精準(zhǔn)時(shí)間的利器：銣原子鐘 引言
在時(shí)頻的浩瀚戰(zhàn)場(chǎng)中，銣原子鐘猶如一把無(wú)堅(jiān)不摧的神秘武器，精準(zhǔn)同步著每一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，主宰著時(shí)間的脈搏。
銣原子鐘，這一強(qiáng)大的利器，以其超高的精度和穩(wěn)定性，在眾多關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)出無(wú)與倫比的威力。在航天航空領(lǐng)域，它是精密導(dǎo)航的“心臟”，為飛行器提供精準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)，確保位置的準(zhǔn)確性和飛行的安全性。在通信領(lǐng)域，它是一把鋒利的寶劍，斬?cái)鄷r(shí)間誤差的亂麻，保障信息的高效傳輸，讓數(shù)據(jù)傳遞得毫無(wú)偏差。在科學(xué)研究中，銣原子鐘更是一位可靠的戰(zhàn)友，為精密實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)，助力科學(xué)家們揭開(kāi)宇宙的奧秘。
無(wú)論是在廣袤的太空探索，還是在復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)中，亦或是在高深的科學(xué)研究前沿，銣原子鐘都以其卓越的綜合性能，成為時(shí)頻領(lǐng)域的中流砥柱。它就像一位沉默的守護(hù)者，時(shí)刻準(zhǔn)備著為時(shí)間的準(zhǔn)確性而戰(zhàn)，為各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的保障。選擇銣原子鐘，就是選擇了精準(zhǔn)與可靠，讓我們?cè)跁r(shí)間的戰(zhàn)場(chǎng)上無(wú)往不勝。
銣原子鐘的發(fā)展史
銣原子鐘的發(fā)展歷經(jīng)多個(gè)重要階段：20 世紀(jì) 50 年代是理論奠基階段。1950 年，法國(guó)物理學(xué)家阿爾弗雷德?卡斯特勒發(fā)明光抽運(yùn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原子特定超精細(xì)能級(jí)的集居，為銣原子鐘精確計(jì)時(shí)提供關(guān)鍵方法。隨后，1953 年美國(guó)的羅伯特?H?迪克發(fā)現(xiàn)氣泡內(nèi)原子與惰性氣體碰撞可降低超精細(xì)譜線展寬，提高原子譜線精度；1957 年德國(guó)-美國(guó)的漢斯?格奧爾格?德默爾特用光吸收法探測(cè)原子超精細(xì)躍遷信號(hào)，提升信號(hào)探測(cè)靈敏度；1958 年美國(guó)的 P.L. 本德等發(fā)明同位素濾光技術(shù)，改善光抽運(yùn)選態(tài)效果，提高銣原子鐘性能。20 世紀(jì) 60 年代進(jìn)入早期產(chǎn)品出現(xiàn)階段，美國(guó)誕生最早的銣鐘產(chǎn)品，標(biāo)志著從理論走向?qū)嶋H應(yīng)用，但性能、穩(wěn)定性不足，且體積大，主要用于科研和軍事領(lǐng)域。20 世紀(jì) 70 年代 - 80 年代是改進(jìn)與發(fā)展階段?？茖W(xué)家不斷改進(jìn)銣原子鐘的部件和技術(shù)，如優(yōu)化微波腔設(shè)計(jì)、提高抽運(yùn)光源穩(wěn)定性等，關(guān)鍵指標(biāo)逐步提升。同時(shí)，應(yīng)用領(lǐng)域從科研和軍事向民用拓展，在電信、電力、金融等行業(yè)成為重要時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)備。20 世紀(jì) 90 年代至今為快速發(fā)展階段。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求推動(dòng)星載銣原子鐘快速發(fā)展，各國(guó)投入資源研發(fā)。我國(guó)中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的梅剛?cè)A團(tuán)隊(duì)研制出了國(guó)際領(lǐng)先的星載銣原子鐘，其秒穩(wěn)定度進(jìn)入到-14量級(jí)。同時(shí)，微加工和電子技術(shù)促使銣原子鐘朝著小型化、高性能化和多應(yīng)用方向發(fā)展，出現(xiàn)了像成都同相科技有限公司的超高穩(wěn)銣原子鐘，超薄銣原子鐘，微型銣原子鐘和微波寬頻段自由輸出的銣原子鐘產(chǎn)品?？蒲腥藛T還在不斷探索新技術(shù)，從多方面優(yōu)化銣原子鐘的設(shè)計(jì)和制造工藝?？傊溤隅娫谛阅?、應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新等方面不斷取得突破，未來(lái)發(fā)展前景廣闊。
銣原子鐘的原理
在銣原子鐘中，銣原子的躍遷頻率穩(wěn)定性是保證其精度的核心“秘密”。它通過(guò)一系列精細(xì)的物理過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)從原子能級(jí)躍遷到微波頻率的穩(wěn)定輸出。
銣原子鐘利用銣-87（
87Rb）同位素的電子躍遷頻率作為標(biāo)準(zhǔn)。這一頻率基于銣-87的超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷，即銣原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)（F=1 和 F=2 能級(jí)）之間的躍遷。該躍遷頻率約為 6,834,682,610 Hz。這一頻率極其穩(wěn)定，受外部環(huán)境影響較小，因而適合作為時(shí)間基準(zhǔn)。超精細(xì)結(jié)構(gòu)是由原子的電子和原子核自旋相互作用引起的。銣原子的電子自旋和核自旋在不同方向上相互耦合，使得基態(tài)能級(jí)分裂為多個(gè)超精細(xì)能級(jí)?；诹孔恿W(xué)原理，這些分裂能級(jí)的躍遷頻率具有高度的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，為時(shí)間測(cè)量提供了可靠的基準(zhǔn)。
銣原子鐘使用 光泵浦技術(shù) 來(lái)將銣原子激發(fā)至某個(gè)特定的狀態(tài)。銣原子鐘中通常使用一個(gè)無(wú)極銣燈作為光泵浦光源。在高頻振蕩場(chǎng)中銣原子被電離激發(fā)，發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，這個(gè)波長(zhǎng)與銣-87的特定躍遷相對(duì)應(yīng)。光泵浦燈發(fā)出的光通過(guò)濾光片或?yàn)V光泡，選擇出與銣原子特定躍遷能級(jí)相匹配的波長(zhǎng)（大約 795 nm），以激發(fā)銣原子的最外層電子躍遷。當(dāng)光照射到銣原子時(shí)，銣原子的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。該激發(fā)態(tài)對(duì)應(yīng)于特定的自旋取向，使大多數(shù)銣原子躍遷至一個(gè)特定的超精細(xì)能級(jí)，從而達(dá)到“極化”狀態(tài)。這種光泵浦激發(fā)使得銣原子處于較高的能態(tài)（即“被泵浦”狀態(tài)），為接下來(lái)的微波激發(fā)做準(zhǔn)備。
銣原子鐘中使用微波腔產(chǎn)生一個(gè)與銣原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷頻率一致的微波場(chǎng)。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為 微波共振激發(fā)，微波腔通常是一個(gè)環(huán)形諧振腔，用于產(chǎn)生頻率約為6.834682610 GHz的微波場(chǎng)，以對(duì)應(yīng)于銣-87的超精細(xì)躍遷頻率。微波場(chǎng)使銣原子從光泵浦狀態(tài)中的高能級(jí)躍遷回低能級(jí)。根據(jù)量子力學(xué)的選擇定則，當(dāng)微波場(chǎng)的頻率與銣原子的超精細(xì)躍遷頻率匹配時(shí)，銣原子吸收微波能量并發(fā)生躍遷。這一躍遷會(huì)引發(fā)電子自旋的反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致銣原子從極化狀態(tài)返回初始的基態(tài)。由于躍遷是通過(guò)特定頻率的微波驅(qū)動(dòng)的，這種共振現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高檢測(cè)信號(hào)，可以用于微波頻率的精確鎖定。
微波共振的效果通過(guò) 光電探測(cè) 系統(tǒng)檢測(cè)，并提供反饋以控制微波頻率的穩(wěn)定性。在微波場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下躍遷回基態(tài)的銣原子會(huì)再次吸收泵浦光，隨后發(fā)射出新的光信號(hào)。這個(gè)光信號(hào)的強(qiáng)度被光電探測(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)與微波場(chǎng)共振頻率相關(guān)的輸出信號(hào)。當(dāng)探測(cè)到光信號(hào)的強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，反饋電路系統(tǒng)將調(diào)整微波源的頻率，確保微波場(chǎng)的頻率始終匹配銣原子的躍遷頻率。通過(guò)不斷調(diào)整，使得微波場(chǎng)與銣原子的超精細(xì)躍遷頻率保持鎖定，以提供一個(gè)穩(wěn)定的頻率輸出。
經(jīng)過(guò)光泵浦、微波共振激發(fā)和反饋控制，銣原子鐘可以輸出一個(gè)極為穩(wěn)定的微波頻率信號(hào)。這個(gè)信號(hào)可以通過(guò)電子控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間頻率信號(hào)，提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。銣原子鐘的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性通?？梢赃_(dá)到每月漂移在一毫秒量級(jí)以?xún)?nèi)，適用于通信、導(dǎo)航等高精度領(lǐng)域。
物理原理確保了銣原子鐘的頻率輸出不會(huì)輕易受到溫度、壓力等環(huán)境因素的干擾，使得銣原子鐘具有極高的時(shí)間測(cè)量精度和穩(wěn)定性。
成都同相的銣原子鐘物理結(jié)構(gòu)示意圖
成都同相科技有限公司潛心研究銣原子鐘的物理特性，在頻率穩(wěn)定度和天漂移等重點(diǎn)指標(biāo)有重大突破，并完成了STM-RB-N型銣原子鐘，STM-RB-H超高性能銣原子鐘，STM-RB-S超薄銣原子鐘，STM-RB-M微型銣原子鐘和STW-FS725通用型銣原子頻標(biāo)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。從頻率穩(wěn)定度，天漂移，頻譜范圍，尺寸功耗等多個(gè)維度達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平，滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。STM-RB-H型超高性能銣原子鐘頻率穩(wěn)定度最優(yōu)可達(dá)8E-15/day,天漂移達(dá)≤5E-14/day, STM-RB-M微型銣原子鐘尺寸達(dá)到50mm×50mm×19mm，重量?jī)H為110g。為解決用戶(hù)對(duì)多路不同信號(hào)的需求，STW-FS725通用型銣原子頻標(biāo)不僅具備低相噪的5MHz,10MHz信號(hào),還支持超低相噪的100MHz-1GHz頻率輸出。
上圖為成都同相STW-FS725輸出100MHz信號(hào)的相位噪聲曲線
成都同相的銣原子鐘內(nèi)還配備了高性能的數(shù)字信號(hào)處理器，能夠?qū)r(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行精確的捕捉和處理。通過(guò)低相噪頻率綜合，進(jìn)一步減小了微波電路噪聲對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響。內(nèi)置的自主智能馴服算法，可自由匹配外部參考PPS的抖動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步、頻率馴服與駕馭；通過(guò)不斷探索銣原子鐘的頻率漂移機(jī)制，利用長(zhǎng)期馴服數(shù)據(jù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，開(kāi)發(fā)出了高精度的主動(dòng)頻率漂移補(bǔ)償技術(shù)。這使得我們的原子鐘即使在沒(méi)有外部馴服的情況下，也能保持較低的漂移率，提高了自主守時(shí)能力。
成都同相銣原子鐘系列產(chǎn)品
成都同相超高性能銣鐘16天運(yùn)行原始數(shù)據(jù)（未啟用頻漂補(bǔ)償）
我們不僅在技術(shù)上不斷突破創(chuàng)新，還擁有強(qiáng)大的產(chǎn)品批產(chǎn)能力。我們的生產(chǎn)線采用自動(dòng)化制造技術(shù)，確保了每一臺(tái)銣原子鐘都能滿足高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。
通過(guò)對(duì)生產(chǎn)流程的精心設(shè)計(jì)和供應(yīng)鏈管理，成都同相確保產(chǎn)品效能高度一致。從原材料的采購(gòu)到最終產(chǎn)品的測(cè)試和校準(zhǔn)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都嚴(yán)格把控，產(chǎn)品出廠前還會(huì)對(duì)頻率穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度和環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵特性全面評(píng)估，測(cè)試。
我們理解不同客戶(hù)有不同的需求。因此，我們提供有針對(duì)性的定制化服務(wù)，以滿足您的特殊要求。無(wú)論是在尺寸、功耗還是性能上，我們都能提供量身定制的解決方案。
成都同相始終致力于將最尖端的時(shí)頻技術(shù)帶入市場(chǎng)，同時(shí)確保我們的生產(chǎn)能力能夠滿足客戶(hù)的需求。我們相信，通過(guò)與客戶(hù)的共同努力，銣原子鐘將成為推動(dòng)科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵力量。
