楊 軍 毛新凱 盧心竹

（1.北京無線電計量測試研究所，北京100039；2.計量與校準(zhǔn)技術(shù)國家重點實驗室，北京100039）

1 引 言

導(dǎo)航定位、網(wǎng)絡(luò)通信、交通運輸、航空航天以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個方面都離不開時間頻率，特別是現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭中，時間頻率的精準(zhǔn)性至關(guān)重要。在所有物理量的測量中，時間頻率是7 個基本量中準(zhǔn)確度最高的物理量，其他基本量通過基本常數(shù)和時間頻率建立物理關(guān)系，從而得到準(zhǔn)確的結(jié)果，例如處于超導(dǎo)狀態(tài)下的約瑟夫森結(jié)，在微波信號輻照下，結(jié)的兩端產(chǎn)生準(zhǔn)確的直流電壓Vn，約瑟夫結(jié)電壓Vn與頻率的關(guān)系為

式中:KJ-90——約瑟夫森常數(shù)483 597. 9GHz/V；N——約瑟夫森結(jié)電壓臺階數(shù)［1，2］；f——頻率，可溯源到銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。

長度單位米被定義為光在真空中在（1/299 792 458）s 的時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長度［3］。頻率標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了從晶體振蕩器、原子頻率標(biāo)準(zhǔn)到光鐘的長期發(fā)展歷程。頻率標(biāo)準(zhǔn)主要包括高穩(wěn)晶振、微型CPT原子頻標(biāo)、銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，新型原子頻率標(biāo)準(zhǔn)和光鐘等。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，頻率標(biāo)準(zhǔn)向高準(zhǔn)確、高穩(wěn)定、微型化方向發(fā)展。

2 高穩(wěn)晶振性能差距較大，在空間科學(xué)研究和武器裝備大量應(yīng)用

1921年，Walter Guyton Cady 發(fā)明了第一個石英晶體振蕩器（簡稱晶振）。至此開始，晶振廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備，成為電子設(shè)備的心臟，尤其是二戰(zhàn)期間軍事無線電設(shè)備的需求刺激了精確頻率控制晶體的制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。晶振分為壓控晶振VCXO、溫補晶振TCXO、恒溫晶振OCXO，頻率穩(wěn)定度最高的晶振是恒溫晶振。瑞士OSA 公司的恒溫晶振8607 采用先進的SC 切割BVA 石英晶體技術(shù)和雙恒溫槽設(shè)計［4］。這種獨特的切割技術(shù)消除了電極和石英晶片之間的表面接觸，消除了石英晶片表面離子擴散引起的問題，消除了石英晶片支撐結(jié)構(gòu)間的表面應(yīng)力。由于這種獨特的設(shè)計，使得8607具有非常優(yōu)秀的短期頻率穩(wěn)定度和高純頻譜，頻率穩(wěn)定度比普通晶振優(yōu)10 倍以上，頻率穩(wěn)定度達到8E-14/s，相位噪聲為-133dBc/Hz（載波頻率5MHz，傅里葉頻率1Hz）。8607 的雙恒溫槽結(jié)構(gòu)和5MHZ 輸出的相位噪聲如圖1 所示。之后，新西蘭Rakon 公司和美國Microsemi 也相繼推出了基于SC切割BVA 晶體的高穩(wěn)晶振。Rakon 公司高穩(wěn)晶振HSO14 和美國Microsemi 高穩(wěn)晶振1000C 的頻率穩(wěn)定度分別達到了8E-14/s 和2E-13/s，相位噪聲均為-130dBc/Hz（載波頻率5MHz，傅里葉頻率1Hz）［5，6］。目前國內(nèi)高穩(wěn)晶振的頻率穩(wěn)定度僅能達到5E-13/s，與國外存在較大的差距，國內(nèi)航天產(chǎn)品研制單位大量采用國外先進的高穩(wěn)晶振。

圖1 8607 雙恒溫槽和5MHz 輸出的相位噪聲圖Fig.1 The double constant temperature structure and phase noise curve of OCXO 8607

3 高精度銣原子鐘日趨成熟，打破國外壟斷

經(jīng)過近60年的發(fā)展，光抽運汽泡型銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)因其體積小、價格低、壽命長、可靠性高備受歡迎［6，7］，廣泛應(yīng)用于電力、通信、金融、氣象、導(dǎo)航等領(lǐng)域，尤其是在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用，GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）均采用銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)作為星載時基，為全球提供高精度的定位和時間服務(wù)。

美國GPS 衛(wèi)星經(jīng)歷了BLOCK I 衛(wèi)星、BLOCK II/IIA 衛(wèi)星、BLOCK IIR 衛(wèi)星、BLOCK IIR-M 衛(wèi)星、BLOCK IIF 衛(wèi)星等，各階段的衛(wèi)星都搭載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。不同時期的GPS 衛(wèi)星所攜帶的星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能也存在差異。通過對GPS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能分析可知，星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的相對頻率偏差在E-12 量級；大部分日頻率漂移率在E-15 量級，但是有8 ～9 顆衛(wèi)星的星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)日頻率漂移率較大，處于E-14量級，個別衛(wèi)星在個別月份出現(xiàn)了比較明顯的異常值現(xiàn)象；大部分日頻率穩(wěn)定度處于在E-14 量級，其中G03，G08 衛(wèi)星日頻率穩(wěn)定度較差，在E-13 量級，G01、G02、G06、G15、G23、G25、G27、G30 幾顆衛(wèi)星日頻率穩(wěn)定度很好，達到了E-15 量級［8-11］。GPS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能的年平均值見表1。

表1 GPS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能Tab.1 The performances of GPS rubidium atomic frequency standard on orbit

上世紀(jì)90年代，中國制定北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，作為其中關(guān)鍵技術(shù)的星載原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，在當(dāng)時的中國屬于技術(shù)空白。在從國外引進星載銣鐘遭拒后，中國開始自主研制之路。經(jīng)過20 多年科研工作者的勵精圖治，星載原子鐘完全實現(xiàn)了國產(chǎn)化，并且在國民經(jīng)濟建設(shè)鐘也發(fā)揮重要作用，如我國海洋二號衛(wèi)星首次使用高準(zhǔn)確度低漂移率的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)代替晶振，保障海洋二號衛(wèi)星具備在全天時、全天候、全球連續(xù)高精度探測海洋動力環(huán)境信息的能力。通過對BDS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能分析可知，BDS 系統(tǒng)整體星載原子鐘性能基本處于一個數(shù)量級。BDS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的相對頻率偏差為E-11 量級，日頻率漂移率基本在E-14 量級，其中C02、C08、C14 這三顆衛(wèi)星日頻率漂移率較其他衛(wèi)星相比大了一個數(shù)量級；日頻率穩(wěn)定度在E-14 量級，其中C02、C04、C06 三顆衛(wèi)星的日頻率穩(wěn)定度較其他衛(wèi)星相比大一個數(shù)量級?？傮w而言，地球同步軌道衛(wèi)星星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能低于傾斜同步軌道與中地球軌道衛(wèi)星［8，9，11-14］。BDS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能見表2［15］。

表2 BDS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能Tab.2 The performances of BDS rubidium atomic frequency standard on orbit

銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是商品化成度最高的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)向小型化、高穩(wěn)低噪聲方向發(fā)展。美國SRS 公司和FEI 公司代表了國外的最高水平，SRS 公司的PRS10 和FEI 公司的FE-5680A 是兩款最常用的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)指標(biāo)各有所長，PRS10 的相位噪聲低，優(yōu)于FE-5680A10dB 左右，具有1PPS 輸入馴服功能，可接收外部標(biāo)準(zhǔn)1PPS 信號，如GPS/BDS 接收機輸出1PPS，實現(xiàn)外部標(biāo)準(zhǔn)時間信號對銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的馴服功能，提高銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，非常適合精密的頻率測量［16］；FE-5680A 的短期頻率穩(wěn)定度低，優(yōu)于PRS10 一個數(shù)量級左右［17］。國內(nèi)以航天203 所和成都天奧為代表生產(chǎn)的商品型銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)指標(biāo)已達到國際領(lǐng)先水平，國內(nèi)研制和生產(chǎn)的商品銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)性能已全面超越國外同類產(chǎn)品，BM2102-06 是目前全世界技術(shù)指標(biāo)最高的商品型銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，其整合了最先進的分離濾光技術(shù)和低噪聲電路技術(shù)，具有極優(yōu)的頻率穩(wěn)定度、相位噪聲和漂移特性。國內(nèi)外商品性銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能比較見表3。

在銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)小型化研制方面，國內(nèi)技術(shù)發(fā)展也處于國際領(lǐng)先水平，203 所研制了全世界最薄的高精度銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)BM2102-05，體積為76mm×76mm×17mm，頻率穩(wěn)定度達到1E-11/s、3E-12/10s、1E-12/100s。BM2102-05 銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)實物圖和測量曲線如圖2 所示［18］。

表3 國內(nèi)外商品型銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能比較Tab.3 The performance comparison of rubidium atomic frequency standard at home and abroad

圖2 BM2102-05 銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)實物圖和測量曲線Fig.2 Rubidium atomic frequency standard BM2102-05 and measurement curves

4 守時型銫、氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)急需邁上新的臺階

銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)和氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是常用的計量標(biāo)準(zhǔn)和守時用頻率標(biāo)準(zhǔn)。國際計量局BIPM 保持的協(xié)調(diào)世界時UTC 是由全世界597 臺原子鐘綜合得到自由原子時，在通過噴泉鐘駕馭和UT1 協(xié)調(diào)得到國際標(biāo)準(zhǔn)時間，是全世界共同維持的一個標(biāo)準(zhǔn)時間，國際上參與國際原子時計算的實驗室分布圖如圖3 所示。在597 臺原子頻率標(biāo)準(zhǔn)中，商品銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)占65%，氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)站30%，實驗室銫噴泉頻率標(biāo)準(zhǔn)占3%，實驗室銣噴泉標(biāo)準(zhǔn)占2%，統(tǒng)計2018年BIPM 發(fā)布的參加國際原子時計算的各種原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量和種類如圖4 所示［19］。

圖3 參與國際原子時計算的實驗室分布圖Fig.3 The laboratory distributions participating TAI computation

圖4 2018年參加國際原子時計算的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量和種類分布Fig.4 The quantities and types of atomic frequency standards participating TAI computation in 2018

目前，高性能的銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)和氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)被國外壟斷。美國Microsemi 公司生產(chǎn)的5071A 占據(jù)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)市場的90%以上，它是目前世界上性能最優(yōu)可靠性最高銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，其最大允許頻率偏差為±5E-13，國內(nèi)計量部門、電信、電力、金融等行業(yè)都在使用5071A 作為頻率標(biāo)準(zhǔn)或守時設(shè)備。國內(nèi)多家單位開展了銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究。多年來，困擾我國銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是磁控濺射法電子倍增器技術(shù)，電子倍增器增益衰減過快，導(dǎo)致其壽命只有半年到1年。針對電子倍增器技術(shù)造成的銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)壽命較短的難題，各單位都提出了不同的解決方案。航天科技510 所依靠多年真空技術(shù)的研究和積累，堅持傳統(tǒng)工作方式的磁選態(tài)-電子倍增器方案；航天科工203 所突破了MCP 電子倍增器技術(shù)，采用磁選態(tài)—磁控濺射打拿極電子倍增器、MCP電子倍增器和微電流放大器三位一體設(shè)計方案；北京大學(xué)采用光抽運-光檢測方案；成都天奧采用光抽運—光檢測的方案。各單位都完成研制，部分產(chǎn)品在某些領(lǐng)域得到應(yīng)用。國內(nèi)外銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性能比較見表4，從技術(shù)性能分析來看，國內(nèi)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的水平與國外相當(dāng)，在實際測試中有些指標(biāo)超越了國外同類產(chǎn)品，但國內(nèi)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)還存在頻率復(fù)現(xiàn)性和日頻率漂移率差，且壽命也沒有得到長時間考核驗證［18，20，21］。

表4 國內(nèi)外銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)性能比較Tab.4 The performance comparison of cesium atomic frequency standard at home and abroad

美國Microsemi 公司，俄羅斯VCH 公司和瑞士T4S 公司幾乎壟斷了國內(nèi)外守時實驗的氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的市場，Micorsemi 公司的MHM2010 占有較大的市場份額，但隨著俄羅斯VCH 公司的技術(shù)和工藝不斷提升， 技術(shù)指標(biāo)和可靠性已超越了MHM2010，VCH-1003M 已成為市場的新寵，國內(nèi)許多守時實驗室都在采購其產(chǎn)品。面對巨大的市場競爭，Microsemi 公司推出了最新產(chǎn)品MHM2020，技術(shù)指標(biāo)與VCH-1003M 相當(dāng)。瑞士T4S 與VCH 公司合作，結(jié)合VCH 公司物理部分研制的優(yōu)勢和T4S在電路研制方面的優(yōu)勢，研制了iMaser3000，也正在積極推出iMaser4000 新產(chǎn)品。國內(nèi)在二十世紀(jì)60年代就開始了氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的研制，目前只有航天203 所和上海天文臺研制和生產(chǎn)氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，203 所采用藍寶石介質(zhì)加載諧振腔，有效地減小了諧振腔和儲存泡的體積，從而縮小氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的磁屏蔽、真空、恒溫等外圍結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了小型化的主動型氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)；上海天文天采用傳統(tǒng)的微波諧振腔。國內(nèi)研制的兩種類型的氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)，但與國外相比，日頻率穩(wěn)定度相差一個數(shù)量級。國內(nèi)外主動型氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能比較見表5［12-24］。

表5 國內(nèi)外主動型氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)性能比較Tab.5 The performance comparison of active hydrogen atomic frequency standard at home and abroad

5 微型化CPT 原子頻率標(biāo)準(zhǔn)方興未艾

CPT 原子頻率標(biāo)準(zhǔn)（ Coherent Population Trapping）是基于量子的相干布局囚禁機理而設(shè)計的新型原子頻標(biāo)，它的量子系統(tǒng)不需要微波諧振腔，工作原理不同與傳統(tǒng)的氫、銣、銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。CPT原子頻率標(biāo)準(zhǔn)可大量應(yīng)用于遠程通信系統(tǒng)、時間同步網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，可代替恒溫晶振作為頻率源。美國Microsemi 公司已實現(xiàn)CPT 原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的工程化和量產(chǎn)，而國內(nèi)多家單位也完成了相關(guān)研制工作，技術(shù)指標(biāo)超過國外同類產(chǎn)品，但由于激光管等關(guān)鍵元器件為進口元器件，且激光管的可用率極低，產(chǎn)品成本極高，目前的制造成熟度很低，難以實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。國內(nèi)外CPT 原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能比較見表6［18，25］。

表6 國內(nèi)外CPT 原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能比較Tab.6 The performance comparison of CPT atomic frequency standard at home and abroad

6 低溫藍寶石微波頻率源和激光超穩(wěn)微波源將成為下一代頻率穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)

短期頻率穩(wěn)定度極好的微波源不僅可作為時間頻率計量的標(biāo)準(zhǔn)，也可以作為銫原子噴泉頻率標(biāo)準(zhǔn)和光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)的本地振蕩器，同時也可以應(yīng)用于雷達、通信、深空探測和基礎(chǔ)物理學(xué)研究等方面，具有非常重要的應(yīng)用價值。超導(dǎo)微波諧振腔和藍寶石腔的結(jié)合，超穩(wěn)激光技術(shù)和光頻梳技術(shù)的結(jié)合，可分別實現(xiàn)頻率穩(wěn)定度極好的低溫藍寶石微波頻率源（CSO）和激光超穩(wěn)微波源。

低溫藍寶石微波頻率源是利用低溫藍寶石微波腔在回音壁模式下具有極高Q 值的特點而研制的。藍寶石諧振器微波頻率源的電路原理如圖5所示，這種電路結(jié)構(gòu)與被動型原子頻標(biāo)的電路結(jié)構(gòu)非常像，藍寶石諧振器只是起鑒相器的作用，鑒相器的原理也是基于Pound 電路。鑒相器的輸出信號用來控制一個壓控振蕩器，把壓控振蕩器鎖定在藍寶石諧振器上，壓控振蕩器的輸出就是微波信號源的輸出。

圖5 藍寶石諧振器微波頻率源的電路原理框圖Fig.5 The principle diagram of sapphire oscillator

低溫藍寶石微波頻率源涉及的關(guān)鍵技術(shù)有藍寶石諧振器的設(shè)計、低溫系統(tǒng)設(shè)計、電路系統(tǒng)設(shè)計等。藍寶石諧振器是藍寶石諧振器是整個微波頻率源的核心。藍寶石諧振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，它由兩部分構(gòu)成:第一部分是一塊圓柱形的藍寶石單晶；第二部分是一個外腔。整個諧振器固定在低溫系統(tǒng)中。外腔上有兩個耦合器，實現(xiàn)外部電路和藍寶石晶體的相互作用。

圖6 低溫藍寶石諧振器的結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of sapphire resonator

低溫藍寶石微波頻率源的研究方向可分為三類，第一類關(guān)心的指標(biāo)是短期頻率穩(wěn)定度，主要研究內(nèi)容有低溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性、藍寶石諧振器的溫度補償、頻率鎖定控制電路；第二類關(guān)心的是相位噪聲，主要研究內(nèi)容有提高藍寶石諧振器的Q 值、低噪聲電路；第三類關(guān)心的是低溫藍寶石微波頻率源的實用性，主要研究內(nèi)容是提高低溫藍寶石微波頻率源的工作溫度。

澳大利亞、美國、法國（與歐空局合作）和日本等國都在開展相關(guān)的研究工作。國際上，西澳大利亞大學(xué)和法國在低溫藍寶石微波源研究一直處于領(lǐng)先地位，西澳大利亞大學(xué)發(fā)布其兩臺比對的結(jié)果，其頻率穩(wěn)定度為5.8E-16（τ=1s）。法國ULISS公司的商品化可搬運低溫藍寶石微波源，頻率穩(wěn)定度達到3E-15（τ=1s ～1d），已經(jīng)在歐洲深空探測VLBI 工程、計量實驗室、歐空局PHARAO 項目的法國圖盧茲站點等，ULISS 公司的低溫藍寶石微波源如圖7 所示［26-28］。

近年來，在超穩(wěn)激光和飛秒光梳方面的技術(shù)進步，使得利用飛秒光梳將超穩(wěn)激光傳遞到微波頻率成為可能。在光頻段，由于低吸收和散射作用，在室溫下諧振腔的品質(zhì)因數(shù)可以達到1E11，將激光鎖定到諧振腔上，可以使其在（1 ～10）s 間的頻率穩(wěn)定度達到約2E-16 的水平，將這種超穩(wěn)激光信號利用飛秒光梳傳遞到微波波段，便可以得到穩(wěn)定度性能極好的微波信號。激光超穩(wěn)微波信號產(chǎn)生原理如圖8 所示。2011年，美國NIST 利用518THz 和282THz 的兩個頻率穩(wěn)定度為7E-16/s 的超穩(wěn)激光信號與鎖模飛秒激光頻率梳進行拍頻，分別得到10GHz 微波信號，對兩個10GHz 信號進行頻率穩(wěn)定度和相位噪聲測量，如圖9 所示。

圖7 ULISS 公司的低溫藍寶石微波源實物圖Fig.7 The sapphire oscillator of ULISS company

圖8 激光超穩(wěn)微波信號產(chǎn)生原理圖Fig.8 The principle of ultra stable optical-cavity-based microwave source

測量得到兩個10GHz 信號的頻率穩(wěn)定度為8E-16/s，相位噪聲達到-104dBc/Hz@1Hz，遠端相位噪聲達到-157dBc/Hz，比目前性能最好的晶振經(jīng)無損耗變頻至10GHz 后的信號質(zhì)量提升60dB，如圖10 所示［29］。

德國MenloSystems 公司與英國國家物理實驗室NPL 合作研制了商品化的緊湊型光學(xué)參考系統(tǒng)ORS-Cubic，光學(xué)腔由超低膨脹系數(shù)（ULE）的玻璃制成，采用恒溫隔振設(shè)計，將真空腔、激光器、控制電路等集成在19 英寸機柜中，輸出超窄線寬、超高穩(wěn)定性的單色連續(xù)光，頻率穩(wěn)定度可達8E-16（τ=1s），通過飛秒光梳進行光學(xué)-微波頻率下轉(zhuǎn)換，可以將超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定性完美傳遞到超穩(wěn)微波。MenloSystems公司ORS-Cubic 超穩(wěn)激光源如圖11 所示［30］。

圖9 激光超穩(wěn)微波信號測量試驗圖Fig.9 The measurement of ultra stable optical-cavitybased microwave source

圖10 激光超穩(wěn)微波信號頻率穩(wěn)定度測量結(jié)果圖Fig.10 The measurement results of ultra stable opticalcavity-based microwave source

圖11 超穩(wěn)激光源實物圖Fig.11 Ultra stable optical-cavity-based microwave source

7 噴泉基準(zhǔn)鐘性能進入實用化階段

隨著激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，1995年法國計量局LPTF 首次實現(xiàn)了激光冷卻銫原子噴泉鐘，使原子鐘的工作原理發(fā)生了革命性的變化，準(zhǔn)確度提高到1.5E-15 ～2E-15。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，噴泉鐘作為各國的頻率計量基準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）、德國物理研究院（PTB）和中國計量院（NIM）都已將噴泉基準(zhǔn)鐘作為守時系統(tǒng)的基準(zhǔn)鐘，激光冷卻原子原理和NIST-F1 銫噴泉鐘如圖12 所示。美國海軍天文臺（USNO）已經(jīng)建成了四臺銣噴泉鐘并加入其守時鐘組中，并正在新研三臺用于其備份守時系統(tǒng)，USNO 的銣噴泉鐘如圖13 所示。

圖12 激光冷卻原子原理和NIST-F1 頻率基準(zhǔn)Fig.12 The principle of laser cooling atom and NIST-F1

美國NIST-F1 的頻率不確定度達到3E-16，巴黎天文臺SYRTE-FO2 噴泉鐘頻率不確定度已經(jīng)達到2.1E-16，英國物理實驗室的NPL-CsF2 的頻率不確定度降低到2.3E-16，中國計量院NIM5 的頻率不確定度為1.6E-15［31-34］。2018年對國際原子時TAI 有貢獻的銫噴泉頻率標(biāo)準(zhǔn)的不確定度見表7［35］。

噴泉鐘在世界主要計量實驗室已實用化，但是噴泉鐘的性能指標(biāo)仍然在應(yīng)用中不斷進步，可以預(yù)見在未來幾年，隨著人們對物理現(xiàn)象認(rèn)識的加深，噴泉鐘的指標(biāo)將進一步提升，達到微波鐘所能實現(xiàn)的極限，同時隨著噴泉鐘設(shè)計技術(shù)的不斷嫻熟，噴泉鐘的工程化應(yīng)用將會越來越廣泛。

圖13 美國海軍天文臺銣噴泉鐘組實物圖Fig.13 The ensemble of rubidium atomic fountain clock in UNSO

表7 2018 對TAI 貢獻的銫噴泉鐘頻率不確定度Tab.7 The uncertainty of cesium atomic fountain clock contributing TAI in 2018

8 結(jié)束語

我國在頻率標(biāo)準(zhǔn)的研究方面經(jīng)過幾十年的持續(xù)投入，傳統(tǒng)的氫、銣、銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)取得了引人注目的成績，尤其是銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，打破國外壟斷，為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供高精度的時間基準(zhǔn)，地面實用性銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)實現(xiàn)全面超越。但銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的可靠性穩(wěn)定性、氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性能有待進一步提高。銫噴泉鐘基準(zhǔn)方面已接近國際先進水平。時間頻率關(guān)系國家的安全，頻率標(biāo)準(zhǔn)是整個時間頻率的基石，加強時間頻率基礎(chǔ)建設(shè)，特別是原子物理、關(guān)鍵工藝、低噪聲核心器件等基礎(chǔ)研究，進一步推動我國時間頻率的發(fā)展。