加利福尼亞州

[拼音]：liangzi pinlü biaozhun

[英文]：quantum-frequency standard

以原子（或分子、離子等，以下簡稱原子）的吸收或發射譜線為基準的頻率穩定的訊號源作為測量頻率和時間的標準，簡稱量子頻標或原子頻標。

原子譜線的中心頻率v0由參與量子躍遷的上、下兩能級的能量差Em－En=hv0決定，h是普朗克常數。因為原子的內部狀態不易受外界干擾，所以躍遷頻率高度穩定。

原理

量子頻標按作用原理可分為被激型和自激型兩種。

（1）被激型。以外加電磁波激勵使原子產生能級躍遷。當外加電磁波頻率v接近於原子譜線的中心頻率v0時，原子系統就產生共振吸收或共振發射(見共振光譜線)，其強度S與電磁波頻率v的關係可用圖1的曲線表示，此曲線稱為波譜譜線。當外加電磁波的頻率受低頻調製時，輸出訊號的振幅和位相就取決於電磁波的頻率v 與原子本徵頻率 v0之差v－v0的大小和符號，因此可用此低頻輸出訊號的變化使石英振盪器產生的振盪頻率鎖定於原子躍遷頻率v0上。在實際頻標中，所用的石英振盪器的頻率一般為幾兆赫，通過倍頻和頻率綜合技術把這個頻率轉換成接近原子躍遷的頻率v0，後者一般處於微波波段。圖2是這類裝置的原理圖。按這種被動型方式工作的典型頻標有銫原子束頻標，光抽運銣氣泡頻標等。

（2）自激型。直接由原子系統產生的受激發射的振盪訊號為標準頻率源。為了產生激射振盪，必須使原子系統上下能級處在粒子布居數反轉狀態，並在諧振腔中與輻射場相互作用。因為激射振盪產生的電磁波往往過於微弱，而且原子頻率又不是通常測量中便於應用的整數值，所以一般用可檢測微弱訊號的鎖相接收機接收量子振盪訊號，經過相敏檢波，濾波後加到壓控振盪器上，使石英振盪器的振盪頻率鎖定到v0的某個分倍數上。自激型頻標的方框圖見圖3。氫原子激射振盪器頻標是這類的典型，此外還有氨分子激射振盪器和光抽運銣激射器等（見微波受激發射放大）。

幾個實用頻標

現有的實用頻標都以單價原子（1H、87Rb、133Cs）的基態超精細能級間的躍遷頻率為參考，這些頻率都處在微波波段， 分別有 1H為 1420405751.768Hz， 87Rb 為 6834683613Hz， 133Cs 為9192631770Hz。 為了在這些頻率處得到強的吸收或發射譜線，必須對原子系統進行“選態”，使大多數原子處在所需的特定狀態。在銫原子束頻標和氫激射振盪器這類使用原子束的裝置中，採用了“磁選態”的方法。因不同超精細能態的原子具有不同的有效磁矩，在強度不均勻磁場作用下，原子束按狀態不同而沿不同軌道前進，從而可使所需狀態的原子進入電磁波作用區（圖4）。光抽運頻標利用原子對特定頻率光波的選擇吸收而得到某一特定狀態的原子，例如銣氣泡頻標。

鐳射問世以後，已經出現了利用某些物質的可見光波段的吸收譜線來穩定鐳射頻率的方法，為可見光波段的頻率標準顯示了前景。現在用甲烷和碘分子的飽和吸收線穩頻的氦氖鐳射器(波長分別為 3.39μm和633nm)已得到很好的穩頻的效果。

因為目前光頻綜合技術還比較複雜，所以這類穩頻鐳射器還不能作為一般頻率測量的實用頻標，但已在一些場合作為長度標準使用。

效能指標

量子頻標的主要效能指標是頻率穩定度和準確度。

（1）頻率穩定度。指在一定的測量取樣時間內，各次取樣的平均頻率間的相對變化程度，可分為短期(取樣時間一天以下)和長期(取樣時間一天以上)穩定度。短期頻率不穩主要來自頻率源的噪聲，可用噪聲譜密度S(f)來描述，但通常用頻率變化的相對方差來表示。圖5是4種穩定頻率源的穩定度 σ〔以相對方差

表示〕 與取樣時間 τ的典型關係曲線。長期頻率不穩主要來自環境因素的變化和頻標內部參量的改變。

（2）頻率準確度。指輸出頻率偏離標稱頻率的程度，也用相對偏差表示。一級頻率標準(也稱頻率基準)可以根據“秒”的定義值（無干擾的133Cs原子基態超精細躍遷的電磁場訊號週期的 9192631770 倍）， 通過實驗測量和理論計算，估計出各種因素造成的頻率偏差的數值， 並給出估算的不確定度， 由此定出頻標的準確度。目前國際上以實驗室銫束頻標為基準，最好的準確度已達到10-14數量級。氫激射器頻標的準確度可達(1～2)×10-12。一般頻率標準的頻率值可借頻率基準或高一級的頻率標準校準，以後靠它的長期頻率穩定度和重現性來保證其準確性。頻標主要效能的提高在很大程度上依靠壓縮原子譜線的寬度（見譜線增寬），減少各種物理因素所引起的譜線頻率移動。為此，各種高分辨波譜和光譜的技術，都紛紛用於量子頻標研究；另外，還要對輻射場與原子相互作用的各種細節有深入的和定量的瞭解。

用途

量子頻標作為精密、準確的頻率和時間測量標準，不僅在現代科學技術（如守時、導航、通訊、電視、制導、天文和大地觀測、交通管理等）上有十分廣泛的用途，而且對物理學基礎研究也有重要意義，例如精密測定基本物理常數和原子、分子的能級結構，驗證量子電動力學和相對論理論等。用量子頻標進行的頻率、時間測量，可以達到比其他物理量測量高得多的準確度和精確度。因此目前傾向於通過一定關係把其他物理量轉換為頻率來進行準確測量。

1983年10月，第17屆國際計量大會通過長度標準，“米是1／299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度”，長度和時間的計量基準實現了統一。量子頻標在現代計量學中具有特殊重要的地位。

參考書目

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

王義遒等著：《量子頻標原理》，科學出版社，北京，1985。

劉金銘、翟造成編：《現代計時學概論》，上海科學技術文獻出版社，上海，1980。