[拼音]：liangzi pinlü biaozhun

[外文]：quantum frequency standard

能產(chǎn)生標準頻率信號用來進行頻率和時間測量的計量裝置。它以原子（或分子、離子等，下同）內(nèi)部量子躍遷的發(fā)射或吸收頻率為參考標準。根據(jù)玻爾頻率條件，原子在兩個能量為E_m和E_n的狀態(tài)間發(fā)生躍遷時， 發(fā)射或吸收頻率為v₀的輻射

v₀＝|E_m－E_n|/h

式中 h為普朗克常數(shù)。由于原子內(nèi)部狀態(tài)不易受外界干擾，這種躍遷頻率比較穩(wěn)定。

發(fā)展簡況

量子頻標起源于波譜學研究。20世紀40年代，在氣體波譜學研究中人們發(fā)現(xiàn)某些物質(zhì)的波譜譜線不僅頻率穩(wěn)定，而且寬度很窄，可用以鑒別信號源頻率的微小變動。于是開始以氨分子的反演吸收線(v₀=23870兆赫)來控制無線電振蕩頻率的分子頻率標準(1948年，美國國家標準局)。1954年發(fā)明氨分子微波激射器，其振蕩信號具有極高的頻譜純度和頻率穩(wěn)定性，很快被用作頻率標準（見量子電子學）。此后，用銫原子基態(tài)超精細躍遷譜線來自動鎖定石英晶體振蕩器的銫原子頻標出現(xiàn)（1955年，英國國家物理研究所）。1960年激光問世以后，用單色性極好的激光信號作光頻頻率標準有了可能。在高性能穩(wěn)頻激光器和光頻測量研究的基礎(chǔ)上，人們正在研究新的光頻標準。

應(yīng)用

量子頻標作為既準確又精密的頻率、時間測量工具，在現(xiàn)代科學技術(shù)中的應(yīng)用十分廣泛。周期運動的頻率和周期互為倒數(shù)，所以，頻率標準也是時間標準。1967年，第13屆國際計量大會決定，以無干擾的Cs原子基態(tài)超精細躍遷的輻射周期的9192631770倍持續(xù)時間為國際時間單位的一秒。這個自然秒長由銫束原子頻率標準來實現(xiàn)。連續(xù)運轉(zhuǎn)的量子頻標（原子鐘）已作為主要的守時工具，與天文守時手段互相補充。在物理學的基礎(chǔ)研究中，原子頻標對精確測定物理常數(shù)，確定原子分子能級，檢驗量子電動力學和相對論理論都有重要貢獻。在其他科學技術(shù)領(lǐng)域，如天文觀察、大地測量、導航、通信、電視、衛(wèi)星跟蹤、電網(wǎng)調(diào)節(jié)、精密儀器校準、高速交通管制等方面、量子頻標都發(fā)揮了重要作用。

依靠量子頻標進行的頻率時間測量，所能達到的準確度和精密度是現(xiàn)代一切物理量測量中最高的。因此，人們傾向于把其他各種物理量，如長度、電壓、溫度、電流強度、磁場強度等，通過一定關(guān)系轉(zhuǎn)換為頻率來進行測量。根據(jù)光速的確定數(shù)值以統(tǒng)一長度和時間的計量基準已經(jīng)實現(xiàn)。因此，量子頻標在現(xiàn)代計量學中占有特殊的重要地位。

種類

按工作方式不同，量子頻標可分為被激型和自激型兩種。

被激型頻標

原子的躍遷靠外加輻射場激勵。當輻射場頻率接近于量子躍遷頻率時，就能得到一條共振譜線，即可供鑒頻之用。通過伺服電路，能把外加輻射場的頻率穩(wěn)定在共振譜線的中心頻率上。在微波波段，一般采用頻率為幾兆赫的石英晶體振蕩器，通過倍頻綜合，產(chǎn)生頻率接近于量子躍遷頻率的輻射場。其原理方框圖見圖1。按這類方式工作的典型頻標有銫原子束頻標、銣光抽運氣泡式頻標和被激型氫原子頻標。各種穩(wěn)頻激光器原則上也是這樣工作的，所不同的是外加輻射場直接由激光器產(chǎn)生（見量子頻率標準器件）。

自激型頻標

以原子系統(tǒng)產(chǎn)生的受激發(fā)射振蕩信號為參考標準。為了產(chǎn)生激射振蕩，必須設(shè)法使原子系統(tǒng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且在諧振腔中與輻射場相互作用。激射振蕩信號往往很弱，而且原子躍遷頻率不是測量所需的常用值，因此一般還采用鎖相接收技術(shù)，靠量子振蕩信號頻率來鎖定作為本機振蕩信號源的石英振蕩器頻率。這類頻標的整體原理方框圖見圖2。氫原子激射器頻標是自激型頻標的典型。此外，還有氨分子激射器和銣光抽運激射器等。

量子頻標對原子系統(tǒng)有兩個要求：一是量子躍遷信號大，信噪比高，譜線寬度小，頻率適宜;其次是量子躍遷中心頻率穩(wěn)定，不易受環(huán)境變化的干擾。幾種主要實用頻標都選擇單價原子(¹H，Rb，Cs)的基態(tài)超精細能級間的躍遷，其頻率分別為1420405751.768赫，6834682613赫和9192631770赫。

研究課題

量子頻標研究中有兩個重要課題。

壓縮譜線的寬度

旨在使原子系統(tǒng)的鑒頻作用非常敏銳。譜線增寬的主要原因有多普勒效應(yīng)、原子碰撞，以及原子與輻射場相互作用時間有限等。為了克服這些因素造成的譜線增寬，可采用如原子束(銫束頻標)、充緩沖氣體（銣氣泡頻標）、器壁涂敷（氫激射器）等各種技術(shù)。在銫束頻標中還使用分離輻射場共振技術(shù)，使躍遷信號出現(xiàn)非常尖銳的冉賽(Ramsey)花樣（圖3），中間峰的寬度可做到僅25赫，譜線Q_l值（即中心頻率與線寬之比，Q_l＝v₀/??v）達3.5×10⁸。而氫激射器的Q_l可達2×10⁹。壓縮譜線寬度的方法還在不斷發(fā)展，如離子儲存和激光冷卻等技術(shù)。

減小量子躍遷中心頻率的移動

應(yīng)用原子束、離子　儲存等技術(shù)都有利于達到這一目的。

性能指標

量子頻標的主要性能指標有頻率穩(wěn)定度和頻率準確度。

頻率穩(wěn)定度

在一定測量取樣時間內(nèi)，不同取樣間的相對頻率變化。可以區(qū)分為短期(取樣時間一天以內(nèi))和長期（取樣時間一天以上）穩(wěn)定度。造成頻率的短期不穩(wěn)的主要原因是頻標內(nèi)部的噪聲，它可用噪聲譜密度S(f)來表示，但通常用頻率變化的方差來描述。頻率的長期不穩(wěn)主要是由環(huán)境因素的變化和頻標內(nèi)部參量的衰變引起的。

頻率準確度

輸出頻率與標稱頻率的偏離程度，也用相對偏差表示。一級頻率標準（也稱頻率基準）可以根據(jù)秒的定義值，通過實驗測量和理論計算，估計出各種已知因素引起的頻率偏差的數(shù)值，并給出估算的不確定度，由此定出頻標的準確度?，F(xiàn)代多以實驗室銫束頻率標準為基準，最好的準確度為10^-14 數(shù)量級。氫激射器頻標能達到（1～2）×10^-12 的準確度。一般的頻率標準（二級頻標或工作標準）的頻率值靠頻率基準或高一級標準校準，以及靠它的長期頻率穩(wěn)定性和重現(xiàn)性來保證準確度。

參考書目

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

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標簽：量子頻率標準

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文章名稱：《量子頻率標準》

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