关于量子频率标准介绍

[拼音]：liangzi pinlü biaozhun

[外文]：quantum-frequency standard

以原子（或分子、离子等，以下简称原子）的吸收或发射谱线为基准的频率稳定的信号源作为测量频率和时间的标准，简称量子频标或原子频标。

原子谱线的中心频率v0由参与量子跃迁的上、下两能级的能量差Em－En=hv0决定，h是普朗克常数。因为原子的内部状态不易受外界干扰，所以跃迁频率高度稳定。

量子频标按作用原理可分为被激型和自激型两种。

（1）被激型。以外加电磁波激励使原子产生能级跃迁。当外加电磁波频率v接近于原子谱线的中心频率v0时，原子系统就产生共振吸收或共振发射(见共振光谱线)，其强度S与电磁波频率v的关系可用图1的曲线表示，此曲线称为波谱谱线。当外加电磁波的频率受低频调制时，输出信号的振幅和位相就取决于电磁波的频率v 与原子本征频率 v0之差v－v0的大小和符号，因此可用此低频输出信号的变化使石英振荡器产生的振荡频率锁定于原子跃迁频率v0上。在实际频标中，所用的石英振荡器的频率一般为几兆赫，通过倍频和频率综合技术把这个频率转换成接近原子跃迁的频率v0，后者一般处于微波波段。图2是这类装置的原理图。按这种被动型方式工作的典型频标有铯原子束频标，光抽运铷气泡频标等。

（2）自激型。直接由原子系统产生的受激发射的振荡信号为标准频率源。为了产生激射振荡，必须使原子系统上下能级处在粒子布居数反转状态，并在谐振腔中与辐射场相互作用。因为激射振荡产生的电磁波往往过于微弱，而且原子频率又不是通常测量中便于应用的整数值，所以一般用可检测微弱信号的锁相接收机接收量子振荡信号，经过相敏检波，滤波后加到压控振荡器上，使石英振荡器的振荡频率锁定到v0的某个分倍数上。自激型频标的方框图见图3。氢原子激射振荡器频标是这类的典型，此外还有氨分子激射振荡器和光抽运铷激射器等（见微波受激发射放大）。

现有的实用频标都以单价原子（1H、87Rb、133Cs）的基态超精细能级间的跃迁频率为参考，这些频率都处在微波波段， 分别有 1H为 1420405751.768Hz， 87Rb 为 6834683613Hz， 133Cs 为9192631770Hz。 为了在这些频率处得到强的吸收或发射谱线，必须对原子系统进行“选态”，使大多数原子处在所需的特定状态。在铯原子束频标和氢激射振荡器这类使用原子束的装置中，采用了“磁选态”的方法。因不同超精细能态的原子具有不同的有效磁矩，在强度不均匀磁场作用下，原子束按状态不同而沿不同轨道前进，从而可使所需状态的原子进入电磁波作用区（图4）。光抽运频标利用原子对特定频率光波的选择吸收而得到某一特定状态的原子，例如铷气泡频标。

激光问世以后，已经出现了利用某些物质的可见光波段的吸收谱线来稳定激光频率的方法，为可见光波段的频率标准显示了前景。现在用甲烷和碘分子的饱和吸收线稳频的氦氖激光器(波长分别为 3.39μm和633nm)已得到很好的稳频的效果。

因为目前光频综合技术还比较复杂，所以这类稳频激光器还不能作为一般频率测量的实用频标，但已在一些场合作为长度标准使用。

量子频标的主要性能指标是频率稳定度和准确度。

（1）频率稳定度。指在一定的测量取样时间内，各次取样的平均频率间的相对变化程度，可分为短期(取样时间一天以下)和长期(取样时间一天以上)稳定度。短期频率不稳主要来自频率源的噪声，可用噪声谱密度S(f)来描述，但通常用频率变化的相对方差来表示。图5是4种稳定频率源的稳定度 σ〔以相对方差表示〕 与取样时间 τ的典型关系曲线。长期频率不稳主要来自环境因素的变化和频标内部参量的改变。

（2）频率准确度。指输出频率偏离标称频率的程度，也用相对偏差表示。一级频率标准(也称频率基准)可以根据“秒”的定义值（无干扰的133Cs原子基态超精细跃迁的电磁场信号周期的 9192631770 倍）， 通过实验测量和理论计算，估计出各种因素造成的频率偏差的数值， 并给出估算的不确定度， 由此定出频标的准确度。目前国际上以实验室铯束频标为基准，最好的准确度已达到10-14数量级。氢激射器频标的准确度可达(1～2)×10-12。一般频率标准的频率值可借频率基准或高一级的频率标准校准，以后靠它的长期频率稳定度和重现性来保证其准确性。频标主要性能的提高在很大程度上依靠压缩原子谱线的宽度（见谱线增宽），减少各种物理因素所引起的谱线频率移动。为此，各种高分辨波谱和光谱的技术，都纷纷用于量子频标研究；另外，还要对辐射场与原子相互作用的各种细节有深入的和定量的了解。

量子频标作为精密、准确的频率和时间测量标准，不仅在现代科学技术（如守时、导航、通信、电视、制导、天文和大地观测、交通管理等）上有十分广泛的用途，而且对物理学基础研究也有重要意义，例如精密测定基本物理常数和原子、分子的能级结构，验证量子电动力学和相对论理论等。用量子频标进行的频率、时间测量，可以达到比其他物理量测量高得多的准确度和精确度。因此目前倾向于通过一定关系把其他物理量转换为频率来进行准确测量。

1983年10月，第17届国际计量大会通过长度标准，“米是1／299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度”，长度和时间的计量基准实现了统一。量子频标在现代计量学中具有特殊重要的地位。

参考书目

1. P.Kartaschoff，Frequency and Time，Academc Press，New York，London，San Francisco，1978.
2. 王义遒等著：《量子频标原理》，科学出版社，北京，1985。
3. 刘金铭、翟造成编：《现代计时学概论》，上海科学技术文献出版社，上海，1980。