楊 軍 毛新凱 盧心竹

（1.北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039；2.計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100039）

1 引 言

導(dǎo)航定位、網(wǎng)絡(luò)通信、交通運(yùn)輸、航空航天以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)方面都離不開(kāi)時(shí)間頻率，特別是現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中，時(shí)間頻率的精準(zhǔn)性至關(guān)重要。在所有物理量的測(cè)量中，時(shí)間頻率是7 個(gè)基本量中準(zhǔn)確度最高的物理量，其他基本量通過(guò)基本常數(shù)和時(shí)間頻率建立物理關(guān)系，從而得到準(zhǔn)確的結(jié)果，例如處于超導(dǎo)狀態(tài)下的約瑟夫森結(jié)，在微波信號(hào)輻照下，結(jié)的兩端產(chǎn)生準(zhǔn)確的直流電壓Vn，約瑟夫結(jié)電壓Vn與頻率的關(guān)系為

式中:KJ-90——約瑟夫森常數(shù)483 597. 9GHz/V；N——約瑟夫森結(jié)電壓臺(tái)階數(shù)［1，2］；f——頻率，可溯源到銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。

長(zhǎng)度單位米被定義為光在真空中在（1/299 792 458）s 的時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長(zhǎng)度［3］。頻率標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了從晶體振蕩器、原子頻率標(biāo)準(zhǔn)到光鐘的長(zhǎng)期發(fā)展歷程。頻率標(biāo)準(zhǔn)主要包括高穩(wěn)晶振、微型CPT原子頻標(biāo)、銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，新型原子頻率標(biāo)準(zhǔn)和光鐘等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，頻率標(biāo)準(zhǔn)向高準(zhǔn)確、高穩(wěn)定、微型化方向發(fā)展。

2 高穩(wěn)晶振性能差距較大，在空間科學(xué)研究和武器裝備大量應(yīng)用

1921年，Walter Guyton Cady 發(fā)明了第一個(gè)石英晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱(chēng)晶振）。至此開(kāi)始，晶振廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備，成為電子設(shè)備的心臟，尤其是二戰(zhàn)期間軍事無(wú)線電設(shè)備的需求刺激了精確頻率控制晶體的制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。晶振分為壓控晶振VCXO、溫補(bǔ)晶振TCXO、恒溫晶振OCXO，頻率穩(wěn)定度最高的晶振是恒溫晶振。瑞士OSA 公司的恒溫晶振8607 采用先進(jìn)的SC 切割BVA 石英晶體技術(shù)和雙恒溫槽設(shè)計(jì)［4］。這種獨(dú)特的切割技術(shù)消除了電極和石英晶片之間的表面接觸，消除了石英晶片表面離子擴(kuò)散引起的問(wèn)題，消除了石英晶片支撐結(jié)構(gòu)間的表面應(yīng)力。由于這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，使得8607具有非常優(yōu)秀的短期頻率穩(wěn)定度和高純頻譜，頻率穩(wěn)定度比普通晶振優(yōu)10 倍以上，頻率穩(wěn)定度達(dá)到8E-14/s，相位噪聲為-133dBc/Hz（載波頻率5MHz，傅里葉頻率1Hz）。8607 的雙恒溫槽結(jié)構(gòu)和5MHZ 輸出的相位噪聲如圖1 所示。之后，新西蘭Rakon 公司和美國(guó)Microsemi 也相繼推出了基于SC切割BVA 晶體的高穩(wěn)晶振。Rakon 公司高穩(wěn)晶振HSO14 和美國(guó)Microsemi 高穩(wěn)晶振1000C 的頻率穩(wěn)定度分別達(dá)到了8E-14/s 和2E-13/s，相位噪聲均為-130dBc/Hz（載波頻率5MHz，傅里葉頻率1Hz）［5，6］。目前國(guó)內(nèi)高穩(wěn)晶振的頻率穩(wěn)定度僅能達(dá)到5E-13/s，與國(guó)外存在較大的差距，國(guó)內(nèi)航天產(chǎn)品研制單位大量采用國(guó)外先進(jìn)的高穩(wěn)晶振。

圖1 8607 雙恒溫槽和5MHz 輸出的相位噪聲圖Fig.1 The double constant temperature structure and phase noise curve of OCXO 8607

3 高精度銣原子鐘日趨成熟，打破國(guó)外壟斷

經(jīng)過(guò)近60年的發(fā)展，光抽運(yùn)汽泡型銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)因其體積小、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)、可靠性高備受歡迎［6，7］，廣泛應(yīng)用于電力、通信、金融、氣象、導(dǎo)航等領(lǐng)域，尤其是在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用，GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）均采用銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)作為星載時(shí)基，為全球提供高精度的定位和時(shí)間服務(wù)。

美國(guó)GPS 衛(wèi)星經(jīng)歷了BLOCK I 衛(wèi)星、BLOCK II/IIA 衛(wèi)星、BLOCK IIR 衛(wèi)星、BLOCK IIR-M 衛(wèi)星、BLOCK IIF 衛(wèi)星等，各階段的衛(wèi)星都搭載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。不同時(shí)期的GPS 衛(wèi)星所攜帶的星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能也存在差異。通過(guò)對(duì)GPS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能分析可知，星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)頻率偏差在E-12 量級(jí)；大部分日頻率漂移率在E-15 量級(jí)，但是有8 ～9 顆衛(wèi)星的星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)日頻率漂移率較大，處于E-14量級(jí)，個(gè)別衛(wèi)星在個(gè)別月份出現(xiàn)了比較明顯的異常值現(xiàn)象；大部分日頻率穩(wěn)定度處于在E-14 量級(jí)，其中G03，G08 衛(wèi)星日頻率穩(wěn)定度較差，在E-13 量級(jí)，G01、G02、G06、G15、G23、G25、G27、G30 幾顆衛(wèi)星日頻率穩(wěn)定度很好，達(dá)到了E-15 量級(jí)［8-11］。GPS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能的年平均值見(jiàn)表1。

表1 GPS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能Tab.1 The performances of GPS rubidium atomic frequency standard on orbit

上世紀(jì)90年代，中國(guó)制定北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，作為其中關(guān)鍵技術(shù)的星載原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，在當(dāng)時(shí)的中國(guó)屬于技術(shù)空白。在從國(guó)外引進(jìn)星載銣鐘遭拒后，中國(guó)開(kāi)始自主研制之路。經(jīng)過(guò)20 多年科研工作者的勵(lì)精圖治，星載原子鐘完全實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)鐘也發(fā)揮重要作用，如我國(guó)海洋二號(hào)衛(wèi)星首次使用高準(zhǔn)確度低漂移率的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)代替晶振，保障海洋二號(hào)衛(wèi)星具備在全天時(shí)、全天候、全球連續(xù)高精度探測(cè)海洋動(dòng)力環(huán)境信息的能力。通過(guò)對(duì)BDS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能分析可知，BDS 系統(tǒng)整體星載原子鐘性能基本處于一個(gè)數(shù)量級(jí)。BDS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)頻率偏差為E-11 量級(jí)，日頻率漂移率基本在E-14 量級(jí)，其中C02、C08、C14 這三顆衛(wèi)星日頻率漂移率較其他衛(wèi)星相比大了一個(gè)數(shù)量級(jí)；日頻率穩(wěn)定度在E-14 量級(jí)，其中C02、C04、C06 三顆衛(wèi)星的日頻率穩(wěn)定度較其他衛(wèi)星相比大一個(gè)數(shù)量級(jí)?？傮w而言，地球同步軌道衛(wèi)星星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能低于傾斜同步軌道與中地球軌道衛(wèi)星［8，9，11-14］。BDS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能見(jiàn)表2［15］。

表2 BDS 星載銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在軌性能Tab.2 The performances of BDS rubidium atomic frequency standard on orbit

銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是商品化成度最高的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)向小型化、高穩(wěn)低噪聲方向發(fā)展。美國(guó)SRS 公司和FEI 公司代表了國(guó)外的最高水平，SRS 公司的PRS10 和FEI 公司的FE-5680A 是兩款最常用的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)指標(biāo)各有所長(zhǎng)，PRS10 的相位噪聲低，優(yōu)于FE-5680A10dB 左右，具有1PPS 輸入馴服功能，可接收外部標(biāo)準(zhǔn)1PPS 信號(hào)，如GPS/BDS 接收機(jī)輸出1PPS，實(shí)現(xiàn)外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)對(duì)銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的馴服功能，提高銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，非常適合精密的頻率測(cè)量［16］；FE-5680A 的短期頻率穩(wěn)定度低，優(yōu)于PRS10 一個(gè)數(shù)量級(jí)左右［17］。國(guó)內(nèi)以航天203 所和成都天奧為代表生產(chǎn)的商品型銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，國(guó)內(nèi)研制和生產(chǎn)的商品銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)性能已全面超越國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，BM2102-06 是目前全世界技術(shù)指標(biāo)最高的商品型銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，其整合了最先進(jìn)的分離濾光技術(shù)和低噪聲電路技術(shù)，具有極優(yōu)的頻率穩(wěn)定度、相位噪聲和漂移特性。國(guó)內(nèi)外商品性銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能比較見(jiàn)表3。

在銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)小型化研制方面，國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展也處于國(guó)際領(lǐng)先水平，203 所研制了全世界最薄的高精度銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)BM2102-05，體積為76mm×76mm×17mm，頻率穩(wěn)定度達(dá)到1E-11/s、3E-12/10s、1E-12/100s。BM2102-05 銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)實(shí)物圖和測(cè)量曲線如圖2 所示［18］。

表3 國(guó)內(nèi)外商品型銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能比較Tab.3 The performance comparison of rubidium atomic frequency standard at home and abroad

圖2 BM2102-05 銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)實(shí)物圖和測(cè)量曲線Fig.2 Rubidium atomic frequency standard BM2102-05 and measurement curves

4 守時(shí)型銫、氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)急需邁上新的臺(tái)階

銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)和氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是常用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和守時(shí)用頻率標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際計(jì)量局BIPM 保持的協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC 是由全世界597 臺(tái)原子鐘綜合得到自由原子時(shí)，在通過(guò)噴泉鐘駕馭和UT1 協(xié)調(diào)得到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，是全世界共同維持的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，國(guó)際上參與國(guó)際原子時(shí)計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室分布圖如圖3 所示。在597 臺(tái)原子頻率標(biāo)準(zhǔn)中，商品銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)占65%，氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)站30%，實(shí)驗(yàn)室銫噴泉頻率標(biāo)準(zhǔn)占3%，實(shí)驗(yàn)室銣噴泉標(biāo)準(zhǔn)占2%，統(tǒng)計(jì)2018年BIPM 發(fā)布的參加國(guó)際原子時(shí)計(jì)算的各種原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量和種類(lèi)如圖4 所示［19］。

圖3 參與國(guó)際原子時(shí)計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室分布圖Fig.3 The laboratory distributions participating TAI computation

圖4 2018年參加國(guó)際原子時(shí)計(jì)算的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量和種類(lèi)分布Fig.4 The quantities and types of atomic frequency standards participating TAI computation in 2018

目前，高性能的銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)和氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)外壟斷。美國(guó)Microsemi 公司生產(chǎn)的5071A 占據(jù)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)市場(chǎng)的90%以上，它是目前世界上性能最優(yōu)可靠性最高銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，其最大允許頻率偏差為±5E-13，國(guó)內(nèi)計(jì)量部門(mén)、電信、電力、金融等行業(yè)都在使用5071A 作為頻率標(biāo)準(zhǔn)或守時(shí)設(shè)備。國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)展了銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究。多年來(lái)，困擾我國(guó)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是磁控濺射法電子倍增器技術(shù)，電子倍增器增益衰減過(guò)快，導(dǎo)致其壽命只有半年到1年。針對(duì)電子倍增器技術(shù)造成的銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)壽命較短的難題，各單位都提出了不同的解決方案。航天科技510 所依靠多年真空技術(shù)的研究和積累，堅(jiān)持傳統(tǒng)工作方式的磁選態(tài)-電子倍增器方案；航天科工203 所突破了MCP 電子倍增器技術(shù)，采用磁選態(tài)—磁控濺射打拿極電子倍增器、MCP電子倍增器和微電流放大器三位一體設(shè)計(jì)方案；北京大學(xué)采用光抽運(yùn)-光檢測(cè)方案；成都天奧采用光抽運(yùn)—光檢測(cè)的方案。各單位都完成研制，部分產(chǎn)品在某些領(lǐng)域得到應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性能比較見(jiàn)表4，從技術(shù)性能分析來(lái)看，國(guó)內(nèi)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的水平與國(guó)外相當(dāng)，在實(shí)際測(cè)試中有些指標(biāo)超越了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，但國(guó)內(nèi)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)還存在頻率復(fù)現(xiàn)性和日頻率漂移率差，且壽命也沒(méi)有得到長(zhǎng)時(shí)間考核驗(yàn)證［18，20，21］。

表4 國(guó)內(nèi)外銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)性能比較Tab.4 The performance comparison of cesium atomic frequency standard at home and abroad

美國(guó)Microsemi 公司，俄羅斯VCH 公司和瑞士T4S 公司幾乎壟斷了國(guó)內(nèi)外守時(shí)實(shí)驗(yàn)的氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的市場(chǎng)，Micorsemi 公司的MHM2010 占有較大的市場(chǎng)份額，但隨著俄羅斯VCH 公司的技術(shù)和工藝不斷提升， 技術(shù)指標(biāo)和可靠性已超越了MHM2010，VCH-1003M 已成為市場(chǎng)的新寵，國(guó)內(nèi)許多守時(shí)實(shí)驗(yàn)室都在采購(gòu)其產(chǎn)品。面對(duì)巨大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，Microsemi 公司推出了最新產(chǎn)品MHM2020，技術(shù)指標(biāo)與VCH-1003M 相當(dāng)。瑞士T4S 與VCH 公司合作，結(jié)合VCH 公司物理部分研制的優(yōu)勢(shì)和T4S在電路研制方面的優(yōu)勢(shì)，研制了iMaser3000，也正在積極推出iMaser4000 新產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)在二十世紀(jì)60年代就開(kāi)始了氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的研制，目前只有航天203 所和上海天文臺(tái)研制和生產(chǎn)氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，203 所采用藍(lán)寶石介質(zhì)加載諧振腔，有效地減小了諧振腔和儲(chǔ)存泡的體積，從而縮小氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的磁屏蔽、真空、恒溫等外圍結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了小型化的主動(dòng)型氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)；上海天文天采用傳統(tǒng)的微波諧振腔。國(guó)內(nèi)研制的兩種類(lèi)型的氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)，但與國(guó)外相比，日頻率穩(wěn)定度相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。國(guó)內(nèi)外主動(dòng)型氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能比較見(jiàn)表5［12-24］。

表5 國(guó)內(nèi)外主動(dòng)型氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)性能比較Tab.5 The performance comparison of active hydrogen atomic frequency standard at home and abroad

5 微型化CPT 原子頻率標(biāo)準(zhǔn)方興未艾

CPT 原子頻率標(biāo)準(zhǔn)（ Coherent Population Trapping）是基于量子的相干布局囚禁機(jī)理而設(shè)計(jì)的新型原子頻標(biāo)，它的量子系統(tǒng)不需要微波諧振腔，工作原理不同與傳統(tǒng)的氫、銣、銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。CPT原子頻率標(biāo)準(zhǔn)可大量應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)、時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，可代替恒溫晶振作為頻率源。美國(guó)Microsemi 公司已實(shí)現(xiàn)CPT 原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的工程化和量產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)多家單位也完成了相關(guān)研制工作，技術(shù)指標(biāo)超過(guò)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，但由于激光管等關(guān)鍵元器件為進(jìn)口元器件，且激光管的可用率極低，產(chǎn)品成本極高，目前的制造成熟度很低，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。國(guó)內(nèi)外CPT 原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能比較見(jiàn)表6［18，25］。

表6 國(guó)內(nèi)外CPT 原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能比較Tab.6 The performance comparison of CPT atomic frequency standard at home and abroad

6 低溫藍(lán)寶石微波頻率源和激光超穩(wěn)微波源將成為下一代頻率穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)

短期頻率穩(wěn)定度極好的微波源不僅可作為時(shí)間頻率計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)，也可以作為銫原子噴泉頻率標(biāo)準(zhǔn)和光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)的本地振蕩器，同時(shí)也可以應(yīng)用于雷達(dá)、通信、深空探測(cè)和基礎(chǔ)物理學(xué)研究等方面，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。超導(dǎo)微波諧振腔和藍(lán)寶石腔的結(jié)合，超穩(wěn)激光技術(shù)和光頻梳技術(shù)的結(jié)合，可分別實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定度極好的低溫藍(lán)寶石微波頻率源（CSO）和激光超穩(wěn)微波源。

低溫藍(lán)寶石微波頻率源是利用低溫藍(lán)寶石微波腔在回音壁模式下具有極高Q 值的特點(diǎn)而研制的。藍(lán)寶石諧振器微波頻率源的電路原理如圖5所示，這種電路結(jié)構(gòu)與被動(dòng)型原子頻標(biāo)的電路結(jié)構(gòu)非常像，藍(lán)寶石諧振器只是起鑒相器的作用，鑒相器的原理也是基于Pound 電路。鑒相器的輸出信號(hào)用來(lái)控制一個(gè)壓控振蕩器，把壓控振蕩器鎖定在藍(lán)寶石諧振器上，壓控振蕩器的輸出就是微波信號(hào)源的輸出。

圖5 藍(lán)寶石諧振器微波頻率源的電路原理框圖Fig.5 The principle diagram of sapphire oscillator

低溫藍(lán)寶石微波頻率源涉及的關(guān)鍵技術(shù)有藍(lán)寶石諧振器的設(shè)計(jì)、低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。藍(lán)寶石諧振器是藍(lán)寶石諧振器是整個(gè)微波頻率源的核心。藍(lán)寶石諧振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，它由兩部分構(gòu)成:第一部分是一塊圓柱形的藍(lán)寶石單晶；第二部分是一個(gè)外腔。整個(gè)諧振器固定在低溫系統(tǒng)中。外腔上有兩個(gè)耦合器，實(shí)現(xiàn)外部電路和藍(lán)寶石晶體的相互作用。

圖6 低溫藍(lán)寶石諧振器的結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of sapphire resonator

低溫藍(lán)寶石微波頻率源的研究方向可分為三類(lèi)，第一類(lèi)關(guān)心的指標(biāo)是短期頻率穩(wěn)定度，主要研究?jī)?nèi)容有低溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性、藍(lán)寶石諧振器的溫度補(bǔ)償、頻率鎖定控制電路；第二類(lèi)關(guān)心的是相位噪聲，主要研究?jī)?nèi)容有提高藍(lán)寶石諧振器的Q 值、低噪聲電路；第三類(lèi)關(guān)心的是低溫藍(lán)寶石微波頻率源的實(shí)用性，主要研究?jī)?nèi)容是提高低溫藍(lán)寶石微波頻率源的工作溫度。

澳大利亞、美國(guó)、法國(guó)（與歐空局合作）和日本等國(guó)都在開(kāi)展相關(guān)的研究工作。國(guó)際上，西澳大利亞大學(xué)和法國(guó)在低溫藍(lán)寶石微波源研究一直處于領(lǐng)先地位，西澳大利亞大學(xué)發(fā)布其兩臺(tái)比對(duì)的結(jié)果，其頻率穩(wěn)定度為5.8E-16（τ=1s）。法國(guó)ULISS公司的商品化可搬運(yùn)低溫藍(lán)寶石微波源，頻率穩(wěn)定度達(dá)到3E-15（τ=1s ～1d），已經(jīng)在歐洲深空探測(cè)VLBI 工程、計(jì)量實(shí)驗(yàn)室、歐空局PHARAO 項(xiàng)目的法國(guó)圖盧茲站點(diǎn)等，ULISS 公司的低溫藍(lán)寶石微波源如圖7 所示［26-28］。

近年來(lái)，在超穩(wěn)激光和飛秒光梳方面的技術(shù)進(jìn)步，使得利用飛秒光梳將超穩(wěn)激光傳遞到微波頻率成為可能。在光頻段，由于低吸收和散射作用，在室溫下諧振腔的品質(zhì)因數(shù)可以達(dá)到1E11，將激光鎖定到諧振腔上，可以使其在（1 ～10）s 間的頻率穩(wěn)定度達(dá)到約2E-16 的水平，將這種超穩(wěn)激光信號(hào)利用飛秒光梳傳遞到微波波段，便可以得到穩(wěn)定度性能極好的微波信號(hào)。激光超穩(wěn)微波信號(hào)產(chǎn)生原理如圖8 所示。2011年，美國(guó)NIST 利用518THz 和282THz 的兩個(gè)頻率穩(wěn)定度為7E-16/s 的超穩(wěn)激光信號(hào)與鎖模飛秒激光頻率梳進(jìn)行拍頻，分別得到10GHz 微波信號(hào)，對(duì)兩個(gè)10GHz 信號(hào)進(jìn)行頻率穩(wěn)定度和相位噪聲測(cè)量，如圖9 所示。

圖7 ULISS 公司的低溫藍(lán)寶石微波源實(shí)物圖Fig.7 The sapphire oscillator of ULISS company

圖8 激光超穩(wěn)微波信號(hào)產(chǎn)生原理圖Fig.8 The principle of ultra stable optical-cavity-based microwave source

測(cè)量得到兩個(gè)10GHz 信號(hào)的頻率穩(wěn)定度為8E-16/s，相位噪聲達(dá)到-104dBc/Hz@1Hz，遠(yuǎn)端相位噪聲達(dá)到-157dBc/Hz，比目前性能最好的晶振經(jīng)無(wú)損耗變頻至10GHz 后的信號(hào)質(zhì)量提升60dB，如圖10 所示［29］。

德國(guó)MenloSystems 公司與英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室NPL 合作研制了商品化的緊湊型光學(xué)參考系統(tǒng)ORS-Cubic，光學(xué)腔由超低膨脹系數(shù)（ULE）的玻璃制成，采用恒溫隔振設(shè)計(jì)，將真空腔、激光器、控制電路等集成在19 英寸機(jī)柜中，輸出超窄線寬、超高穩(wěn)定性的單色連續(xù)光，頻率穩(wěn)定度可達(dá)8E-16（τ=1s），通過(guò)飛秒光梳進(jìn)行光學(xué)-微波頻率下轉(zhuǎn)換，可以將超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定性完美傳遞到超穩(wěn)微波。MenloSystems公司ORS-Cubic 超穩(wěn)激光源如圖11 所示［30］。

圖9 激光超穩(wěn)微波信號(hào)測(cè)量試驗(yàn)圖Fig.9 The measurement of ultra stable optical-cavitybased microwave source

圖10 激光超穩(wěn)微波信號(hào)頻率穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果圖Fig.10 The measurement results of ultra stable opticalcavity-based microwave source

圖11 超穩(wěn)激光源實(shí)物圖Fig.11 Ultra stable optical-cavity-based microwave source

7 噴泉基準(zhǔn)鐘性能進(jìn)入實(shí)用化階段

隨著激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，1995年法國(guó)計(jì)量局LPTF 首次實(shí)現(xiàn)了激光冷卻銫原子噴泉鐘，使原子鐘的工作原理發(fā)生了革命性的變化，準(zhǔn)確度提高到1.5E-15 ～2E-15。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，噴泉鐘作為各國(guó)的頻率計(jì)量基準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）、德國(guó)物理研究院（PTB）和中國(guó)計(jì)量院（NIM）都已將噴泉基準(zhǔn)鐘作為守時(shí)系統(tǒng)的基準(zhǔn)鐘，激光冷卻原子原理和NIST-F1 銫噴泉鐘如圖12 所示。美國(guó)海軍天文臺(tái)（USNO）已經(jīng)建成了四臺(tái)銣噴泉鐘并加入其守時(shí)鐘組中，并正在新研三臺(tái)用于其備份守時(shí)系統(tǒng)，USNO 的銣噴泉鐘如圖13 所示。

圖12 激光冷卻原子原理和NIST-F1 頻率基準(zhǔn)Fig.12 The principle of laser cooling atom and NIST-F1

美國(guó)NIST-F1 的頻率不確定度達(dá)到3E-16，巴黎天文臺(tái)SYRTE-FO2 噴泉鐘頻率不確定度已經(jīng)達(dá)到2.1E-16，英國(guó)物理實(shí)驗(yàn)室的NPL-CsF2 的頻率不確定度降低到2.3E-16，中國(guó)計(jì)量院NIM5 的頻率不確定度為1.6E-15［31-34］。2018年對(duì)國(guó)際原子時(shí)TAI 有貢獻(xiàn)的銫噴泉頻率標(biāo)準(zhǔn)的不確定度見(jiàn)表7［35］。

噴泉鐘在世界主要計(jì)量實(shí)驗(yàn)室已實(shí)用化，但是噴泉鐘的性能指標(biāo)仍然在應(yīng)用中不斷進(jìn)步，可以預(yù)見(jiàn)在未來(lái)幾年，隨著人們對(duì)物理現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的加深，噴泉鐘的指標(biāo)將進(jìn)一步提升，達(dá)到微波鐘所能實(shí)現(xiàn)的極限，同時(shí)隨著噴泉鐘設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷嫻熟，噴泉鐘的工程化應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

圖13 美國(guó)海軍天文臺(tái)銣噴泉鐘組實(shí)物圖Fig.13 The ensemble of rubidium atomic fountain clock in UNSO

表7 2018 對(duì)TAI 貢獻(xiàn)的銫噴泉鐘頻率不確定度Tab.7 The uncertainty of cesium atomic fountain clock contributing TAI in 2018

8 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)在頻率標(biāo)準(zhǔn)的研究方面經(jīng)過(guò)幾十年的持續(xù)投入，傳統(tǒng)的氫、銣、銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)取得了引人注目的成績(jī)，尤其是銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，打破國(guó)外壟斷，為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，地面實(shí)用性銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)全面超越。但銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的可靠性穩(wěn)定性、氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性能有待進(jìn)一步提高。銫噴泉鐘基準(zhǔn)方面已接近國(guó)際先進(jìn)水平。時(shí)間頻率關(guān)系國(guó)家的安全，頻率標(biāo)準(zhǔn)是整個(gè)時(shí)間頻率的基石，加強(qiáng)時(shí)間頻率基礎(chǔ)建設(shè)，特別是原子物理、關(guān)鍵工藝、低噪聲核心器件等基礎(chǔ)研究，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)時(shí)間頻率的發(fā)展。