時間映日月，頻率譜章華2：國家計量基準——秒長基準裝置發(fā)展史

國家計量基準——秒長基準裝置發(fā)展史

自1965年起，中國計量科學(xué)研究院（簡稱“中國計量院”）的時間頻率實驗室踏上了研制銫原子頻率標準的征途，初始之作便是一臺采用3米長銫束管與磁選態(tài)技術(shù)的銫原子鐘。這一時期不僅是技術(shù)探索的起點，也是人才培育的搖籃。直至1977年，NIM1銫原子鐘的研制成功，其準確度達到1×10-11，與當時美國的同類銫鐘相媲美。次年，NIM1在國家科技成果展覽中大放異彩，隨后被安置于上海天文臺，肩負起為國家發(fā)播標準時間參考源的重任。

隨后，實驗室轉(zhuǎn)向了更長束管（5米）的銫原子時頻基準器的研制，并于1980年成功問世，其準確度達到8×10-13，標志著中國在這一領(lǐng)域步入了世界先進行列。1981年，該成果連同中國計量院的原子時標，共同接受了國家科委組織的科研成果鑒定，獲得了高度認可。1983年，原國家計量局正式批準授權(quán)該設(shè)備作為國家時間頻率基準，標志著中國擁有了獨立自主的時頻基準，成為當時全球第四個擁有此類高精度基準的國家，與美國、德國、加拿大及日本并肩。經(jīng)過不懈的努力與持續(xù)優(yōu)化，至1986年，該基準的準確度進一步提升至3×10-13，彰顯了中國在時間頻率計量領(lǐng)域的持續(xù)進步與卓越成就。

1997年起，隨著激光制冷原子技術(shù)的問世與發(fā)展，時頻團隊也開始了全新技術(shù)的時間頻率基準鐘—激光冷卻銫原子噴泉鐘的研制。歷經(jīng)數(shù)年努力，至2002年6月，團隊成功實現(xiàn)了移動光學(xué)粘團，完成了原子的垂直拋射，高度突破至76厘米，并于同年年末完成了微波激勵信號與原子相互作用的Ramsey躍遷實驗。次年1月，整套系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)鎖定，其秒定義復(fù)現(xiàn)的不確定度度達到了8.5×10-15水平。2003年末，在國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局（國家市場監(jiān)督管理總局的前身）的統(tǒng)籌下，一支由5位中國科學(xué)院院士領(lǐng)銜的11人專家鑒定團對該科研項目進行了全面評估，并給予了極高的贊譽。部分鑒定意見如下：“課題組借鑒了國外銫原子噴泉裝置經(jīng)驗，根據(jù)我國工藝條件，采取了單光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)手段，創(chuàng)造性解決了激光頻率穩(wěn)定、光束質(zhì)量、由磁場引起的Majorana躍遷頻移的修正等一系列問題，使裝置能較長時間連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地工作，具有我國自己的創(chuàng)新和特色。”

激光冷卻銫原子噴泉鐘的研制，匯聚了原子物理、波譜學(xué)、激光光學(xué)、高真空技術(shù)、電子工程、計算機科學(xué)及計量科學(xué)等多個領(lǐng)域的尖端成就與精湛工藝，樹立了當時時間頻率計量領(lǐng)域的標桿。冷原子噴泉鐘的里程碑式成功，不僅讓該研究榮獲國家科技進步一等獎，更標志著中國在時間頻率基準研究領(lǐng)域的飛躍，躋身全球領(lǐng)先行列，成為少數(shù)掌握此核心技術(shù)的國家之一。隨后，在計量院昌平院區(qū)這一寧靜的研究環(huán)境中，科研團隊持續(xù)深耕，對激光冷卻銫原子噴泉鐘進行了全面而深入的探索。2014年，NIM5激光冷卻銫原子噴泉鐘成功研制，頻率不確定度優(yōu)于1.5×10-15，獲批“秒長國家計量基準”裝置，并通過國際計量局（BIPM）的嚴格評審，成為全球駕馭國際原子時TAI的核心頻標之一，其裝置成為中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)重要的地面時間頻率基準。2016年，“新一代國家時間頻率基準的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項目再次榮獲國家科學(xué)技術(shù)進步一等獎，體現(xiàn)了計量院在時間頻率領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新與領(lǐng)先實力。

2019年，NIM6激光冷卻銫原子噴泉鐘成功研制，更是將頻率不確定度提升至5.8×10-16，意味著其穩(wěn)定性達到了驚人的5400萬年不差1秒。到了2023年，經(jīng)過系統(tǒng)的全面升級與多參數(shù)優(yōu)化，NIM6的性能再攀高峰，頻率不確定度進一步提升至2.3×10-16。（作者：中國計量科學(xué)研究院 張越）