时间频率讲座.ppt

时间信息的传递 短波传递（我国呼号：BPM)，有专用的信道 长波传递（我国呼号：BPL） 低频时码（我国呼号：BPC） 导航卫星（美国GPS、欧州伽利略） 通讯卫星（卫星电视比对） 电话网络（国家授时中心、中国计量科学院） 计算机网络（国家授时中心、中国计量科学院） 飞机搬运钟（现在已较少采用） 时间信号的接收 短波接收机（专用短波接收机） 长波接收机（美国罗兰C接收机） 低频时码接收机（电波钟、电波表等） GPS卫星接收机 网络时间同步服务器 罗兰－C导航与授时系统 长波：100kHz的载波 由一个主台和若干个副台组成罗兰－C链，主台由美国海军天文台（USNO）的主钟控制，采用相位编码多脉冲发射方法和相关检测技术，具有授时能力。 罗兰－C接收机 被测信号100MHz 100kHz 信号 相位误差记录 罗兰－C (Loran-C)接收机 罗兰C－长波时间信号 目前时间频率标准向更高的基准频率 —— 光频率发展，光波频率（1014Hz)比微波频率（109Hz)要高五个数量级。 这就意味着可以把一秒的时间间隔分隔得更精细，因此采用光频率标准可望获得更高得精确度。 光学频率标准 光频率标准的优点 一个理想的稳频激光器的频率稳定度： τ 为平均时间，光频率标准的Q值比微波频率标准的Q值高5个数量级，光学频率标准取代微波频率标准是必然的趋势。 实现光频率标准的难点 1，没有任何电子设备可以直接测量光频率。 2，在光波段上只有少数间断的标准频率点。 3，如何与现有的微波频率标准联系。 俄罗斯I2稳频Nd:YAG激光器 532nm光学频率标准 光学频率标准的原理图 I2稳频YAG激光器的频率稳定度 冷原子系统的频率标准 D1:794nm a b 52S1/2 (I=3/2) 52P1/2 F=2 F=1 mF 2 1 0 -1 -2 -1 0 1 f0-0=6834MHz Rb87 A B 52S1/2 F=3 F=4 52P1/2 Rb85 (I=5/2) Rb铷原子能级图 52P1/2 52S1/2 a b F=2 F=1 Rb87 52P1/2 52S1/2 A B F=3 F=2 Rb85 f a b A B Rb87 Rb85 光谱灯 794.7nm滤光片 a ，b Rb87 滤光泡 Rb85 Rb87 吸收泡 b 微波信号 微波腔与磁场线圈 探测器 鉴频信号 光抽运型铷原子钟的原理图 光谱分布图 f I f0-0 光抽运型铷原子钟 工作原理图 倍频综合 晶体振荡器 前放 调制信号源 锁相放大器 分频器 输出标准频率 Rb原子钟物理系统 f0-0 Experimental apparatus of Rb maser atomic clock Rb atomic maser 小型化的铷(Rb)原子钟 铷原子钟的最大特点是可以小型化，可以作为搬运钟实现各地之间的时间同步。 Portable atomic clock 中国科学院武汉物理所王天眷教授 The Noble Prize in Physics 1989 Contribution for ion trap (离子阱） W.Paul (Bonn U.) H.G.Dehmelt (Washington U.) Construction of ion trap （Paul型的 离子阱） 离子阱装置的示意图 离子阱的外形图 美国NIST的199Hg+ 离子阱钟（Paul trap），可以在 40 GHz微波频率或 1.07 x 1015 Hz的光频率上工作 离子阱可以囚禁离子，但是离子在阱内小范围中作高频（几十MHz — GHz）高速的振荡运动，并非是完全静止的，即仍然存在热运动。 例如氢分子(H2)： 室温下（300K）的热运动速度为1100m/s 温度降低到3K时的热运动速度为110m/s 温度降低到30nK时的热运动速度为1.1cm/s The Nobel Prize in Physics 1997 激光冷却原子的工作 Steven Chu C.Cohen-Tannoudji W.D.Phillips 电磁波（或光波）对原子的作用力： 原子在电磁波作用下，产生诱导电偶极矩，作用能为： 如果原子处于不均匀电场中，梯度场将给予原子一个机械力： 散射力： 偶极力： F2 F1 ω 利用激光通过散射力和偶极力可以对原子进行减速，使原子速度分布变窄，平移温度要降低 — 激光对原子的减速（或致冷）。 速度分布宽度： 采用与原子运动相对的方向照射激光，因为考虑多普勒效应，激光频率须略低于原子的共振频率： a