[TOC]

原子钟的意义

GPS+(Global+Positioning+System)

参考【Engineer guy】原子钟的工作原理及其在GPS系统中的应用 @圆桌字幕组

• 简单讲，我们需要精准度量时间的工具，以便于对物理时间的发生时间做精确地判定。由于原子能级接近一条线，所以原子能级的跃迁辐射的电磁波的频率近似于唯一且精准，没有大的抖动和变化。这样就可以利用电磁波的周期振动来定义精准的一秒。以北斗系统将使用的冷原子钟为例，精度达到，四千万年差1s。
• 得到了精准的s定义，在GPS系统中，每个同步卫星中都有一个原子钟，彼此同步，并将位置和时间戳信息不断地发射给地球上的终端。这样利用四颗卫星给定的位置和时间坐标，就可以确定你的位置。参考GPS原理。由于推算位置需要利用 ，如果时间推算的结果差1ms，你的距离就会偏移300km，系统报废。
• 而今天，卫星定位系统已经能够定位处于开阔位置的所有终端的位置。而在室内，由于GPS信号难以穿透，定位就难以实现。所以，人们想利用5G基站+原子钟，来做室内的定位系统。同样为了高精度，就需要原子钟的协助，而芯片级的原子钟，小巧廉价，无疑是最好的选择。

Cs原子能级分析

• 铯Cs 133 原子能级如下，其中精细能级F3->F4对应的频率是f_Cs=9,192,631,770 Hz，则1s就定义为振动f次的时间。
• 也就是说，只要知道精准的，没有任何抖动的单频，那么就能得到精确的1s

• 而原子钟的精细能级变化极小，因而可以获得精准的频率，从而得到精准的时间

  
  
  铯原子能级.png
• 原子内部，电子由低能级被泵浦到高能级。再由高能级自发跃迁到低能级时就会发出对应能级能量的电磁波。

基于VCSEL的方案，利用了CPT（相干布居囚禁）效应

• 一种基于VCSEL的原子钟方案，如下图所示。

  
  
  一种铯原子钟方案

• 用894nm或852nm的激光，把Cs原子最外层电子泵浦到高能级。之后电子会自发跃迁到基态

• 而在基态中，有Cs原子的基态精细能级跃迁F4->F3 对应的微波频率f_cs ~9.2GHz

• 如果用直调VCSEL泵浦，同时调制一个(f_Cs)/2 GHz的信号，由于CPT效应，基态能级相干叠加导致电子受囚禁，Cs原子的电子会被钳制在相干叠加的基态，导致吸收852nm激光的D2跃迁会减弱，气室不再吸收光子跃迁，从而让Cs晶体(图中的Cs Cell)对该调制光的吸收减弱，探测器功率增强。如果调制频率偏离这个f_cs/2则探测器功率减弱。如果所示

调制频率变化时，探测器功率的变化

• 这样利用一个反馈锁频锁相链路连接，调整VCESL的调制信号f_mo=f_Cs/2，对准原子的精细能级，让PD探测的信号强度最小，就可以将调至信号的频率锁定到Cs原子的跃迁频率上，从而将微波信号的抖动缩小，得到稳定的单频，从而反推出精确的时间。
• 而这个射频频率就可以定义出1s中的时间
• 原子钟的精度一方面取决于反馈体系； 另一方面其极限精度受限于以下两点 1. 取决于原子能 F3<->F4能极差的变化（极小）,即电子精细能谱的线宽 2. 原子温度，主要是影响背景噪声，进而影响探测精度。（所以我国天宫二号搭载的冷原子Rb钟，精度极高，能进一步加强北斗系统的定位精度）

芯片级原子钟举例

• MITIGATION OF TEMPERATURE-INDUCED LIGHT-SHIFT EFFECTS IN MINIATURIZED ATOMIC CLOCKS

举例

各类原子钟的不确定度

1. Serkland D K, Peake G M, Geib K M, et al. VCSELs for atomic clocks[C]//Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers X. International Society for Optics and Photonics, 2006, 6132: 613208.
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock