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解开时间的秘密
2010-12-26 18:28  

  红外激光激发时间“喷泉”

  在中国计量科学院,记者眼前的这台NIM5基准钟由激光光学、真空物理和微波测控三部分构成,各部分之间通过光纤和电缆连接。这台长相“奇特” 的基准钟耗费了科研团队5年心血。李天初表示:“严格来说,这其实是一个钟的核心部分。一个普通意义上的钟应该由振荡器、显示器和计数器三部分组成,而后两部分相对比较简单,NIM5喷泉基准装置只是振荡器,它向外输出一个准确基准频率。”

  铯冷原子钟又被人们形象的称作“喷泉钟”,因为铯原子钟的工作过程是铯原子像喷泉一样的“升降”。这一运动使得频率的测量更加精确。这个过程可以分割为四个阶段:

  第一阶段 在真空室中的铯原子气体,由3对相互垂直的红外线激光照射,运动速度不断降低,温度随之降低,最终被冷却到接近绝对零度。此时的铯原子气是一团极冷的圆球状气体云。

  第二阶段 两束垂直的激光轻轻地将这个铯原子气球向上抛出,形成“喷泉”式的运动,然后关闭所有的激光器。这个很小的推力将使铯原子气球向上举起约1m高,穿过一个充满微波的铯原子钟的微波腔,这时铯原子从微波中吸收了能量,原子从超精细能级低态被激发到量子叠加态。

  第三阶段 在地心引力的作用下,铯原子气球开始向下落,再次穿过微波腔,与微波相互作用完成一次超精细能级跃迁。实现了微波对铯原子的原子状态的部分改变。

  第四阶段 在微波腔的出口处,另一束激光射向铯原子气,探测器将对辐射出的荧光的强度进行测量。当在微波腔中发生状态改变的铯原子与激光束再次发生作用时就会

  放射出光能。同时,一个探测器对这一荧光柱进行测量。

  上述过程将多次重复进行,而每一次微波腔中的频率都不相同,直到达到出现最大数目的铯原子荧光柱。这个频率点即是用来确定秒定义的铯原子的天然共振频率。

  为了锁定这个频率,上述喷泉过程将重复进行。长时间平均可以得到一个稳定度和准确度很高的微波频率。这个频率就是复现的铯原子的天然共振频率,或确定秒长的频率。

 

 
 

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