什么是量子频率标准?

什么是量子频率标准?

[拼音]：liangzi pinlü biaozhun

[外文]：quantum frequency standard

能产生标准频率信号用来进行频率和时间测量的计量装置。它以原子（或分子、离子等，下同）内部量子跃迁的发射或吸收频率为参考标准。根据玻尔频率条件，原子在两个能量为Em和En的状态间发生跃迁时， 发射或吸收频率为v0的辐射

v0＝|Em－En|/h

式中 h为普朗克常数。由于原子内部状态不易受外界干扰，这种跃迁频率比较稳定。

发展简况

量子频标起源于波谱学研究。20世纪40年代，在气体波谱学研究中人们发现某些物质的波谱谱线不仅频率稳定，而且宽度很窄，可用以鉴别信号源频率的微小变动。于是开始以氨分子的反演吸收线(v0=23870兆赫)来控制无线电振荡频率的分子频率标准(1948年，美国国家标准局)。1954年发明氨分子微波激射器，其振荡信号具有极高的频谱纯度和频率稳定性，很快被用作频率标准（见量子电子学）。此后，用铯原子基态超精细跃迁谱线来自动锁定石英晶体振荡器的铯原子频标出现（1955年，英国国家物理研究所）。1960年激光问世以后，用单色性极好的激光信号作光频频率标准有了可能。在高性能稳频激光器和光频测量研究的基础上，人们正在研究新的光频标准。

应用

量子频标作为既准确又精密的频率、时间测量工具，在现代科学技术中的应用十分广泛。周期运动的频率和周期互为倒数，所以，频率标准也是时间标准。1967年，第13届国际计量大会决定，以无干扰的


Cs原子基态超精细跃迁的辐射周期的9192631770倍持续时间为国际时间单位的一秒。这个自然秒长由铯束原子频率标准来实现。连续运转的量子频标（原子钟）已作为主要的守时工具，与天文守时手段互相补充。在物理学的基础研究中，原子频标对精确测定物理常数，确定原子分子能级，检验量子电动力学和相对论理论都有重要贡献。在其他科学技术领域，如天文观察、大地测量、导航、通信、电视、卫星跟踪、电网调节、精密仪器校准、高速交通管制等方面、量子频标都发挥了重要作用。

依靠量子频标进行的频率时间测量，所能达到的准确度和精密度是现代一切物理量测量中最高的。因此，人们倾向于把其他各种物理量，如长度、电压、温度、电流强度、磁场强度等，通过一定关系转换为频率来进行测量。根据光速的确定数值以统一长度和时间的计量基准已经实现。因此，量子频标在现代计量学中占有特殊的重要地位。

种类

按工作方式不同，量子频标可分为被激型和自激型两种。

被激型频标

原子的跃迁靠外加辐射场激励。当辐射场频率接近于量子跃迁频率时，就能得到一条共振谱线，即可供鉴频之用。通过伺服电路，能把外加辐射场的频率稳定在共振谱线的中心频率上。在微波波段，一般采用频率为几兆赫的石英晶体振荡器，通过倍频综合，产生频率接近于量子跃迁频率的辐射场。其原理方框图见图1。按这类方式工作的典型频标有铯原子束频标、铷光抽运气泡式频标和被激型氢原子频标。各种稳频激光器原则上也是这样工作的，所不同的是外加辐射场直接由激光器产生（见量子频率标准器件）。

自激型频标

以原子系统产生的受激发射振荡信号为参考标准。为了产生激射振荡，必须设法使原子系统处于粒子数反转状态，并且在谐振腔中与辐射场相互作用。激射振荡信号往往很弱，而且原子跃迁频率不是测量所需的常用值，因此一般还采用锁相接收技术，靠量子振荡信号频率来锁定作为本机振荡信号源的石英振荡器频率。这类频标的整体原理方框图见图2。氢原子激射器频标是自激型频标的典型。此外，还有氨分子激射器和铷光抽运激射器等。

量子频标对原子系统有两个要求：一是量子跃迁信号大，信噪比高，谱线宽度小，频率适宜;其次是量子跃迁中心频率稳定，不易受环境变化的干扰。几种主要实用频标都选择单价原子(1H，


Rb，


Cs)的基态超精细能级间的跃迁，其频率分别为1420405751.768赫，6834682613赫和9192631770赫。

研究课题

量子频标研究中有两个重要课题。

压缩谱线的宽度

旨在使原子系统的鉴频作用非常敏锐。谱线增宽的主要原因有多普勒效应、原子碰撞，以及原子与辐射场相互作用时间有限等。为了克服这些因素造成的谱线增宽，可采用如原子束(铯束频标)、充缓冲气体（铷气泡频标）、器壁涂敷（氢激射器）等各种技术。在铯束频标中还使用分离辐射场共振技术，使跃迁信号出现非常尖锐的冉赛(Ramsey)花样（图3），中间峰的宽度可做到仅25赫，谱线Ql值（即中心频率与线宽之比，Ql＝v0/墹v）达3.5×108。而氢激射器的Ql可达2×109。压缩谱线宽度的方法还在不断发展，如离子储存和激光冷却等技术。

减小量子跃迁中心频率的移动

应用原子束、离子 储存等技术都有利于达到这一目的。

性能指标

量子频标的主要性能指标有频率稳定度和频率准确度。

频率稳定度

在一定测量取样时间内，不同取样间的相对频率变化。可以区分为短期(取样时间一天以内)和长期（取样时间一天以上）稳定度。造成频率的短期不稳的主要原因是频标内部的噪声，它可用噪声谱密度S(f)来表示，但通常用频率变化的方差来描述。频率的长期不稳主要是由环境因素的变化和频标内部参量的衰变引起的。

频率准确度

输出频率与标称频率的偏离程度，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，通过实验测量和理论计算，估计出各种已知因素引起的频率偏差的数值，并给出估算的不确定度，由此定出频标的准确度。现代多以实验室铯束频率标准为基准，最好的准确度为10-14 数量级。氢激射器频标能达到（1～2）×10-12 的准确度。一般的频率标准（二级频标或工作标准）的频率值靠频率基准或高一级标准校准，以及靠它的长期频率稳定性和重现性来保证准确度。

参考书目

P. Kartaschoff，Frequency and Time，Academic Press，New York，London，San Francisco，1978.