NIST团队利用光学技术研发下一代微型芯片级原子钟

　　NIST下一代微型原子钟的核心是一个芯片上的蒸汽电池（以高“光学”频率滴嗒)，图为显示在一粒咖啡豆旁。玻璃电池(芯片中的方形窗口)含有铷原子，其振动提供时钟的滴嗒。整个时钟由三个微晶片组成，外加辅助电子和光学元件。

　　核心组件

　　美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家及其团队展示了一种实验型的下一代原子钟，这种原子钟在高“光学”频率滴嗒，比通常的原子钟要小得多，由三个小芯片加上支持电子和光学的芯片组成。

　　据Optica期刊中介绍，这种芯片级别的时钟是基于晶片上一个名为“蒸汽电池”的小玻璃容器中铷原子的振动，即“滴答声”。芯片上的两个频率梳就像齿轮一样，将原子的高频光学滴答声连接到一个更低的、可广泛应用的微波频率上。

　　这款新型钟的核心芯片只需要很少的能量(仅275毫瓦)，随着技术的进一步进步，它有可能变得足够小，可以手持使用。像这样的芯片级光学钟最终可能会在导航系统和电信网络等应用领域取代传统的振荡器，成为卫星上的备用钟。NIST研究员John Kitching说:“我们研制的光钟，其中所有关键部件都是微加工的，这些部件协同工作以产生非常稳定的输出。最终，预计这项工作将导致小型、低功耗的钟变得极其稳定，并将为便携式、电池驱动设备带来新一代精确计时技术。”

　　加州理工学院(California Institute of Technology, Pasadena)、斯坦福大学(Stanford University, California)和查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室(Charles Stark Draper Laboratories, Cambridge, Mass.)为NIST成功研制这台钟提供了帮助。

　　应用领域

　　标准原子钟以微波频率工作，基于铯原子的自然振动，这是世界上对秒的基本定义。光原子钟的频率更高、精度更高，因为它们把时间分割成更小的单位，并且有一个高的“质量因子”，这反映了原子在没有外界帮助的情况下可以自己计时多长时间。光钟因此有望成为未来重新定义秒的基础。

　　在NIST最初的芯片级原子钟中，用微波频率探测原子。这台钟的商业型已经成为需要高定时稳定性的便携应用的行业标准。但它们需要初始校准，且频率会随时间漂移，从而导致显著的计时误差。

　　到目前为止，光钟一直体积庞大、结构复杂，只能作为计量机构和大学的实验使用。紧凑型光钟可能带来技术应用的进步。

　　铷中的光学刻度作为频率标准已被广泛研究，其准确度足以作为长度标准。NIST的铷蒸气电池和两个频率梳是用与计算机芯片相同的方法微加工的。这意味着它们可以支持电子和光学的进一步集成，并且可以大规模生产，这是一条通向商业上可行的紧凑光学时钟的道路。

　　工作原理

　　NIST基于芯片的光钟在4000秒时的不稳定性为1.7×10−13，大约优于芯片型微波时钟的100倍。时钟的工作原理是这样的:铷原子以太赫兹(THz)波段的光学频率滴嗒。这种滴嗒声被用来稳定一种红外激光器，称为时钟激光器，通过两个像齿轮一样的频梳转换成千兆赫(GHz)微波时钟信号。一个以THz频率工作的梳子跨越足够宽的范围以稳定自身。THz梳与GHz频率梳同步，GHz频率梳被用作锁在时钟激光器上的细间隔标尺。因此，该时钟产生了一个可以用传统的电子仪器测量GHz微波电子信号，稳定到铷原子的THz振动。

　　在未来，基于芯片的时钟的稳定性可能会随着低噪声激光得到改善，其尺寸也会随着更复杂的光学和电子集成而减小。