王義遒

(北京大學信息科學技術學院電子學系，北京 100871)

1 引 言

1999年7月，由中國計量測試學會時間頻率專業(yè)委員會、中國天文學會時間頻率專業(yè)委員會、中國宇航學會計量與測試專業(yè)委員會和中國全球定位系統(tǒng)技術應用協(xié)會授時與時間專業(yè)委員會共同發(fā)起并聯(lián)合舉辦的全國時間頻率學術年會在青島召開(屬原由計量測試學會主持的第六次全國時間頻率學術報告會)以來，每兩年輪流由一個專業(yè)委員會主持承辦，至2019年正好滿20周年。這是很值得紀念的，它標志著我國時間頻率界的大聯(lián)合、大團結，也體現(xiàn)著這20年來中國時間頻率領域研發(fā)工作的大進步、大發(fā)展！

以研制原子鐘(頻標)為代表的中國時間頻率技術發(fā)展道路十分曲折，大體經(jīng)歷了三個時期：上世紀六七十年代的初創(chuàng)期，八九十年代的停滯期，和本世紀這二十年的大發(fā)展期。

目前，我國正在研制的原子鐘種類齊全，以銣、氫、銫為代表的實用原子鐘生產(chǎn)已基本實現(xiàn)，星載銣鐘穩(wěn)定度水平已處于國際前列，上海光機所創(chuàng)造了人類第一次將冷原子鐘搭載在空間站上實驗運行的紀錄。各類授時系統(tǒng)都已建立，北斗全球衛(wèi)星定位導航授時系統(tǒng)即將提前完成計劃。

但是，我們在時頻領域主要核心設備原子鐘的研制和守時、授時的體制與測試方法基本處于跟隨狀態(tài)，缺乏自主創(chuàng)新；實用原子鐘除銣鐘發(fā)展較好外，均需進一步提高性能指標，特別是在可靠性和壽命方面還要經(jīng)受長期考驗，個別元器件(如作為原子選態(tài)和檢測用的半導體激光器、磁選態(tài)銫束管中的電子倍增器)和關鍵技術尚待繼續(xù)攻關；大量精密測試設備還依賴進口?？梢哉f，我國實用原子鐘和時間頻率測試設備的生產(chǎn)尚處在需要進一步開發(fā)和工藝規(guī)范化與產(chǎn)業(yè)整合的階段。當前正在建設的國家時間頻率體系還不能完全做到“獨立自主”，依然存在著部門分割、分散，難以實現(xiàn)真正“統(tǒng)一”的局面。

為了使中國真正成為時間頻率強國，滿足中華民族偉大復興所提出的基本科技發(fā)展需求，以下幾點是至關重要的。

1)在提高現(xiàn)有或未來原子鐘性能指標上還有一些重要的基礎物理與工藝技術問題尚需挖掘與探索；

2)經(jīng)濟活動，特別是國防建設需要更為精準的時頻服務；

3)為驗證基礎物理理論與物理常數(shù)隨時空變化的研究需要提供極端精密的時頻服務；

4)為重建新的秒定義和建立在物理常數(shù)上的計量單位新定義的復現(xiàn)與實施取得中國的話語權。

因此我們還要不懈努力，一方面在基礎研究狠下功夫，爭取做出原始創(chuàng)新，另一方面，還要在工藝技術上精益求精，以求在原子鐘和時間頻率領域做出我國獨特的創(chuàng)新貢獻。

本文結合我國早期原子鐘發(fā)展歷程對此展開一些敘事性的闡述和議論。

2 我國早期原子鐘研制

在“我國原子時頻事業(yè)早期回顧一隅”[1]一文中可以看到，早期原子鐘研究者都是從基本物理原理開始，一步一個腳印地走過來的。

2.1 束管研究解決真空問題

1960年前后，我國一些科研機構和高校對做銫、氫、銣三種實用原子鐘在物理技術上已有一些準備，但困難極大。1956年，丁渝先生從加拿大回國，加盟中科院原子能所。他一方面在北京大學兼職，創(chuàng)辦了波譜學專門化，帶著一批青年教師與學生，在中國首次觀察到了核磁共振、電子順磁共振和核四極矩共振信號。這是原子頻標的物理基礎。另一方面，他在原子能所開始設計銫原子束裝置，以便開展原子核磁矩和銫原子束頻率基準的研究。1959年，計量院會同清華物理教研組設計制造銫束管的計劃因難度太大而下馬，丁渝先生帶著青年研究人員吳蒼生等人一面開始進行鈉原子的光磁雙共振研究，一面則設計制造了一支由銅板焊接而成、長不到2m的方形銫束管裝置，我們稱其為“銅棺材”。由于當時焊接和真空技術不過關，直到1966年前，真空度始終達不到要求，后來觀察到銫束射頻躍遷信號。丁渝先生是中國波譜學的鼻祖，“波譜學”的名稱就是他在參與國家“12年科學技術發(fā)展規(guī)劃”時確定的。他奠定了我國銫束和汽室頻標的第一塊基石。

2.2 高度重視工藝技術研究

1960年，王天眷克服困難輾轉西歐回國，到中科院武漢物理數(shù)學所(當時稱“中南物理所”)，繼續(xù)他與湯斯合作的氨分子鐘研究工作。不久上海天文臺也開始研制氨分子鐘。1963年前后，當認識到氨分子鐘性能指標難以提高后，較快地轉向了1960年由Ramsey等人發(fā)明的氫原子激射器的研制。他們以工藝為先抓研制。1963年，筆者第一次參觀中南物理所時，王天眷先生非常自豪地介紹工廠里一名技工用滾珠拋磨得十分光滑的21cm諧振腔內(nèi)壁，從而可以獲得幾萬Q值。這是產(chǎn)生“激射”的先決條件。可見他對精益求精的工藝技術和工匠精神的尊重。

2.3 光抽運汽室原子鐘研究

1961年，上海光機所(原“中科院電子學研究所”)王育竹從蘇聯(lián)研究生畢業(yè)回國，繼續(xù)從事其在蘇聯(lián)科學院電子學研究所的光抽運鈉原子汽室頻標的研究工作，從籌建實驗裝置觀察光磁共振信號開始，最終做成一臺鈉原子鐘。因鈉原子鐘性能不夠好，70年代初轉向研制銣汽室頻標。1972年與上海國榮燈具廠聯(lián)合研制成功我國第一臺銣頻標。

1961年，筆者從蘇聯(lián)讀研究生畢業(yè)回國，在北大化學系徐光憲教授和中科院化學所錢人元教授的支持下，舉辦了一個“核磁共振在化學中應用”討論班。當時，波譜學專門化屬于無線電物理專業(yè)，設在無線電電子學系。1963年，北大無線電系主體遷到昌平分校，筆者與化學系和化學所的聯(lián)系不便，只好轉向?qū)ふ覈姥芯宽椖?。筆者曾以莫斯科大學普羅霍洛夫為導師，他是氨分子鐘的發(fā)明人之一，1964年獲諾貝爾物理學獎，對波譜學在研制原子頻標中的重要作用有所了解。當時正是光抽運汽室頻標的初創(chuàng)期，而我們教研室對開展光抽運磁共振工作已有相當基礎，于是決心轉向原子頻標研究方向。由于這類原子頻標是一種用原子躍遷頻率鎖定石英晶體振蕩器頻率的自動控制裝置，筆者利用暑期自學了自動控制與頻率控制理論，大體上理解了這種頻標的設計原理。此后，我們與國內(nèi)兄弟單位進行合作，做原子鐘總體設計和物理部分的研制。

1963年10月，由于87Rb和85Rb兩種同位素，當時國內(nèi)沒有，如從英國購買，價格昂貴，且到貨期長。因此決定立即從銫原子入手開展工作。由于當時沒有更高的標準可用來進行比對，1965年底我們完成了三臺同樣的樣機，采用“三角帽”兩兩互比的方法得到最好短期穩(wěn)定度為5×10-11的結果(或說600年不差1s)。

研制過程中，對銫燈泡的發(fā)光顏色曾有過較大爭論。過去我們做光磁共振都以鈉原子為樣品，它發(fā)出的兩條589.0nm和589.6nm黃線很容易用肉眼辨認；而銫燈泡兩條有用的894.3nm和852.1nm譜線是紅外線，人眼看不見。在高頻無極放電下看到的是白光、渾濁白光或玫瑰色光，且強弱可變。究竟何種為好，我們決定通過科學實驗來解決。將銫燈搬到物理系光譜儀上做實驗，發(fā)現(xiàn)還是暗玫瑰色的燈銫譜線最強。后來用光抽運光檢測來檢驗證明也如此。但銫、銣、氫的共振光要么在紅外，要么在紫外，為什么頻標用的抽運光源和氫離解器發(fā)出的光都以玫瑰色為最好？筆者翻閱了多本氣體放電的資料，不得其解。可見原子鐘里物理問題，還有許多問題需要探討。

銫汽室的光抽運靠的是原子基態(tài)兩個超精細能級的簡并度不同，F(xiàn)=4有9個能級，F(xiàn)=3是7個，因而共振光通過時其超精細能級的吸收率為9∶7。正是由于這種微弱的吸收率差造成吸收泡后部兩個能級上的原子布居數(shù)不同，從而可以檢測到9 192 631 770Hz附近的微波躍遷，做成頻標。這種光抽運效率遠比利用同位素效應的銣頻標要低。為了得到最佳抽運效果，我們用計算機計算了吸收泡的最佳長度。1963年，我們用國產(chǎn)第一代電子管計算機——103機做了計算，并使用大量紙帶打孔計算了約一個月，才獲得結果。所幸與我們預估的相差不多。

2.4 銣頻標設計定型鑒定

1976年2月，中國唯一一次的“全國原子鐘會議”召開。僅隔一天，四機部也在科學會堂召開了北大與北京768廠合作研制的銣頻標生產(chǎn)設計定型鑒定會，與會代表上百人。兩家單位分別做了設計報告，幾家用戶單位也做了試用報告之后，代表們不僅參觀考察了生產(chǎn)現(xiàn)場，還分組用兩天時間將200多張圖紙進行了認真審查討論，代表們提出了百余個問題或修改意見，要求我們答復或解釋。其中連一顆螺釘?shù)奈恢枚疾荒芊胚^。我們連夜討論，最后歸結成約40多個問題并一一向大會做了解釋，或表明修改態(tài)度?？梢姰敃r大家工作態(tài)度的認真與嚴謹。

我們當時為了精益求精，在使用單位的要求下，將試制產(chǎn)品進行了空中試飛，這樣對溫度穩(wěn)定性提高了要求，并對物理部分(泵體)的熱設計先后做了兩次修改，在技術員與工人師傅連夜加班的積極配合下性能終于得到改善。由于我們當時對熱設計理論生疏，又缺乏材料的熱學數(shù)據(jù)，這種修改主要是憑經(jīng)驗。由于形勢變化，這款頻標只進行了兩年多時間的批量生產(chǎn)就終止了。

2.5 銫束管研制

1976年，我們在“全國原子鐘會議”上接受了研制小型密封銫束管的任務。此前，計量院已經(jīng)開始研制銫束基準(即“大束管”)，12所和17所也在聯(lián)合研制密封同軸型銫束管，體積較大(束管長60cm)。

我們首先確定要研制能批量生產(chǎn)的儀器型頻標。由于缺乏相關資料，我們從基本原理實驗開始做起。在電子倍增器研制中采用了計量院的方案，準直器參考了12所的方案，而吸銫劑也是12所提供的氯化銀片。由于國內(nèi)石墨的吸銫效果均極差(我們還請化學系做過石墨和鋅片的吸銫效果實驗，鋅片因沒能趕上實驗而未用)。而氯化銀一接觸金屬就腐蝕，使用要極其謹慎小心。當時各單位不分彼此，技術上互相幫助，有困難共同克服，患難與共。

由于領導重視，兄弟單位密切配合，經(jīng)費有保障，我們的研制進展很快，兩年內(nèi)基本配齊了各種工藝設備，其中焊接就有點焊、釬焊、高頻焊、氬弧焊等幾種，在技術員與技術工人緊密配合，和附近工廠的支持下，我們基本上備齊了可研制與生產(chǎn)銫束管的全套零部件。準直器是在技工精心鉆研下用鍍銅鋁絲密排成型后拉伸腐蝕去鋁而成的，多在工具顯微鏡下看到的個個通透率極高的蜂窩狀孔徑時，筆者的心情難以言表。為了得到最佳束光學設計，我們從原理出發(fā)，設計制造了兩臺動態(tài)銫束管。一臺專門研究原子束形分布，另一臺則準直器位置與傾角可變，原子探測器位置可移動，部件可更換，可以全面研究束光學及Ramsey花樣。這樣我們開始在不同微波頻率與強度、不同C場下對原子束磁共振譜線進行了系統(tǒng)的研究。

1978年，通過實驗，筆者看到不加C場時的Rabi躍遷譜線可以完美重復量子力學二能級躍遷精確解曲線的實驗結果。同時，在斜入射束、無微波作用下移動探測器觀察銫束形分布時(如圖1所示)，我們發(fā)現(xiàn)本應只有一個主束峰(如為F=4態(tài)原子)的探測平面上卻出現(xiàn)了另一較小的副峰[2](如圖2所示)。它絕非因偏轉不好而混進來另一態(tài)(F=3)原子，而是部分F=4態(tài)原子在兩個偏轉磁鐵之間發(fā)生了躍遷，變成為類似F=3原子了。反之亦然。經(jīng)過仔細分析后，確認它是Majorana躍遷的表現(xiàn)。這是一種在多個等距能級之間發(fā)生的多能級躍遷，在微弱磁場下原子超精細結構的塞曼能級之間就可能發(fā)生，如圖3所示中(4，4)與(4，-4)的9個能級之間。注意到在強磁場下，(4，-4)能級的行為與F=3原子相同，因此，當F=4，mF≠-4原子躍遷到(4，-4)能級時就偏轉到后者的位置上去了，成為一個副峰。F=4上各能級原子躍遷到(4，-4)能級的概率不同，這就會造成超精細微波躍遷7條線的強度不對稱，如圖4所示。

圖1 動態(tài)銫束管裝置示意圖Fig.1 Dynamic cesium beam device

圖2 偏轉束形(選F=3)曲線圖Fig.2 Beam deflection (F=3)

圖3 銫原子基態(tài)隨磁場變化下的Majorana躍遷曲線圖Fig.3 The dependence of the Majorana transitions of cesium with magnetic field strength

圖4 超精細躍遷σ線的強度分布曲線圖Fig.4 The intensity distribution of the hyperfine σtransitions with C field in z/-z direction

1978年10月，德國PTB G.Becker來華訪問。關于頻率基準方面，說他們研制的銫束基準不確定度已經(jīng)達到了7×10-15，遠遠高于其他基準。在報告中也提到有Majorana 躍遷問題，但論述不詳，也未在不確定度估算中考慮這個問題。筆者在上海計量局，找到機會與他討論并將實驗記錄給他看時，他卻不置可否。1979年，他在美國PTTI會議發(fā)表的論文中，仍認為其頻率基準不確定度是7×10-15。據(jù)計量院黃秉英(他參與了該次會議)說，這引起與會人們的質(zhì)疑(當時僅10-15就是一個極難的測量問題)。但同年在另一次會議上，他卻說PTB Cs I的不確定度僅為1.5×10-13，比原數(shù)降了一個多數(shù)量級。近20年后，筆者看到他們發(fā)表的Cs I早期資料，7條超精細躍遷譜線明顯不對稱，呈現(xiàn)出Majorana躍遷的顯著跡象[3]。

1979年3月，筆者將各種可能的Majorana躍遷概率均做了計算，發(fā)現(xiàn)可以較好地與實驗結果印證，于是就撰寫了一篇長文章，后經(jīng)過精簡發(fā)表在《計量學報》(1981年1月第1期)[2](原文以課題組名義刊于內(nèi)部刊物上[4])。后來得知，日本就Majorana效應一文先于1980年在IEEE上發(fā)表[5]，不過兩者論題很不相同，互不重復。

1983年，筆者又寫了一篇英文文章，比較全面介紹了這種效應，詳細分析了它對頻標性能的影響，并提出了一些消除和減少這種影響的設想[6]。當時PTB該組成員，后來成為時頻室主任的A.Bauch當時還是博士生，后來他的博士論文就以銫束管中的Majorana躍遷為題，其在PTB發(fā)表的博士論文中第一篇引文就是我在《計量學報》1983年發(fā)表的英文文章[6]。

1984年初，筆者訪問PTB時，在成因、計算、對原子頻標的影響等方面介紹了對Majorana躍遷問題的看法。此前，筆者在巴黎高師(ENS)和巴黎南大學原子鐘研究所(LHA)各講過一次，聽眾較多。這時我們才確信，外國人并沒有做過像我們這樣的細致實驗，因為他們一開始都是使用固定束通道的對稱束，所以不可能得到我們的結果。他們提出的一些Majorana躍遷對頻率不確定度影響的看法是對的，但缺乏定量的依據(jù)，因此真正將這項影響考慮到頻率基準不確定度評估中有定量數(shù)據(jù)的極少。

2.6 光抽運光檢測銫束頻標的早期探索

1980年，法國人Arditi和Picqué提出了一種像銣頻標光抽運光檢測的銫束管方案后，筆者認為可以消除原來磁選態(tài)銫束管中繁復的工藝問題而得到遠為優(yōu)越的頻標性能指標。在與12所的同事討論后，他們也認為可行。我立即在該所刊物上發(fā)表了一篇推薦文章[7]。我們爭取到了一小筆啟動費(2萬元)，并很快在12所的幫助下，利用一些原有的零部件做出了一只動態(tài)銫束管。最主要的問題是要用到單模半導體激光器(雖然也可使用體積龐大、價格昂貴的Ti寶石激光器)。對此我們不熟悉，請清華大學周炳琨小組的張漢一合作，利用廉價的Mitsubishi或夏普的激光器(約一二百美元一只)做了利用外腔穩(wěn)定激光頻率的工作。利用這些激光器我們用光譜儀和銫汽室研究了一系列的激光性能，但都不足以很好地觀察到銫束光抽運信號。

與此同時，我們對激光抽運和檢測問題，做了一些理論研究，列出了選擇不同躍遷與偏振的單激光和雙激光抽運下銫原子在各能級上的分布方程，計算了允許得到最佳光抽運光檢測組合。我們的研究成果在1983年杭州召開的中國第一次國際時間頻率會議上做了報告[8]。該文后被美國NIST、法國LHA、韓國KRISS和日本等國頻標界引用，有一定影響。但是實驗進展卻很遲緩。直到1984年初，才得以觀察到了銫束的光抽運和光檢測信號[9]，并做成一臺初步的動態(tài)頻標[10]。

后來楊東海參與工作。他將數(shù)字鎖定技術引入激光穩(wěn)頻，但激光頻率的長期漂移導致跳模問題仍令人困惑，難以長期工作。他提出用斜光檢測的方法來降低對頻率控制的要求。這是因為有多普勒頻移的吸收曲線頂端變化比較平緩，頻率控制的同步帶寬較寬，從而不易失鎖。這樣我們的動態(tài)銫束頻標可連續(xù)工作近一個月，1993年在日本召開的國際原子頻標和量子電子學會議上，我們首次宣布[11]得到了激光抽運銫束頻標的長期頻率穩(wěn)定度指標為2×10-13。楊東海和筆者獲得了該年的饒毓泰物理學獎。

3 激光冷卻原子方面的自主創(chuàng)新

在早期原子鐘研制中，多數(shù)團隊由于著重于基礎研究，對物理理解比較深入，國內(nèi)也提出過一些創(chuàng)新的想法，并取得了一些進展。據(jù)筆者所知，其中，國家計量院薛傳惲將銫束頻標中選態(tài)用二級磁鐵的極隙形狀做了精密調(diào)整，使其磁場分布具有B=B0+kz2的形式，從而增強了選速效果，縮小了線寬[12,13]。上海計量局鄭裕民等獲得了當時氫鐘壁移的最小值[14]。原中科院湖北物理所和原七機部二院計量站(203所)聯(lián)合研制成功的銣激射器，還一度成為我國短期頻率穩(wěn)定度標準。

為解決銣頻標嚴重的光頻移問題，董太乾提出過脈沖光抽運光檢測和分離吸收泡方案[15,16]，雖然沒能獲得優(yōu)越的結果，但討論中我們獲得了對于原子相位延遲概念的理解，很有收獲。

原子鐘研究中降低原子的熱運動速率，甚至將原子孤立起來始終是時頻工作者的愿景。在研制銫束頻標中曾試圖將銫原子電離后用電場將原子減速，但束管結構比較復雜，所有原子等量減速不能改善速度分布。正當猶豫之時，我們得悉激光減速與冷卻令人興奮的信息。

不久，上海光機所王育竹小組率先開展了利用鈉原子束管進行激光冷卻的工作。他們利用多次反射光橫向通過原子束先是實現(xiàn)了原子束顯著偏轉[17]，然后得到了使原子束橫向運動冷卻到66μK的程度，這已遠低于多普勒冷卻極限[18]。王育竹在1979年就提出用積分球腔的各向反射光來減速和冷卻原子的思想，由于實驗條件等原因，到1993年才得以實現(xiàn)原子減速[19]。事實證明一個物理思想的提出到真正具體實現(xiàn)，往往要經(jīng)過相當長時間的實驗探索。1975年H?nsch和Schawlow提出用對射激光來實現(xiàn)原子的多普勒冷卻方案后，世界上有好幾個小組在做激光冷卻實驗，但多數(shù)得到的不但不是冷卻，而是加熱。直到1985年，朱棣文小組才以合適的光強、偏振與頻率的六束正交激光得到了原子冷卻，并命名其冷卻原子團為“光學粘團(optical molasses)”。

1980年，在王慶吉提出了一種原子冷卻的方案，工作原理如圖5所示。左邊是原子的上下兩個能級，其間距可用兩能級間的躍遷頻率hν0來表示。當原子在頻率為ν>ν0的光脈沖作用下，由于二級斯塔克效應，能級將發(fā)生移動，移動后的能級如中間的能級所示。這時的能級間隔變成為hν0′，并有hν0′hν0′，原子失去的能量多于吸收的能量，原子就會以減少動能來補償，從而實現(xiàn)減速，但經(jīng)過討論，大家認為這樣的機制不可能實現(xiàn)原子冷卻與減速。

圖5 討論的原子冷卻方案示意圖Fig.5 The discussed atomic cooling scheme

1983-1984年，筆者在巴黎法蘭西學院聆聽了Cohen-Tannoudji的作用于原子的輻射力的系統(tǒng)講座后，對激光冷卻的本質(zhì)有了比較清晰的理解，確信用脈沖光技術不可能冷卻原子，因其無法算出對原子的作用力，但上述機制中的能量補償問題仍不得其解。因此開始對原子與光場的相互作用能量變化過程進行計算。由于二級斯塔克效應對交變電場與靜電場十分相似，而對前者計算困難，我請研究生謝川用靜電場模擬做了計算。結果說明，在這種情況下原子的能量虧損是由電場提供的[22]。

這里涉及一個基礎研究中的學術氛圍問題。如果那時在辯論中有人指出，只要將王育竹文章中光強隨時間變化的光脈沖改為隨空間定向變化的光場分布，就可行了。其能級能量的光頻移就成為勢能變化，就能導出偶極力，其方向與大小都是明確可算的。事實上，首先取得亞多普勒冷卻成果，并因激光冷卻原子而得到諾貝爾物理獎的朱棣文和Cohen-Tannoudji就是利用了偏振梯度所產(chǎn)生的“西西弗斯效應”。當然，要實現(xiàn)這種機制，還必須有光頻移能級的空間變化與原子速度、光抽運與光發(fā)射時間等匹配，難度并不小。這也是一般用負失諧的六束對射激光照射原子團得到的往往不是冷卻，而是加熱結果的原因。由此可見基礎研究之重要。

科研管理部門在提供各種保障條件下，更要對基礎研究加以必要的支持。大力提倡和鼓勵原始創(chuàng)新。當下我們基本上掌握了已有使用原子鐘技術的基礎，我們更應著重基礎創(chuàng)新。筆者在國外曾提出過一種利用磁偏轉實現(xiàn)連續(xù)噴泉的設想[23]，得到資助并開始加工設備，但在國內(nèi)卻難以支持，這種設想無人做過，因為風險太大。

原子鐘科技工作者還應當加強物理基礎理論學習。我們曾提出過一種用主輔玻色愛因斯坦凝聚(BEC)組，實現(xiàn)長期連續(xù)原子激光(atom laser)的建議[24,25]。這里用到了BEC阱中“相位統(tǒng)一”的概念，是在同行中已經(jīng)多次用過的概念。當我們的文章投到國外刊物時，評審意見要求對此問題做出理論說明，我們卻難以做到。就在第二年，這種設想?yún)s被美國MIT的Ketterle小組從實驗上實現(xiàn)了[26]?，F(xiàn)在看來這個理論問題我們是應該可以解決的，可是在當時，我們不但沒有勇氣，也沒有理論準備去解決這個問題。這說明我們對相關的物理理論掌握得相當薄弱。為了取得必要的自主創(chuàng)新，我們的科技工作者要不斷提高理論水平，并且培養(yǎng)一支原子鐘物理理論隊伍以迎接未來的挑戰(zhàn)。

4 我們的差距和努力方向

中國要成為原子鐘研制生產(chǎn)的強國，我們的差距是明顯的。

4.1 實用商品原子鐘性能指標的提升

當前，我國研制的銣原子鐘性能指標上已進入世界前列，并順利得到空間應用，但在燈泡發(fā)光機理、濾光、控溫、降噪及保持光強長期穩(wěn)定性上，還需要進一步研探。

在氫鐘方面，無論是以守時為主要應用的主動型，還是廣泛實用的被動型，在性能指標和可靠性及壽命方面距離國際領先水平還有一定距離。需要改進，首先要充分掌握這類頻標的物理原理，保證整體設計達到精準合理；同時要總結長期經(jīng)驗，在電離泡激勵、束流控制、泡壁涂敷、真空維持、對中與整體裝配、電路噪聲抑制，以及被動型的最佳調(diào)制等方面進一步下功夫，做到設計與工藝定型，投入生產(chǎn)后要建立和遵行嚴格的生產(chǎn)管理程序。

我國銫鐘研制先后有磁選態(tài)、激光抽運和自主創(chuàng)新的磁選態(tài)光檢測三種束管樣機，但未能真正進入正規(guī)生產(chǎn)狀態(tài)。由于這類鐘主要用于守時，近兩三年需要根據(jù)樣機試用情況，考驗穩(wěn)定運行與可靠性等技術狀態(tài)，摸透影響性能指標的關鍵因素，分批次地抓緊設計定型、固化工藝，以便按批次提高指標。磁選態(tài)銫鐘的關鍵部件電子倍增器尚未完全走上定型生產(chǎn)階段，亟需完成此步驟。光抽運及磁選態(tài)光檢測銫束管所用的激光二極管至今尚依賴進口，相關管理單位無論如何要繼續(xù)不斷地支持研制，實行自主生產(chǎn)。由于用量較少，這類產(chǎn)品的研發(fā)很難實行市場化運作，必須依靠國家資助。

我們應該充分做好CPT鐘的開發(fā)應用。隨著信息化的發(fā)展，預計個體使用的微型原子鐘將會大行其道。國內(nèi)已有多個單位在研制，甚至進入生產(chǎn)階段，但需進一步提高性能、降低功耗與體積重量，并能做到設計與工藝定型，進入規(guī)模生產(chǎn)。對其推廣應用也要下大功夫。

原子鐘研制中物理部分固然占大頭，但在信息時代，電路的改進也值得注意。特別是將兩部分結合起來，實現(xiàn)最優(yōu)化智能控制，可能是提高性能的一條捷徑。

4.2 冷原子噴泉頻率基準有待進入第一梯隊

我國已有三個團隊成功研制冷原子噴泉頻率基準，中國計量院和國家授時中心團隊研制的銫基準不確定度已達到<1×10-15，進入了國際先進行列，但尚未達到小系數(shù)10-16，離國際第一梯隊尚有點距離。上海光機所在87Rb噴泉的基礎上，還研制著85Rb噴泉，在不確定度評估上還有一些基礎性的物理問題值得深鉆。另外，這類頻標的長期連續(xù)工作，以及在運行過程中自動監(jiān)控與檢測影響不確定度的因素的探索在上海光機所也在進行。不久的將來，我國有望進入國際第一梯隊。

4.3 新型微波原子鐘的探索

由于人們直接接觸的音頻和視頻信號都用無線電波攜帶與傳輸，所以盡管光頻標因其頻率比射頻頻率高三四個數(shù)量級而可取得更高的穩(wěn)定度而備受關注，但微波頻標的生命力估計還會長期存在。因此，新型微波頻標的探索仍值得重視。如果它們的頻率穩(wěn)定度指標能比現(xiàn)有實用頻標高出一個數(shù)量級，且體積重量適當，結構與制造工藝不過于復雜，還是很值得探索的。在這方面國內(nèi)已有不俗的表現(xiàn)：上海光機所的冷原子鐘在天宮二號上成功實驗創(chuàng)造了國際領先的記錄，由他們首次提出創(chuàng)新思想的激光冷卻的積分球鐘樣機已經(jīng)實現(xiàn)，激光冷卻的鎘離子鐘實驗由清華大學王力軍團隊首先做成；而汞離子鐘、脈沖光抽運(POP)等已接近實用水準的高性能新型微波鐘，也有幾個團隊正在研發(fā)。不過原子鐘從研制出樣機到真正實用往往需要經(jīng)過長期考驗。我們必須耐得住寂寞，堅持在長期悉心鉆研下，使之成為可以不斷重復、乃至進行規(guī)模生產(chǎn)的地面和空間實用原子鐘產(chǎn)品。

4.4 光鐘要直追巔峰

成為時代寵兒的光鐘，現(xiàn)在我國已有十多家單位在研。從工作物質(zhì)看，既有中性原子，如鈣Ca、銣Rb、鍶Sr、鐿Yb、汞Hg；也有離子，如Ca+、Yb+、Sr+、Hg+、Al+；可以說，國外所有的工作物質(zhì)我們基本都做了。從工作條件看，既有作為頻率基準用，也有可搬運的實用鐘?？梢哉f光鐘研究上，我們已經(jīng)超脫了國外的窠臼。武漢物數(shù)所高克林小組首先實現(xiàn)了鈣單離子光鐘，其躍遷頻率得到國際承認。之后計量院、華東師大、國家授時中心分別實現(xiàn)了鍶和鐿的光鐘。北京大學陳景標還提出了“主動光鐘”概念，受到國外同行的重視，并得到了初步實驗結果。但是，用作時頻基準的實驗室光鐘在頻率不確定度上與國際前沿還有一定距離，我們需要在理論基礎和實驗技術上雙重攻關，做出突破性成就。

光鐘以其極優(yōu)的頻率不確定度與穩(wěn)定度，將會改變現(xiàn)有以銫原子基態(tài)超精細躍遷頻率為準的秒定義。在其中獲得有力的話語權是建設時頻強國的重要標志。我們要有重點地攻堅克難，爭取做出重大國際貢獻。在我國基本要實現(xiàn)三種不同種類，且不確定度超過5×10-18的光頻標。這類原子鐘還是復現(xiàn)當下建立在物理常數(shù)基礎上的計量單位基準的主要手段。我們一方面要做出頂尖的原子鐘，另一方面還要在理論和實驗上找出實現(xiàn)以物理常數(shù)與單位定義值最適宜的物理關系。這需要精密細致的工作。物理常數(shù)的數(shù)值是否會隨著時空情況而變化也是一個在理論上具有重要意義的問題，我們中國人也要以頂級原子鐘為工具，為世界文明添磚加瓦，奉獻自己應有的份額。

分子鐘(以88Sr2，174Yb2，H+2為主)和更高頻段(核鐘，主要以229Th為工作物質(zhì))時頻標準的探索，目前國外已在進行。這需要大量投入和長期堅持，從我國當前情況看，可以有少量團隊投入工作，不宜過多投入。

4.5 持續(xù)支持關鍵元器件和測試設備研發(fā)與生產(chǎn)

我國時頻界長期致力于原子鐘及電路噪聲基本問題和測試理論與技術的研究團隊還不多，成果也顯得有些薄弱，并不大引起同行的關注。這種狀況對我國時頻領域的整體提高不利。希望有更多人來投入。

更重要的是某些原子鐘關鍵器件仍未完全過關，有的還要被國外“卡脖子”。如前述的磁選態(tài)銫頻標的電子倍增器，還需長期的實踐考驗。至于為激光抽運或冷卻的各類原子鐘使用的各種半導體激光器，基本上是靠外國供應的。大量高檔精密測量儀器，也大都依靠國外。這種情況不改變，就不能說我國已經(jīng)建立起來一個完整的時間頻率體系。

最后要說的是，為了彌補我們與國際領先技術的差距，我們還要在下面三個方面努力，以加強原始創(chuàng)新，開拓規(guī)模生產(chǎn)的能力。

1)加強基礎研究，提高理論水平

我國早期研制原子鐘，由于缺乏相關資料，都要從基本物理原理開始，還比較注重基礎。改革開放之后，由于大量國外產(chǎn)品進入，基礎研究大為削弱。技術人員多就事論事地做些改進，不能從物理原理上做出分析判斷而有所發(fā)明。這既不利于研制成品的性能全面提高，更無從談原始創(chuàng)新。這種情況難以使我國成為世界一流的時頻強國。

為了在頻率基準和未來的秒定義上取得我國的話語權，以及在各種精密測量、基本物理理論驗證上，在檢驗基本物理常數(shù)是否變化等問題上使原子鐘發(fā)揮重要作用，我們也需要自己能提出高深物理課題的理論工作者。在這方面我們還亟需具有想象力的科學工作者，我們現(xiàn)在離普朗克時間10-43秒還差得很遙遠呢！

基于上述狀況，長遠看要從教育入手。我國高等教育理論脫離實際的情況依然嚴重，大學教學科研分離，教基礎課的教師往往只要求學生做教科書上的習題，做應試訓練，而對實際問題一竅不通。如學了熱力學，如何對一個產(chǎn)品做熱設計毫無概念。另一方面，現(xiàn)在信息技術發(fā)達，各種計算機軟件繁榮，如電磁場分析，學生會用軟件計算，卻難以對計算結果用物理原理做出科學分析。當下更重要的是要有針對性地對技術人員做一些理論培訓，使他們提高物理水平。另外，原子鐘涉及的不僅是原子分子光物理(AMO)，往往還有等離子體、凝聚態(tài)物理等，研究人員要適當擴大自己的視野。在原子鐘領域，我們不但要培養(yǎng)見識寬闊，像Cohen-Tannoudji那樣的理論大師，還需要有能結合實際會靈活計算，像NIST的Shirley那樣的理論工作者。

構建學術討論和交流的平臺對提高基礎理論水平大有好處。“大師”的形成與廣泛頻繁的學術交流很有關系。1991年3月，筆者應邀在歐洲時頻會議，之前開了兩天關于頻率基準不確定性的會，到會連BIPM官員僅十國30人。當時正是各國頻率基準的不確定度數(shù)據(jù)長期停滯，甚至不升反降之際，大家就影響該指標的因素、評定方法、消除或降低的途徑、還可能有哪些潛在因素未被發(fā)現(xiàn)等做了細致的討論，也有爭辯。對當時剛出現(xiàn)不久的半導體激光器在光抽運和激光冷卻中的應用做了預估。筆者感到收獲很大[27]。不久后激光抽運銫束及噴泉頻率基準相繼登場，其不確定度大幅提高。我國極需要有這樣的學術氣氛。

2)追求精益求精

原子鐘是非常精密的科技裝備，不僅其結構設計依賴于高深的物理與電子自動控制原理，其工藝實現(xiàn)還要依靠許多能工巧匠的本領。即使在先進精密技術高度發(fā)達的今天，也不是所有工藝都可用機器完成的。甚至各種部件都已精確做好，其裝配是否精致到位還是問題。因此，即使產(chǎn)品設計定型、工藝完全固化之后，產(chǎn)品總還有一定離散性。我國原子鐘研制往往因一兩個人的離去而指標上不去。近年美國氫鐘品質(zhì)下降，其源也蓋出于此。一定意義上說，原子鐘技術也是藝術。

因此，我們應該學習老一輩科學家，如葉企孫、王天眷等人對工藝技術人員的重視，絕不能以“四唯”(唯論文、唯職稱、唯學歷、唯獎項)來確定待遇。在時頻界都熟悉的美國JILA和英國NPL，聽說工資最高的都是頂尖技工。

3)關于原子鐘產(chǎn)業(yè)

要成為時頻強國，實用原子鐘必須商品化、產(chǎn)業(yè)化。筆者之前曾說過一句話：“最好的原子鐘生產(chǎn)者也是原子鐘產(chǎn)業(yè)的掘墓人”。我們看世界上曾經(jīng)有過幾十家生產(chǎn)原子鐘的企業(yè)，目前已所剩無幾。可見此話非虛。其原因在于原子鐘用戶少，不需成千上萬的大規(guī)模生產(chǎn)。而鐘的品質(zhì)越高，故障越少、壽命越長，新品的需求量就越低。因此，企業(yè)沒有國家補貼難以存活。多數(shù)這類企業(yè)得依靠訂單生產(chǎn)，實際上處于半研制半生產(chǎn)狀態(tài)，因此其價格應含有研發(fā)投資的成分，用戶不應過分壓價。這種狀態(tài)對原子鐘的品質(zhì)提升既有利也有弊。有利的是可以不斷改進，提高指標；不利的是沒有大批定型生產(chǎn)往往難以發(fā)現(xiàn)問題所在。這需要根據(jù)不同用途不同類型原子鐘進行權衡，使之既能不斷改進其性能，又能使企業(yè)有利可圖。

為此，我們需要大力宣傳原子鐘的多種應用。筆者相信，即使是在充分信息化、時頻信號可以普天下傳遞的當下，原子鐘仍有多元應用的前景；而且個體化的應用途徑還會增多。因此，對現(xiàn)有銣、氫、銫和CPT鐘的生產(chǎn)，可以按不同檔次分門別類地實行“產(chǎn)業(yè)內(nèi)分工”，使不同單位各得其所。對于原子鐘里的某些零部件，則可以采用“產(chǎn)品內(nèi)分工”的方式，實行專精分包，而不是一家獨包生產(chǎn)，這樣做是先進合理的。相信這樣做后，我國原子鐘產(chǎn)業(yè)是可以生存發(fā)展的，對建設時頻強國將是不可或缺的。

5 結束語

最后想對科技管理說幾句話。管理單位要以大局為重，切忌部門利益，拒絕“權力尋租”；要避免一個課題多個“婆婆”，既管又不全管；要讓一線科技工作者專心鉆研，盡量減少他們參與過多的評審檢查和繁瑣的文牘手續(xù)。

只要大家團結努力，我們原子鐘事業(yè)的自主創(chuàng)新一定會源源不絕地冒出來，我們一定可以建成世界上時間頻率的強國！

致謝：本文成稿得到方占軍、王延輝、薛瀟博所提供的資料，特此向他們表示感謝。

附記：本次會議開幕式上，由四個專業(yè)委員會在時間頻率領域共同授予我 “終身成就獎”，我深表感謝！但自愧“成就”是不敢當?shù)?，因為我并沒有在時頻領域取得重大成績，只是為此做了一點工作。如果說這點工作也算是“貢獻”的話，那我應該感謝三個人，他們是：1)汪永銓，1961年，我回國任教時的北大無線電電子學系主任，是他“逼”我走進了時頻領域為國防服務的路；2)王育竹，當我在這條路上快“開小差”時，是他扶我繼續(xù)上路。1989年，我為維持北大教學科研正常秩序而心力交瘁，打算脫離科研時，他卻堅持讓我擔任上海光機所與華東師大合辦的“量子光學重點實驗室”學術委員會副主任，使我不得不硬著頭皮堅持時頻方向的科研，并做些相關報告；3)閆宇華，1999年，當我從北大行政崗位退下來時，她立即找到我，說國家要搞北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)，要有星載原子鐘，希望我能承擔研制星載原子鐘的技術管理工作。我當即同意。她給我約法三章：裁判員不當運動員，我不能申請、接受、參與相關科研課題，也不能領科研經(jīng)費、在相關論文上署名。我認為這合理，一概答應。這樣，我就成為這個管理組里不做科研的“首席科學家”，后來改組為時頻專家組，我又成為專家組長，從而使我在這個領域能施展一些自己的精力。1950年我讀高中時發(fā)生了抗美援朝戰(zhàn)爭，我報名參軍未獲批準，因此老來我該“服役”，報效祖國。是她給了我這個極好的機遇。