构建中国自己的时间频率计量体系

时间频率是国际单位制七个基本量之一。时间频率计量不仅准确度高，而且可借助电磁波发播传递溯源而保持很高的准确度。这一方面意味着*终用户可以减少中间传递层次，以较低的代价获得高准确的溯源；另一方面也奠定了现代导航技术的基础。

时间频率标准在计量学中占据了独特的重要地位。长度基本单位米(m)、电学重要单位伏特(V)都直接以频率定义。许多其他测量量(如距离、温度、力、位移、加速度等)常常转化到频率量测量以提高测量准确度。

时间频率计量是科学研究和国民经济建设的重要技术支持，又和人民群众的日常生活密切相关。时间频率在现代天文学、物理学等前沿基础研究中扮演着重要的角色。在现代科学中具有重大意义的爱因斯坦相对论，其许多相关实验要依靠高精度时间频率测量验证；深空探测、基本物理常数的精确测定，以及天文学、地质、地貌的研究等，原子钟都成为不可或缺的重要工具。当今世界原子钟获得愈来愈广泛的工业应用，重要性也愈益显著，特别是在导航和通讯领域。如果通信网络频率时间标准停止工作，光纤通信网络将瘫痪，我们就会发现所有的计算机都不能上网，我们也将无法拨打长途电话。手机机站间由于频率时间无法同步，也将无法正常工作。

现在获得广泛应用的GPS全球定位系统，是卫星技术与时间发播系统结合的产物。该系统在全球分布的24颗准同步卫星，通过放置在卫星上的原子钟和地面站内高性能守时原子钟形成时间发播系统。地面站的高性能守时原子钟组产生连续运行的时间校准卫星上的原子钟。由于原子钟提供了高精度的时间体系，GPS距离定位精确到几米才成为可能。

我们不难看出，建立独立自主的时间频率计量体系关系到国家基础科学、国民经济、国防建设的核心利益。由于卫星定位导航系统其不言而喻的国防意义和经济价值，目前,我国已经开始建立自己的北斗卫星定位导航系统。

科研小组研制的“激光冷却铯原子喷泉时间频率基准装置”是中国时间频率的源头，也为中国的北斗卫星导航系统提供了时间频率的基础技术支持。中国计量科学研究院通过多台商品守时原子钟保持中国法定的原子时。该原子时在参与国际原子时协作的同时，定期由激光冷却铯原子喷泉时间频率基准装置进行校准。中国计量科学研究院通过放置在中央电视台的铯钟同步电视副载波信号，向全国发播标准时间频率信号。计量院也通过GPS卫星授时、电话授时、Internet网络授时等手段，传递各层次用户所需的准确时间，为国民经济和国防建设服务。

“激光冷却铯原子喷泉时间频率基准装置”通过校准计量院的守时钟组，提高计量院的守时钟组在国际原子时协作中的权重，同时作为时间频率的溯源源头，保持中国时间频率体系独立准确运行。

NIM4铯原子喷泉钟是采用当今国际*先进的激光冷却-原子喷泉原理实现的时间频率基准。激光冷却原子技术1997年获得诺贝尔物理奖，可将常温下原子200多米每秒的运动速度降低为几厘米每秒，相当于冷却到温度只有**零度的百万分之几度。

用激光将原子冷却是整个课题的关键环节，原子冷却温度越低，得到的原子数越多，信噪比越好。但是，很长一段时间都无法使原子的冷却温度下降。李天初一筹莫展，陷入困境。他说他现在回想起来，还能深切地体会到那时的沮丧。他积*查找资料，请教专家。*后，他和课题组发现，原子冷却光束的直径不够大，在原子冷却的后阶段飞出冷却光的光束范围，导致冷却不充分。将光束直径加大后，难题迎刃而解。
在实现冷却原子云后，接下来就是上抛原子，形成喷泉，只有形成上抛下落的喷泉运动，原子才可能与在磁光阱上方40厘米处微波腔中的微波相互作用。然而，好事多磨，新的问题又出现了，实验发现探测到上抛下落原子的信号远低于锁定频率需要的信噪比，并且有时上抛下落信号比较好，有时上抛下落信号不好。开始时一两个月都没有找到确切的原因，因为实验所用的仪器设备和部件非常多，每个仪器设备、部件甚至连线都可能出问题，特别是每个仪器设备和部件的性能指标虽然都是相当不错的，但激光冷却原子这种高度**的实验中，其技术指标是否够用我们没有经验，只能靠反复实验，一点一点查，一点一点摸索总结。从自由下落实验看冷却光系统和探测系统都工作正常，李天初通过再三分析，认为信噪比不好的问题还在于激光稳频的调制频率过低。将调制频率从1kHz提高到80kHz，果然信号质量大幅度提高。

类似这种过后看似简单的一个又一个难题在科研过程中不断出现，*大地挑战着一个科学家的智慧和毅力。

凭着在困难面前永不言退的精神，在NIM4和NIM5铯原子喷泉钟的研制中，提出并成功实现了一系列自主创新的方案和技术:如利用声光效应实现频率方波调制-偏移，从而实现频率数字锁定，这种新激光稳频方案输出无调制激光，提高原子俘获-冷却效率10%；在方波采样中采用正负数据交替伺服锁定的新思路，实现一个喷泉周期一次伺服锁定, 比之传统的两个喷泉周期一次伺服提高锁定占空比一倍, 改善了喷泉钟锁定稳定度；用保偏光纤耦合器实现光的传输和分光等。

自2008年10月至今，NIM5钟的运转率达到99%，与国际*高水平(法、美、德)相当；2009年，NIM5钟*新评定不确定度达到3×10-15，进入国际第二梯队前列。

NIM4和NIM5铯原子喷泉钟的研究集中了当代国际一系列*新科学技术成果，代表了中国计量科学前沿研究的水平。NIM4和NIM5铯原子喷泉钟的研制成功表明中国时间频率基准研究进入当今世界先进水平, 标志着中国成为国际少数具有独立完整时间频率计量体系的国家之一，作出了重要贡献。