(shí)頻領(lǐng)域的整體提高不利。希望有更多人來投入。

更重要的是某些原子鐘關(guān)鍵器件仍未完全過關(guān)，有的還要被國(guó)外“卡脖子”。如前述的磁選態(tài)銫頻標(biāo)的電子倍增器，還需長(zhǎng)期的實(shí)踐考驗(yàn)。至于為激光抽運(yùn)或冷卻的各類原子鐘使用的各種半導(dǎo)體激光器，基本上是靠外國(guó)供應(yīng)的。大量高檔精密測(cè)量?jī)x器，也大都依靠國(guó)外。這種情況不改變，就不能說我國(guó)已經(jīng)建立起來一個(gè)完整的時(shí)間頻率體系。

最后要說的是，為了彌補(bǔ)我們與國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)的差距，我們還要在下面三個(gè)方面努力，以加強(qiáng)原始創(chuàng)新，開拓規(guī)模生產(chǎn)的能力。

1)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，提高理論水平

我國(guó)早期研制原子鐘，由于缺乏相關(guān)資料，都要從基本物理原理開始，還比較注重基礎(chǔ)。改革開放之后，由于大量國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)入，基礎(chǔ)研究大為削弱。技術(shù)人員多就事論事地做些改進(jìn)，不能從物理原理上做出分析判斷而有所發(fā)明。這既不利于研制成品的性能全面提高，更無從談原始創(chuàng)新。這種情況難以使我國(guó)成為世界一流的時(shí)頻強(qiáng)國(guó)。

為了在頻率基準(zhǔn)和未來的秒定義上取得我國(guó)的話語(yǔ)權(quán)，以及在各種精密測(cè)量、基本物理理論驗(yàn)證上，在檢驗(yàn)基本物理常數(shù)是否變化等問題上使原子鐘發(fā)揮重要作用，我們也需要自己能提出高深物理課題的理論工作者。在這方面我們還亟需具有想象力的科學(xué)工作者，我們現(xiàn)在離普朗克時(shí)間10-43秒還差得很遙遠(yuǎn)呢！

基于上述狀況，長(zhǎng)遠(yuǎn)看要從教育入手。我國(guó)高等教育理論脫離實(shí)際的情況依然嚴(yán)重，大學(xué)教學(xué)科研分離，教基礎(chǔ)課的教師往往只要求學(xué)生做教科書上的習(xí)題，做應(yīng)試訓(xùn)練，而對(duì)實(shí)際問題一竅不通。如學(xué)了熱力學(xué)，如何對(duì)一個(gè)產(chǎn)品做熱設(shè)計(jì)毫無概念。另一方面，現(xiàn)在信息技術(shù)發(fā)達(dá)，各種計(jì)算機(jī)軟件繁榮，如電磁場(chǎng)分析，學(xué)生會(huì)用軟件計(jì)算，卻難以對(duì)計(jì)算結(jié)果用物理原理做出科學(xué)分析。當(dāng)下更重要的是要有針對(duì)性地對(duì)技術(shù)人員做一些理論培訓(xùn)，使他們提高物理水平。另外，原子鐘涉及的不僅是原子分子光物理(AMO)，往往還有等離子體、凝聚態(tài)物理等，研究人員要適當(dāng)擴(kuò)大自己的視野。在原子鐘領(lǐng)域，我們不但要培養(yǎng)見識(shí)寬闊，像Cohen-Tannoudji那樣的理論大師，還需要有能結(jié)合實(shí)際會(huì)靈活計(jì)算，像NIST的Shirley那樣的理論工作者。

構(gòu)建學(xué)術(shù)討論和交流的平臺(tái)對(duì)提高基礎(chǔ)理論水平大有好處?！按髱煛钡男纬膳c廣泛頻繁的學(xué)術(shù)交流很有關(guān)系。1991年3月，筆者應(yīng)邀在歐洲時(shí)頻會(huì)議，之前開了兩天關(guān)于頻率基準(zhǔn)不確定性的會(huì)，到會(huì)連BIPM官員僅十國(guó)30人。當(dāng)時(shí)正是各國(guó)頻率基準(zhǔn)的不確定度數(shù)據(jù)長(zhǎng)期停滯，甚至不升反降之際，大家就影響該指標(biāo)的因素、評(píng)定方法、消除或降低的途徑、還可能有哪些潛在因素未被發(fā)現(xiàn)等做了細(xì)致的討論，也有爭(zhēng)辯。對(duì)當(dāng)時(shí)剛出現(xiàn)不久的半導(dǎo)體激光器在光抽運(yùn)和激光冷卻中的應(yīng)用做了預(yù)估。筆者感到收獲很大[27]。不久后激光抽運(yùn)銫束及噴泉頻率基準(zhǔn)相繼登場(chǎng)，其不確定度大幅提高。我國(guó)極需要有這樣的學(xué)術(shù)氣氛。

2)追求精益求精

原子鐘是非常精密的科技裝備，不僅其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依賴于高深的物理與電子自動(dòng)控制原理，其工藝實(shí)現(xiàn)還要依靠許多能工巧匠的本領(lǐng)。即使在先進(jìn)精密技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，也不是所有工藝都可用機(jī)器完成的。甚至各種部件都已精確做好，其裝配是否精致到位還是問題。因此，即使產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型、工藝完全固化之后，產(chǎn)品總還有一定離散性。我國(guó)原子鐘研制往往因一兩個(gè)人的離去而指標(biāo)上不去。近年美國(guó)氫鐘品質(zhì)下降，其源也蓋出于此。一定意義上說，原子鐘技術(shù)也是藝術(shù)。

因此，我們應(yīng)該學(xué)習(xí)老一輩科學(xué)家，如葉企孫、王天眷等人對(duì)工藝技術(shù)人員的重視，絕不能以“四唯”(唯論文、唯職稱、唯學(xué)歷、唯獎(jiǎng)項(xiàng))來確定待遇。在時(shí)頻界都熟悉的美國(guó)JILA和英國(guó)NPL，聽說工資最高的都是頂尖技工。

3)關(guān)于原子鐘產(chǎn)業(yè)

要成為時(shí)頻強(qiáng)國(guó)，實(shí)用原子鐘必須商品化、產(chǎn)業(yè)化。筆者之前曾說過一句話：“最好的原子鐘生產(chǎn)者也是原子鐘產(chǎn)業(yè)的掘墓人”。我們看世界上曾經(jīng)有過幾十家生產(chǎn)原子鐘的企業(yè)，目前已所剩無幾?？梢姶嗽挿翘?。其原因在于原子鐘用戶少，不需成千上萬的大規(guī)模生產(chǎn)。而鐘的品質(zhì)越高，故障越少、壽命越長(zhǎng)，新品的需求量就越低。因此，企業(yè)沒有國(guó)家補(bǔ)貼難以存活。多數(shù)這類企業(yè)得依靠訂單生產(chǎn)，實(shí)際上處于半研制半生產(chǎn)狀態(tài)，因此其價(jià)格應(yīng)含有研發(fā)投資的成分，用戶不應(yīng)過分壓價(jià)。這種狀態(tài)對(duì)原子鐘的品質(zhì)提升既有利也有弊。有利的是可以不斷改進(jìn)，提高指標(biāo)；不利的是沒有大批定型生產(chǎn)往往難以發(fā)現(xiàn)問題所在。這需要根據(jù)不同用途不同類型原子鐘進(jìn)行權(quán)衡，使之既能不斷改進(jìn)其性能，又能使企業(yè)有利可圖。

為此，我們需要大力宣傳原子鐘的多種應(yīng)用。筆者相信，即使是在充分信息化、時(shí)頻信號(hào)可以普天下傳遞的當(dāng)下，原子鐘仍有多元應(yīng)用的前景；而且個(gè)體化的應(yīng)用途徑還會(huì)增多。因此，對(duì)現(xiàn)有銣、氫、銫和CPT鐘的生產(chǎn)，可以按不同檔次分門別類地實(shí)行“產(chǎn)業(yè)內(nèi)分工”，使不同單位各得其所。對(duì)于原子鐘里的某些零部件，則可以采用“產(chǎn)品內(nèi)分工”的方式，實(shí)行專精分包，而不是一家獨(dú)包生產(chǎn)，這樣做是先進(jìn)合理的。相信這樣做后，我國(guó)原子鐘產(chǎn)業(yè)是可以生存發(fā)展的，對(duì)建設(shè)時(shí)頻強(qiáng)國(guó)將是不可或缺的。

5 結(jié)束語(yǔ)

最后想對(duì)科技管理說幾句話。管理單位要以大局為重，切忌部門利益，拒絕“權(quán)力尋租”；要避免一個(gè)課題多個(gè)“婆婆”，既管又不全管；要讓一線科技工作者專心鉆研，盡量減少他們參與過多的評(píng)審檢查和繁瑣的文牘手續(xù)。

只要大家團(tuán)結(jié)努力，我們?cè)隅娛聵I(yè)的自主創(chuàng)新一定會(huì)源源不絕地冒出來，我們一定可以建成世界上時(shí)間頻率的強(qiáng)國(guó)！

致謝：本文成稿得到方占軍、王延輝、薛瀟博所提供的資料，特此向他們表示感謝。

附記：本次會(huì)議開幕式上，由四個(gè)專業(yè)委員會(huì)在時(shí)間頻率領(lǐng)域共同授予我 “終身成就獎(jiǎng)”，我深表感謝！但自愧“成就”是不敢當(dāng)?shù)模驗(yàn)槲也]有在時(shí)頻領(lǐng)域取得重大成績(jī)，只是為此做了一點(diǎn)工作。如果說這點(diǎn)工作也算是“貢獻(xiàn)”的話，那我應(yīng)該感謝三個(gè)人，他們是：1)汪永銓，1961年，我回國(guó)任教時(shí)的北大無線電電子學(xué)系主任，是他“逼”我走進(jìn)了時(shí)頻領(lǐng)域?yàn)閲?guó)防服務(wù)的路；2)王育竹，當(dāng)我在這條路上快“開小差”時(shí)，是他扶我繼續(xù)上路。1989年，我為維持北大教學(xué)科研正常秩序而心力交瘁，打算脫離科研時(shí)，他卻堅(jiān)持讓我擔(dān)任上海光機(jī)所與華東師大合辦的“量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任，使我不得不硬著頭皮堅(jiān)持時(shí)頻方向的科研，并做些相關(guān)報(bào)告；3)閆宇華，1999年，當(dāng)我從北大行政崗位退下來時(shí)，她立即找到我，說國(guó)家要搞北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，要有星載原子鐘，希望我能承擔(dān)研制星載原子鐘的技術(shù)管理工作。我當(dāng)即同意。她給我約法三章：裁判員不當(dāng)運(yùn)動(dòng)員，我不能申請(qǐng)、接受、參與相關(guān)科研課題，也不能領(lǐng)科研經(jīng)費(fèi)、在相關(guān)論文上署名。我認(rèn)為這合理，一概答應(yīng)。這樣，我就成為這個(gè)管理組里不做科研的“首席科學(xué)家”，后來改組為時(shí)頻專家組，我又成為專家組長(zhǎng)，從而使我在這個(gè)領(lǐng)域能施展一些自己的精力。1950年我讀高中時(shí)發(fā)生了抗美援朝戰(zhàn)爭(zhēng)，我報(bào)名參軍未獲批準(zhǔn)，因此老來我該“服役”，報(bào)效祖國(guó)。是她給了我這個(gè)極好的機(jī)遇。