國家計量基準——秒長基準裝置發展史

自1965年起，中國計量科學研究院（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技術的銫原子鐘。這一時期不僅是技術探索的起點，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，肩負起為國家發播標準時間參考源的重任。

隨后，實驗室轉向了更長束管（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該設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。經過不懈的努力與持續優化，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域的持續進步與卓越成就。

1997年起，隨著激光制冷原子技術的問世與發展，時頻團隊也開始了全新技術的時間頻率基準鐘—激光冷卻銫原子噴泉鐘的研制。歷經數年努力，至2002年6月，團隊成功實現了移動光學粘團，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，整套系統實現閉環鎖定，其秒定義復現的不確定度度達到了8.5×10-15水平。2003年末，在國家質量監督檢驗檢疫總局（國家市場監督管理總局的前身）的統籌下，一支由5位中國科學院院士領銜的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驗，根據我國工藝條件，采取了單光纖傳輸等技術手段，創造性解決了激光頻率穩定、光束質量、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、穩定、可靠地工作，具有我國自己的創新和特色。”

激光冷卻銫原子噴泉鐘的研制，匯聚了原子物理、波譜學、激光光學、高真空技術、電子工程、計算機科學及計量科學等多個領域的尖端成就與精湛工藝，樹立了當時時間頻率計量領域的標桿。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域的飛躍，躋身全球領先行列，成為少數掌握此核心技術的國家之一。隨后，在計量院昌平院區這一寧靜的研究環境中，科研團隊持續深耕，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航系統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鍵技術與應用”項目再次榮獲國家科學技術進步一等獎，體現了計量院在時間頻率領域的持續創新與領先實力。

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，意味著其穩定性達到了驚人的5400萬年不差1秒。到了2023年，經過系統的全面升級與多參數優化，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：中國計量科學研究院 張越）

來源: 原創