曹士英 房芳

(中國計(jì)量科學(xué)研究院時(shí)間頻率計(jì)量科學(xué)研究所，北京 100029)

0 引言

時(shí)間單位秒(s)是國際單位制(International System of Units，SI)七個(gè)基本單位之一，也是測量準(zhǔn)確度最高的基本單位。2019年5月20日，國際單位制中的4個(gè)基本單位得以重新定義，至此除了物質(zhì)的量(摩爾)的定義外，其他國際單位的定義都可以通過時(shí)間單位直接或間接導(dǎo)出。高準(zhǔn)確度的時(shí)間頻率基準(zhǔn)不僅是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和科學(xué)研究的重要技術(shù)基礎(chǔ)，也在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、深空探測、高速通信、電力電網(wǎng)、金融等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。時(shí)間單位的定義經(jīng)歷了從天文秒到原子秒的發(fā)展歷程?，F(xiàn)行秒長國家計(jì)量基準(zhǔn)是直接復(fù)現(xiàn)秒定義的銫原子噴泉鐘。銫原子噴泉鐘輸出9 192 631 770 Hz的基準(zhǔn)頻率[1]。隨著高精度原子鐘技術(shù)的不斷進(jìn)步，銫原子噴泉鐘的不確定度已達(dá)到小數(shù)10-16的水平[2]，有望成為下一代秒定義的光鐘的不確定度也已進(jìn)入了10-19量級[3]。

本文主要介紹了時(shí)間頻率基準(zhǔn)的發(fā)展歷程和秒定義變革的相關(guān)情況，并介紹了我國國家計(jì)量院在時(shí)間頻率基準(zhǔn)方面的研究工作及應(yīng)對措施。

1 天文秒

人類對時(shí)間最早的認(rèn)識是通過太陽的東升西落，對時(shí)間單位的定義也是根據(jù)地球的自轉(zhuǎn)。人類從對天文現(xiàn)象的初始觀測中認(rèn)識到地球的周期性運(yùn)動，并逐漸建立起時(shí)間的觀念。在現(xiàn)代時(shí)間概念發(fā)展歷程中， 基于地球自轉(zhuǎn)的時(shí)間體系稱為世界時(shí)，基于地球公轉(zhuǎn)的時(shí)間體系稱為歷書時(shí)，兩者統(tǒng)稱天文時(shí)。天文測量不能直接產(chǎn)生天文秒。天文“時(shí)間基準(zhǔn)”只產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間周期，如世界時(shí)產(chǎn)生“平太陽日”日長，歷書時(shí)使用1 900年的“回歸年”作為年長。天文時(shí)依賴守時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行和均勻細(xì)分產(chǎn)生并保持日、時(shí)、分、秒。用現(xiàn)代時(shí)間概念描述天文時(shí)，即根據(jù)天文測量基準(zhǔn)日長或基準(zhǔn)年長，進(jìn)而校準(zhǔn)守時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)標(biāo)。但由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的周期并不恒定，從而導(dǎo)致由天文時(shí)產(chǎn)生的秒的長度也不相同，存在一定的不可預(yù)測性。

2 原子秒

20世紀(jì)中期，隨著原子物理的成形和發(fā)展，科學(xué)家認(rèn)識到原子內(nèi)電子能級間的特征躍遷頻率在穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性上都超越了天文現(xiàn)象產(chǎn)生的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性，是作為時(shí)間頻率基準(zhǔn)的合適選擇。1955年，英國國家物理實(shí)驗(yàn)室(National Physical Laboratory，NPL)報(bào)道了世界上第一臺熱銫原子束頻率標(biāo)準(zhǔn)[4]。隨即，美國海軍天文臺(United States Naval Observatory，USNO)和NPL合作，依據(jù)天文歷書時(shí)標(biāo)定了NPL銫頻標(biāo)的微波躍遷頻率為9 192 631 770 Hz，相對準(zhǔn)確度為2.2×10-9[5]。1961年，國際計(jì)量委員會(International Committee for Weights and Measures，CIPM)建議采用銫原子基態(tài)躍遷作為秒定義的候選。1967年，第13屆國際計(jì)量大會(General Conference on Weights and Measures，CGPM)通過了采用銫原子躍遷頻率來定義秒的決議，即：銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階間躍遷對應(yīng)輻射的9 192 631 770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間[6]。2018年，CGPM進(jìn)一步采用基于常數(shù)的新理念重新表述了秒定義：銫133原子不受干擾的基態(tài)超精細(xì)躍遷頻率ΔνCs為9 192 631 770 Hz[7]。從而秒定義表述為：當(dāng)ΔνCs以單位Hz(=s-1)表示時(shí)，其固定數(shù)值定義為秒。目前，銫原子噴泉鐘的相對頻率不確定度已達(dá)到 1.71×10-16[8]。

現(xiàn)今，國際計(jì)量局(Bureau International des Poids et Mesures，BIPM)主導(dǎo)“國際原子時(shí)合作”產(chǎn)生國際通用的協(xié)調(diào)世界時(shí)(Coordinated Universal Time，UTC)：分布在世界各地的約80個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室利用450～500臺商品守時(shí)原子鐘產(chǎn)生各自的本地時(shí)標(biāo)[9]。通過衛(wèi)星比對，這些實(shí)驗(yàn)室將守時(shí)鐘數(shù)據(jù)報(bào)送BIPM，加權(quán)平均得到自由原子時(shí)(Echelle Atomique Libre，EAL)。EAL是異地多臺守時(shí)鐘的平均結(jié)果，不但穩(wěn)定，而且可靠。少數(shù)國家研制的噴泉頻率基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)秒定義，駕馭修正EAL的長期漂移和系統(tǒng)偏差，產(chǎn)生不僅穩(wěn)定可靠，而且準(zhǔn)確的國際原子時(shí)標(biāo)(Temps Atomique International，TAI)。TAI不定期插入閏秒就是UTC。TAI和UTC的不穩(wěn)定度為3.5×10-16/30 D，不確定度為2×10-16[10]。UTC是事后的紙面時(shí)，UTC(k)是守時(shí)實(shí)驗(yàn)室k保持的UTC的本地物理復(fù)現(xiàn)，如中國計(jì)量科學(xué)研究院(Natioanl Instoitute of Metrology，China， NIM)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室保持的UTC的物理復(fù)現(xiàn)表示為UTC(NIM)。BIPM每月發(fā)布時(shí)間公報(bào)(Circular T)，公布時(shí)間偏差UTC-UTC(k) 及其不確定度等信息。在過去的20年里，來自不同國家的大約十幾個(gè)噴泉鐘對TAI作出了貢獻(xiàn)，其中我國的銫原子噴泉鐘NIM5是其中的一員。

與微波頻率標(biāo)準(zhǔn)相比，光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)的工作頻率比微波頻率標(biāo)準(zhǔn)高出4～5倍，因此具有更高的頻率穩(wěn)定度和更低的頻率不確定度。光鐘的研究工作始于20世紀(jì)70年代。在1997年諾貝爾物理獎——激光冷卻技術(shù)和2005年諾貝爾物理獎——飛秒光學(xué)頻率梳技術(shù)的推動下，光鐘的研究得到了快速發(fā)展，并開始超過銫原子噴泉鐘。離子協(xié)同冷卻、離子態(tài)的量子邏輯探測、光晶格囚禁原子、光晶格魔術(shù)波長、超穩(wěn)光學(xué)腔、超穩(wěn)激光、低溫制冷原子室和熱屏蔽腔抑制黑體輻射頻移等一系列技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步促進(jìn)了光鐘指標(biāo)的提升。光鐘的不確定度可以達(dá)到小數(shù)10-18甚至進(jìn)入10-19的量級[3,11]。

目前，已經(jīng)有10個(gè)光躍遷頻率(包括2個(gè)新躍遷頻率88Sr 和40Ca+)和一個(gè)微波躍遷(87Rb)被推薦作為次級秒定義。根據(jù)參考量子體系不同，光鐘可分為中性原子光晶格鐘和離子光鐘。其中，光晶格鐘同時(shí)囚禁測量多個(gè)原子，具有信噪比高、頻率穩(wěn)定度高的優(yōu)勢，但需要多維冷卻和光勢阱實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)方案較為復(fù)雜。離子光鐘通常囚禁單個(gè)離子，穩(wěn)定度稍遜于光晶格鐘，但離子的囚禁壽命和相干時(shí)間長且無碰撞頻移，物理系統(tǒng)簡單緊湊，因此不確定度更低、更容易實(shí)現(xiàn)小型化和搬運(yùn)。

在光鐘的研究過程中，光學(xué)頻率梳作為關(guān)鍵技術(shù)在光鐘的絕對頻率測量和光鐘的比對測量中都發(fā)揮著重要的作用。光學(xué)頻率梳梳齒覆蓋的波長范圍廣，并且梳齒之間保持著良好的相干性，以一種相對簡單的方式實(shí)現(xiàn)了微波頻率和光學(xué)頻率的直接鏈接，從而光鐘的絕對頻率測量可直接溯源到現(xiàn)行秒定義——銫原子噴泉鐘或噴泉鐘組。同時(shí)，由于光學(xué)頻率梳梳齒可覆蓋多個(gè)光鐘的光學(xué)頻率，因此可直接實(shí)現(xiàn)不同種離子或原子光鐘的比對測量。當(dāng)同時(shí)測量兩個(gè)獨(dú)立于光學(xué)頻率梳的光學(xué)頻率的比率時(shí)，數(shù)據(jù)符合在10-21量級[12]，從而證明了光學(xué)頻率梳在當(dāng)前光鐘不確定度限制下完全可以支持光學(xué)頻率比測量。

3 秒定義變革討論

3.1 秒定義修改的3種選擇

隨著高準(zhǔn)確度時(shí)間頻率應(yīng)用的需求和光鐘技術(shù)指標(biāo)的不斷提高，國際時(shí)間頻率咨詢委員會(Consultative Committee for Time and Frequency，CCTF)開始組織討論秒定義修改的提議，并根據(jù)現(xiàn)在的理論技術(shù)發(fā)展提出了秒定義修改的3種選擇。

3.1.1 與現(xiàn)在的秒定義類似，選擇單一頻率躍遷作為新定義

備選頻率包括中性原子(87Sr、88Sr、171Yb、199Hg等)和離子(199Hg+、40Ca+、88Sr+、171Yb+等)的鐘躍遷頻率。這種定義的物理意義清晰。不同種類的光鐘各具優(yōu)勢。晶格光鐘同時(shí)囚禁測量多個(gè)原子，具有信噪比高、頻率穩(wěn)定度高的優(yōu)勢，但需要多維冷卻和光勢阱實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)方案較為復(fù)雜。而離子光鐘通常囚禁單個(gè)離子，穩(wěn)定度稍遜于晶格光鐘，但離子的囚禁壽命和相干時(shí)間長，與背景噪聲更好隔絕且物理系統(tǒng)簡單緊湊，不確定度更低，更容易實(shí)現(xiàn)小型化和搬運(yùn)。因此，該方案很難確定最佳秒定義候選。

3.1.2 采用一組躍遷頻率作為新定義

3.1.3 和其他幾個(gè)基本單位的定義一樣，定義一個(gè)基本物理常數(shù)

例如將電子質(zhì)量定義為常數(shù)，通過hve=mec2得到Compton頻率。此種定義的優(yōu)勢是物理概念清晰，且不隨時(shí)間、地點(diǎn)變化。復(fù)現(xiàn)的方式可以通過定義一列類參考頻率實(shí)現(xiàn)。但目前，利用物理常數(shù)定義頻率的所有相關(guān)實(shí)驗(yàn)，其測量不確定度指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前復(fù)現(xiàn)秒定義的銫原子噴泉鐘的指標(biāo)，因此無法利用到目前時(shí)間頻率測量的高準(zhǔn)確度。

3.2 秒定義修改路徑

CCTF在給出秒定義的3種選擇的同時(shí)，還對現(xiàn)有時(shí)間頻率相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提出了相關(guān)要求。在這些技術(shù)目標(biāo)和政策實(shí)現(xiàn)后才能完成最終的秒定義變革。具體秒定義修改路徑如下。

3.2.1 對原子鐘的要求

(1)光頻標(biāo)準(zhǔn)確度要求

? 至少有3個(gè)實(shí)驗(yàn)室研制的基于同一躍遷的光頻標(biāo)，自評定不確定度≤2×10-18。

? 至少有基于3個(gè)不同躍遷的光頻標(biāo)(同一或不同實(shí)驗(yàn)室)，自評定不確定度≤2×10-18。

(2)光頻標(biāo)不確定度評定有效性驗(yàn)證——頻率比值

? 同種光鐘測量結(jié)果一致性：至少3 次；光鐘的頻率比值的吻合度在Dn/n≤5×10-18范圍內(nèi)(通過移動光鐘或者高穩(wěn)定度鏈路)。

? 不同種光鐘比值：至少5 次 ；光鐘或其他光鐘的頻率比值(每個(gè)比值至少在2個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)室測量)的吻合度在Dn/n≤5×10-18范圍內(nèi)(直接測量通過移動光鐘或者高穩(wěn)定度鏈路)。

(3)從銫頻率過渡到新定義的連續(xù)性

至少有3次獨(dú)立利用TAI或者銫原子噴泉鐘對中光鐘的絕對頻率測量(不同或同一實(shí)驗(yàn)室)，測量結(jié)果不確定度受限于銫原子噴泉鐘或者TAI(Dn/n≤3×10-16)。

(4)光鐘對TAI產(chǎn)生具有常規(guī)性貢獻(xiàn)

在1年中 5臺常規(guī)報(bào)數(shù)的光鐘里面，每個(gè)月至少有3臺光鐘參與駕馭產(chǎn)生TAI(不確定度≤2×10-16，不包括二級定義的不確定度)。檢查由光鐘作為基準(zhǔn)而由銫原子噴泉鐘作為二級定義TAI產(chǎn)生無影響。

(5)高可靠性光頻標(biāo)

光頻標(biāo)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中具備連續(xù)可靠運(yùn)行>10 D的能力。

(6)光頻標(biāo)對UTC(k)的產(chǎn)生有常規(guī)性貢獻(xiàn)

參與駕馭產(chǎn)生TAI的光頻標(biāo)對相關(guān)實(shí)驗(yàn)室 UTC(k)的駕馭。

3.2.2 對時(shí)間頻率比對的要求

(1)可持續(xù)光頻標(biāo)比對的可行性：在國家內(nèi)或者洲際內(nèi)(至少對研制1臺光鐘的國家計(jì)量院)可行的通過移動鐘或者時(shí)頻鏈路實(shí)現(xiàn)5×10-18頻率持續(xù)比對技術(shù)。重復(fù)鏈路不確定度評定的能力。

(2)本地引力勢大小的計(jì)算測量水平：對引力勢差的測量計(jì)算和光鐘的準(zhǔn)確度指標(biāo)及頻率比值測量不確定度一致參加TAI駕馭時(shí)，引力勢引進(jìn)的不確定度≤10-17。

(3)高可靠高穩(wěn)定度的時(shí)頻比對鏈路：對可連續(xù)長時(shí)間運(yùn)行的高穩(wěn)定時(shí)頻比對鏈路的需求，實(shí)現(xiàn)光鐘比對及駕馭TAI不受此限制。

3.2.3 接收新定義的條件

(1)定義可以實(shí)現(xiàn)在未來更加準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)

(2)各國家計(jì)量院可以復(fù)現(xiàn)新定義或次級定義

? 利用容易理解的清晰的不確定度評定復(fù)現(xiàn)新定義。

? 銫原子頻標(biāo)作為次級秒定義。

(3)重新定義后復(fù)現(xiàn)和對時(shí)標(biāo)的持續(xù)改進(jìn)

各國家計(jì)量院的承諾如下。

? 改進(jìn)并運(yùn)行光鐘復(fù)現(xiàn)新定義和次級定義(確?？煽?連續(xù)運(yùn)行、常規(guī)駕馭TAI等)。

? 繼續(xù)保持銫原子噴泉鐘在相當(dāng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。

(4)商品光鐘的實(shí)現(xiàn)

(5)傳輸給用戶信號的提高

4 我國國家計(jì)量院時(shí)間頻率基準(zhǔn)的發(fā)展和應(yīng)對

時(shí)間頻率計(jì)量的準(zhǔn)確度是反映一個(gè)國家戰(zhàn)略競爭力的重要標(biāo)志之一?；鶞?zhǔn)原子鐘是時(shí)間頻率計(jì)量體系的源頭，屬于準(zhǔn)確度最高的計(jì)量型科學(xué)儀器，其準(zhǔn)確度決定著國家時(shí)間頻率計(jì)量體系的技術(shù)水平。高準(zhǔn)確度原子鐘系列的研制是保證國家時(shí)間頻率計(jì)量體系獨(dú)立完整性的關(guān)鍵，關(guān)系到國家的核心利益。

作為國家級的法定計(jì)量機(jī)構(gòu)，中國計(jì)量科學(xué)研究院長期開展時(shí)間頻率基準(zhǔn)的研制工作，從早期的熱束型銫基準(zhǔn)鐘，到目前的激光冷卻銫原子噴泉鐘，再到有望成為未來秒定義的光鐘。中國計(jì)量科學(xué)研究院從1965年開始研制第一臺銫束原子頻率標(biāo)準(zhǔn)NIM1，銫束管長度為3 m，至1977年研制完成，準(zhǔn)確度為1×10-11，達(dá)到當(dāng)時(shí)美國商品銫原子鐘的水平；1980年完成5 m長銫束管時(shí)頻基準(zhǔn)器的研制；1981年研制NIM3且通過科研成果鑒定，并于1983年由原國家計(jì)量局正式批準(zhǔn)授權(quán)作為國家時(shí)頻基準(zhǔn)；1986年將NIM3準(zhǔn)確度提高到5×10-13，達(dá)到當(dāng)時(shí)國際先進(jìn)水平(見圖1)。中國計(jì)量科學(xué)研究院于1997年開始研制激光冷卻銫原子噴泉鐘NIM4，于2003年實(shí)現(xiàn)不確定度達(dá)到8×10-15[13]，于2005年進(jìn)一步改進(jìn)后使確定度達(dá)到5×10-15(見圖2)。中國計(jì)量科學(xué)研究院于2005年開始研制激光冷卻銫原子噴泉鐘NIM5，經(jīng)過5年的努力于2010年實(shí)現(xiàn)了1.5×10-15的不確定度指標(biāo)[14]，準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)行率99.2%(見圖3)。NIM5銫原子噴泉鐘于2014年被接收為BIPM認(rèn)可的基準(zhǔn)鐘，參與駕馭TAI，于2018年被改進(jìn)后重新評定的不確定度達(dá)到9×10-16。

圖1 NIM3磁選態(tài)銫束原子鐘

圖2 NIM4激光冷卻銫原子噴泉鐘

圖3 NIM5激光冷卻銫原子噴泉鐘

在傳統(tǒng)銫原子噴泉鐘中采用超穩(wěn)晶振作為短穩(wěn)本振源，受其短期穩(wěn)定度限制，噴泉鐘需要連續(xù)運(yùn)行10 D左右才能達(dá)到穩(wěn)定度平臺。這使得噴泉鐘的實(shí)驗(yàn)和評定都極為耗時(shí)，也難于實(shí)現(xiàn)與光鐘的比對。而將超穩(wěn)微波用于噴泉鐘的短期穩(wěn)定度參考，可以銫噴泉鐘實(shí)現(xiàn)最終穩(wěn)定度的時(shí)間從10 D縮短到1～2 D。中國計(jì)量科學(xué)研究院已開展基于超穩(wěn)激光和光纖光學(xué)頻率梳技術(shù)產(chǎn)生的超穩(wěn)微波源研究，形成了原理樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)室裝備。超穩(wěn)微波源1～100 s的穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-15，30 D有效運(yùn)行率優(yōu)于99.9%[15]，可為時(shí)間頻率、計(jì)量檢測、相控雷達(dá)等領(lǐng)域提供優(yōu)質(zhì)的微波信號。2019年，中國計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)一步攻克了冷原子制備、冷卻和探測等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合超穩(wěn)微波源的應(yīng)用，成功研制出銫原子噴泉鐘NIM6，其頻率不確定度優(yōu)于5.8×10-16(見圖4)。未來，NIM5和NIM6將組成鐘組共同駕馭TAI。

圖4 NIM6激光冷卻銫原子噴泉鐘

現(xiàn)在，中國計(jì)量科學(xué)研究院保存著我國國家秒長基準(zhǔn)——激光冷卻銫原子噴泉鐘NIM5和國家時(shí)標(biāo)基準(zhǔn)UTC(NIM)。這二者共同構(gòu)成了中國的時(shí)間頻率基準(zhǔn)，形成了中國時(shí)間頻率計(jì)量體系的源頭，其基本作用就是保持我國時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)生和保持高度準(zhǔn)確、穩(wěn)定的國家統(tǒng)一使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)產(chǎn)生高度準(zhǔn)確的時(shí)間頻率信號用于國內(nèi)的量值傳遞，滿足國內(nèi)更領(lǐng)域的實(shí)際需求[16]。

由于目前光鐘種類較多，秒定義變更后的基準(zhǔn)光鐘種類還不確定。為了應(yīng)對秒定義變革，中國計(jì)量科學(xué)研究院從2006年開始研制鍶原子光晶格鐘，又于2015年完成了我國第一臺基于中性原子的光鐘NIM-Sr1，其系統(tǒng)頻移不確定度為2.3×10-16，絕對頻率測量不確定度為3.4×10-15[17]，數(shù)據(jù)報(bào)送給CCL-CCTF頻率標(biāo)準(zhǔn)工作組并被采納，參與了鍶原子光鐘頻率2015年國際推薦值計(jì)算。2021年，NIM-Sr1的系統(tǒng)頻移評定不確定度進(jìn)一步提升至2.9×10-17，絕對頻率測量不確定度為3.1×10-16[18]，與此同時(shí)開展的NIM-Sr2，其系統(tǒng)頻移評定不確定度達(dá)到8.9×10-18(見圖5)。

圖5 NIM-Sr2鍶原子光晶格鐘[19]

相較于探測原子數(shù)目較大而在穩(wěn)定度上占優(yōu)勢的光晶格鐘，離子光鐘受到的環(huán)境擾動更小因而準(zhǔn)確度更高。其中鐿離子光鐘擁有兩條成為次級秒定義的鐘躍遷譜線，且囚禁時(shí)間長達(dá)數(shù)月，其八極躍遷譜線自然線寬在n Hz量級。另外，鐿離子的冷卻、重泵、探測等激光均可通過半導(dǎo)體激光器直接獲得，鐿離子光鐘系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用前景。中國計(jì)量科學(xué)研究院自2020年開始布局鐿離子光鐘的研制[20]，目標(biāo)是在2025年完成鐿單離子光鐘的研制，使其不確定度達(dá)到5×10-18，目前已完成物理系統(tǒng)及光學(xué)系統(tǒng)的搭建。

在光鐘的絕對頻率測量和比對測量方面，中國計(jì)量科學(xué)研究院已開展了摻鉺光纖光學(xué)頻率梳和雙光梳時(shí)頻傳遞技術(shù)的研究。摻鉺光纖光學(xué)頻率梳實(shí)現(xiàn)了500～2 200 nm的寬帶光譜覆蓋，連續(xù)鎖定時(shí)間超過30 D[21]，其中窄線寬的光學(xué)頻率可實(shí)現(xiàn)698～1 542 nm的傳遞，可覆蓋多個(gè)光鐘的輸出頻率，梳齒線寬與參考光學(xué)頻率線寬一致(Hz量級線寬)，其具體裝置如圖6所示。在雙光梳時(shí)頻傳遞技術(shù)方面，中國計(jì)量科學(xué)研究院在國內(nèi)建立了第一套基于超窄線寬激光鎖定的雙光梳系統(tǒng)[22](見圖7)，經(jīng)過與第三套線寬約為1 Hz的連續(xù)激光拍頻測試，兩套光梳梳齒之間的相對線寬優(yōu)于1 Hz；經(jīng)有效隔振單臺光梳梳齒絕對線寬也可優(yōu)于1 Hz，為國產(chǎn)化雙光梳時(shí)頻傳遞裝置的建立提供了基礎(chǔ)。

圖6 摻鉺光纖光學(xué)頻率梳

在高準(zhǔn)確度的時(shí)頻傳遞方面，中國計(jì)量科學(xué)研究院成功研制了遠(yuǎn)程時(shí)間溯源裝置——NIMDO，實(shí)現(xiàn)了基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)時(shí)間頻率傳遞的可準(zhǔn)實(shí)時(shí)驗(yàn)證的溯源或授時(shí)技術(shù)，通過GNSS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時(shí)間頻率源與原子時(shí)標(biāo)國家計(jì)量基準(zhǔn)UTC(NIM)的比對，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時(shí)間頻率源與UTC(NIM)的實(shí)時(shí)同步。以UTC(NIM)作為參考時(shí)，可在遠(yuǎn)程端以偏差優(yōu)于10 ns、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度優(yōu)于5 ns的水平復(fù)現(xiàn)UTC(NIM)。

5 結(jié)束語

從天文秒到原子秒，時(shí)間單位的不確定度已提高到5～6個(gè)數(shù)量級，目前的時(shí)間單位的不確定度已達(dá)到小數(shù)10～16的水平，而有望成為下一代秒定義的光鐘的不確定度也已進(jìn)入了10～19量級。時(shí)間單位指標(biāo)的提升帶動了一系列領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和原理創(chuàng)新，同時(shí)也需要更多技術(shù)的支持。在時(shí)間頻率基準(zhǔn)的研究方面，我國的國家計(jì)量院，在銫原子噴泉鐘、原子時(shí)標(biāo)、光鐘、超穩(wěn)微波源、光學(xué)頻率梳、時(shí)頻傳遞等方面都開展了大量的工作并取得了一系列的成果。從時(shí)間頻率基準(zhǔn)的發(fā)展角度看，無論是復(fù)現(xiàn)秒定義的銫原子噴泉鐘還是有望成為未來秒定義的光鐘，一方面需要不斷提高準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、連續(xù)運(yùn)行率等技術(shù)指標(biāo)，另一方面需要基于現(xiàn)有指標(biāo)加快推動時(shí)間頻率基準(zhǔn)的傳遞和應(yīng)用工作。