精準時間的利器：銣原子鐘 引言
在時頻的浩瀚戰(zhàn)場中，銣原子鐘猶如一把無堅不摧的神秘武器，精準同步著每一個時間節(jié)點，主宰著時間的脈搏。
銣原子鐘，這一強大的利器，以其超高的精度和穩(wěn)定性，在眾多關鍵領域展現(xiàn)出無與倫比的威力。在航天航空領域，它是精密導航的“心臟”，為飛行器提供精準的時間信號，確保位置的準確性和飛行的安全性。在通信領域，它是一把鋒利的寶劍，斬斷時間誤差的亂麻，保障信息的高效傳輸，讓數(shù)據(jù)傳遞得毫無偏差。在科學研究中，銣原子鐘更是一位可靠的戰(zhàn)友，為精密實驗提供穩(wěn)定的時間基準，助力科學家們揭開宇宙的奧秘。
無論是在廣袤的太空探索，還是在復雜的通信網(wǎng)絡中，亦或是在高深的科學研究前沿，銣原子鐘都以其卓越的綜合性能，成為時頻領域的中流砥柱。它就像一位沉默的守護者，時刻準備著為時間的準確性而戰(zhàn)，為各個領域的發(fā)展提供堅實的保障。選擇銣原子鐘，就是選擇了精準與可靠，讓我們在時間的戰(zhàn)場上無往不勝。
銣原子鐘的發(fā)展史
銣原子鐘的發(fā)展歷經(jīng)多個重要階段：20 世紀 50 年代是理論奠基階段。1950 年，法國物理學家阿爾弗雷德?卡斯特勒發(fā)明光抽運技術，實現(xiàn)原子特定超精細能級的集居，為銣原子鐘精確計時提供關鍵方法。隨后，1953 年美國的羅伯特?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譜線展寬，提高原子譜線精度；1957 年德國-美國的漢斯?格奧爾格?德默爾特用光吸收法探測原子超精細躍遷信號，提升信號探測靈敏度；1958 年美國的 P.L. 本德等發(fā)明同位素濾光技術，改善光抽運選態(tài)效果，提高銣原子鐘性能。20 世紀 60 年代進入早期產(chǎn)品出現(xiàn)階段，美國誕生最早的銣鐘產(chǎn)品，標志著從理論走向?qū)嶋H應用，但性能、穩(wěn)定性不足，且體積大，主要用于科研和軍事領域。20 世紀 70 年代 - 80 年代是改進與發(fā)展階段?？茖W家不斷改進銣原子鐘的部件和技術，如優(yōu)化微波腔設計、提高抽運光源穩(wěn)定性等，關鍵指標逐步提升。同時，應用領域從科研和軍事向民用拓展，在電信、電力、金融等行業(yè)成為重要時間基準設備。20 世紀 90 年代至今為快速發(fā)展階段。衛(wèi)星導航系統(tǒng)的需求推動星載銣原子鐘快速發(fā)展，各國投入資源研發(fā)。我國中科院武漢物理與數(shù)學研究所的梅剛?cè)A團隊研制出了國際領先的星載銣原子鐘，其秒穩(wěn)定度進入到-14量級。同時，微加工和電子技術促使銣原子鐘朝著小型化、高性能化和多應用方向發(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，從多方面優(yōu)化銣原子鐘的設計和制造工藝。總之，銣原子鐘在性能、應用和技術創(chuàng)新等方面不斷取得突破，未來發(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”。它通過一系列精細的物理過程來實現(xiàn)從原子能級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準。這一頻率基于銣-87的超精細結構躍遷，即銣原子基態(tài)的兩個超精細能級（F=1 和 F=2 能級）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，因而適合作為時間基準。超精細結構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)能級分裂為多個超精細能級?；诹孔恿W原理，這些分裂能級的躍遷頻率具有高度的穩(wěn)定性和可重復性，為時間測量提供了可靠的基準。
銣原子鐘使用 光泵浦技術 來將銣原子激發(fā)至某個特定的狀態(tài)。銣原子鐘中通常使用一個無極銣燈作為光泵浦光源。在高頻振蕩場中銣原子被電離激發(fā)，發(fā)出特定波長的光，這個波長與銣-87的特定躍遷相對應。光泵浦燈發(fā)出的光通過濾光片或濾光泡，選擇出與銣原子特定躍遷能級相匹配的波長（大約 795 nm），以激發(fā)銣原子的最外層電子躍遷。當光照射到銣原子時，銣原子的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。該激發(fā)態(tài)對應于特定的自旋取向，使大多數(shù)銣原子躍遷至一個特定的超精細能級，從而達到“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)），為接下來的微波激發(fā)做準備。
銣原子鐘中使用微波腔產(chǎn)生一個與銣原子超精細結構躍遷頻率一致的微波場。這個過程稱為 微波共振激發(fā)，微波腔通常是一個環(huán)形諧振腔，用于產(chǎn)生頻率約為6.834682610 GHz的微波場，以對應于銣-87的超精細躍遷頻率。微波場使銣原子從光泵浦狀態(tài)中的高能級躍遷回低能級。根據(jù)量子力學的選擇定則，當微波場的頻率與銣原子的超精細躍遷頻率匹配時，銣原子吸收微波能量并發(fā)生躍遷。這一躍遷會引發(fā)電子自旋的反轉(zhuǎn)，導致銣原子從極化狀態(tài)返回初始的基態(tài)。由于躍遷是通過特定頻率的微波驅(qū)動的，這種共振現(xiàn)象會產(chǎn)生一個高檢測信號，可以用于微波頻率的精確鎖定。
微波共振的效果通過 光電探測 系統(tǒng)檢測，并提供反饋以控制微波頻率的穩(wěn)定性。在微波場驅(qū)動下躍遷回基態(tài)的銣原子會再次吸收泵浦光，隨后發(fā)射出新的光信號。這個光信號的強度被光電探測器測量，產(chǎn)生一個與微波場共振頻率相關的輸出信號。當探測到光信號的強度發(fā)生變化時，反饋電路系統(tǒng)將調(diào)整微波源的頻率，確保微波場的頻率始終匹配銣原子的躍遷頻率。通過不斷調(diào)整，使得微波場與銣原子的超精細躍遷頻率保持鎖定，以提供一個穩(wěn)定的頻率輸出。
經(jīng)過光泵浦、微波共振激發(fā)和反饋控制，銣原子鐘可以輸出一個極為穩(wěn)定的微波頻率信號。這個信號可以通過電子控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為標準的時間頻率信號，提供精確的時間基準。銣原子鐘的穩(wěn)定性和準確性通?？梢赃_到每月漂移在一毫秒量級以內(nèi)，適用于通信、導航等高精度領域。
物理原理確保了銣原子鐘的頻率輸出不會輕易受到溫度、壓力等環(huán)境因素的干擾，使得銣原子鐘具有極高的時間測量精度和穩(wěn)定性。
成都同相的銣原子鐘物理結構示意圖
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指標有重大突破，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通用型銣原子頻標的產(chǎn)品開發(fā)。從頻率穩(wěn)定度，天漂移，頻譜范圍，尺寸功耗等多個維度達到行業(yè)領先水平，滿足不同領域的應用需求。STM-RB-H型超高性能銣原子鐘頻率穩(wěn)定度最優(yōu)可達8E-15/day,天漂移達≤5E-14/day, STM-RB-M微型銣原子鐘尺寸達到50mm×50mm×19mm，重量僅為110g。為解決用戶對多路不同信號的需求，STW-FS725通用型銣原子頻標不僅具備低相噪的5MHz,10MHz信號,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)字信號處理器，能夠?qū)r鐘信號進行精確的捕捉和處理。通過低相噪頻率綜合，進一步減小了微波電路噪聲對頻率穩(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的抖動性能，實現(xiàn)時間同步、頻率馴服與駕馭；通過不斷探索銣原子鐘的頻率漂移機制，利用長期馴服數(shù)據(jù)進行自主學習，開發(fā)出了高精度的主動頻率漂移補償技術。這使得我們的原子鐘即使在沒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天運行原始數(shù)據(jù)（未啟用頻漂補償）
我們不僅在技術上不斷突破創(chuàng)新，還擁有強大的產(chǎn)品批產(chǎn)能力。我們的生產(chǎn)線采用自動化制造技術，確保了每一臺銣原子鐘都能滿足高質(zhì)量標準的要求。
通過對生產(chǎn)流程的精心設計和供應鏈管理，成都同相確保產(chǎn)品效能高度一致。從原材料的采購到最終產(chǎn)品的測試和校準，每一個環(huán)節(jié)都嚴格把控，產(chǎn)品出廠前還會對頻率穩(wěn)定性、準確度和環(huán)境適應性等關鍵特性全面評估，測試。
我們理解不同客戶有不同的需求。因此，我們提供有針對性的定制化服務，以滿足您的特殊要求。無論是在尺寸、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頻技術帶入市場，同時確保我們的生產(chǎn)能力能夠滿足客戶的需求。我們相信，通過與客戶的共同努力，銣原子鐘將成為推動科技進步和社會發(fā)展的關鍵力量。
