國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)——秒長(zhǎng)基準(zhǔn)裝置發(fā)展史

自1965年起，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱“中國(guó)計(jì)量院”）的時(shí)間頻率實(shí)驗(yàn)室踏上了研制銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的征途，初始之作便是一臺(tái)采用3米長(zhǎng)銫束管與磁選態(tài)技術(shù)的銫原子鐘。這一時(shí)期不僅是技術(shù)探索的起點(diǎn)，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(zhǔn)確度達(dá)到1×10-11，與當(dāng)時(shí)美國(guó)的同類銫鐘相媲美。次年，NIM1在國(guó)家科技成果展覽中大放異彩，隨后被安置于上海天文臺(tái)，肩負(fù)起為國(guó)家發(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間參考源的重任。

隨后，實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向了更長(zhǎng)束管（5米）的銫原子時(shí)頻基準(zhǔn)器的研制，并于1980年成功問(wèn)世，其準(zhǔn)確度達(dá)到8×10-13，標(biāo)志著中國(guó)在這一領(lǐng)域步入了世界先進(jìn)行列。1981年，該成果連同中國(guó)計(jì)量院的原子時(shí)標(biāo)，共同接受了國(guó)家科委組織的科研成果鑒定，獲得了高度認(rèn)可。1983年，原國(guó)家計(jì)量局正式批準(zhǔn)授權(quán)該設(shè)備作為國(guó)家時(shí)間頻率基準(zhǔn)，標(biāo)志著中國(guó)擁有了獨(dú)立自主的時(shí)頻基準(zhǔn)，成為當(dāng)時(shí)全球第四個(gè)擁有此類高精度基準(zhǔn)的國(guó)家，與美國(guó)、德國(guó)、加拿大及日本并肩。經(jīng)過(guò)不懈的努力與持續(xù)優(yōu)化，至1986年，該基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度進(jìn)一步提升至3×10-13，彰顯了中國(guó)在時(shí)間頻率計(jì)量領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)步與卓越成就。

1997年起，隨著激光制冷原子技術(shù)的問(wèn)世與發(fā)展，時(shí)頻團(tuán)隊(duì)也開(kāi)始了全新技術(shù)的時(shí)間頻率基準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)光學(xué)粘團(tuán)，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(lì)信號(hào)與原子相互作用的Ramsey躍遷實(shí)驗(yàn)。次年1月，整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)鎖定，其秒定義復(fù)現(xiàn)的不確定度度達(dá)到了8.5×10-15水平。2003年末，在國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局（國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局的前身）的統(tǒng)籌下，一支由5位中國(guó)科學(xué)院院士領(lǐng)銜的11人專家鑒定團(tuán)對(duì)該科研項(xiàng)目進(jìn)行了全面評(píng)估，并給予了極高的贊譽(yù)。部分鑒定意見(jiàn)如下：“課題組借鑒了國(guó)外銫原子噴泉裝置經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)我國(guó)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(chǎng)引起的Majorana躍遷頻移的修正等一系列問(wèn)題，使裝置能較長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地工作，具有我國(guó)自己的創(chuàng)新和特色?！?/p>

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(jì)算機(jī)科學(xué)及計(jì)量科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的尖端成就與精湛工藝，樹(shù)立了當(dāng)時(shí)時(shí)間頻率計(jì)量領(lǐng)域的標(biāo)桿。冷原子噴泉鐘的里程碑式成功，不僅讓該研究榮獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，更標(biāo)志著中國(guó)在時(shí)間頻率基準(zhǔn)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(guó)家之一。隨后，在計(jì)量院昌平院區(qū)這一寧?kù)o的研究環(huán)境中，科研團(tuán)隊(duì)持續(xù)深耕，對(duì)激光冷卻銫原子噴泉鐘進(jìn)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(zhǎng)國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)”裝置，并通過(guò)國(guó)際計(jì)量局（BIPM）的嚴(yán)格評(píng)審，成為全球駕馭國(guó)際原子時(shí)TAI的核心頻標(biāo)之一，其裝置成為中國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)重要的地面時(shí)間頻率基準(zhǔn)。2016年，“新一代國(guó)家時(shí)間頻率基準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目再次榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)，體現(xiàn)了計(jì)量院在時(shí)間頻率領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新與領(lǐng)先實(shí)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(dá)到了驚人的5400萬(wàn)年不差1秒。到了2023年，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的全面升級(jí)與多參數(shù)優(yōu)化，NIM6的性能再攀高峰，頻率不確定度進(jìn)一步提升至2.3×10-16。（作者：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 張?jiān)剑?/p>