原子钟的几种常见类型
原子钟——精选推荐
原⼦钟利⽤原⼦的⼀定共振频率⽽制造的精确度⾮常⾼的计时仪器。
是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，也是国际时间和频率转换的基准，⽤来控制电视⼴播和全球定位系统。
现在⽤在原⼦钟⾥的元素有氢、铯、铷等，最好的铯原⼦钟精度可以达到每500万年相差1秒。
现在的世界标准时间，即是由原⼦钟报时的协调世界时。
环球⽹：由于格林尼治标准时间跟不上计算机时代的发展，今后⼈们可能将以原⼦钟标准时间为准。
原⼦钟以原⼦共振频率标准来计算及保持时间的准确，是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，也是国际时间和频率转换的基准，⽤来控制电视⼴播和全球定位系统卫星的讯号。
原⼦钟⾥的元素有氢、铯(sè)、铷(rú)等。
最好的铯原⼦钟精度可以达到每500万年相差1秒。
这为天⽂、航海、宇宙航⾏提供了强有⼒的保障。
[1]原⼦钟直到20世纪20年代，最精确的时钟还是依赖于钟摆的有规则摆动。
取代它们的更为精确的时钟是基于⽯英晶体有规则振动⽽制造的，这种时钟的误差每天不⼤于千分之⼀秒。
即使如此精确，但它仍不能满⾜科学家们研究爱因斯坦引⼒论的需要。
根据爱因斯坦的理论，在引⼒场内，空间和时间都会弯曲。
因此，在珠穆朗玛峰顶部的⼀个时钟，⽐海平⾯处完全相同的⼀个时钟平均每天快三千万分之⼀秒。
所以精确测定时间的唯⼀办法只能是通过原⼦本⾝的微⼩振动来控制计时钟。
[2]1945年，哥伦⽐亚⼤学物理教授Isidor Rabi建议采⽤他在⼆⼗世纪三⼗年代开发的原⼦束磁共振法制造时钟。
1949年，国家标准局（NBS，现称美国国家标准技术协会，简称NIST）宣告开发了全球第⼀台将氨分⼦⽤做振荡源的原⼦钟；1952年，该机构宣告开发了第⼀台将铯原⼦⽤做振荡源的原⼦钟，即NBS-1。
1955年，英国国家物理实验室制造出了第⼀台可⽤做振荡源的铯束原⼦钟。
在其后的⼗年中，越来越多的先进时钟相继问世。
1967年，第13届度量衡⼤会在铯原⼦振荡技术的基础上制定了SI秒，从此，全球的计时系统不再以天⽂学技术为基础。
原子钟
王治樊 乔梁
01 • 原子钟的工作原理
• 原子钟发展历史
02
原子钟的工作原理
• 综合原子综系合统时原组系子成时统的定（义及拓展） 03
综合原子时的归算
原子钟以原子共振频 率标准来计算及保持
时间的准确。
原子钟里的
元素有氢、铯、 铷等。
尽管市面上有形形色色的各种原子钟，但这些
原子钟的原 理都是相同的，其主要差别在于使 用的元素，以及能级变化时间的检测方式。
第一阶段： 由铯原子组成的气体，被
引入到时钟的真空室中，用6 束相互垂直的红外线激光
（黄线）照射铯原子气，使之 相互靠近而呈球状，同时激光
减慢了原子的运动速度并将 其冷却到接近绝对零度。此 时的铯原子气呈现圆球状气 体云。
综合原子时数据库不仅包
括了国内各守时实验室的主钟和其
它艳钟、氢钟、铆钟的比对结 果, 包括了长波、电视、微波 和卫星等多种同步技术的比对结
果, 还包括了国外主要守时中心, 如
美国海军天文台, 日本东京天文 台、日本电波研究所、巴黎天文 台、加拿大国家研究委员会等的
测量结果。
远距离同步
内部比对
综合原子时数据库Байду номын сангаас
预处理系统
M O W A 算法
协调补偿
原子时
协调时
综合原子时公报
综合原子时系统组成：
综合原子时预处理系统是一
种拟处理方式的设计, 能够成批计算大 量各实验室的原子钟的有关性能参数,
有效地处理原子钟中时有发生的相位 和频率的阶跃问题, 自动解决数据处 理中出现的满刻度、过零和软盘 转换等问题. 特别是该系统实现了电 视比对结果的自动补偿, 克服了错帧、 错场、错行或错用均衡脉冲等问
原子钟的几种常见类型
原子钟得几种常见类型摘要本文按出现得时间顺序介绍几种常用原子钟(光谱灯抽运铷原子钟、光谱灯抽运铯原子钟、磁选态铯原子束钟、激光抽运铯原子束钟、激光冷却冷原子喷泉钟、积分球冷却原子钟)得基本原理。
原子钟就是利用原子或分子得能级跃迁得辐射频率来锁定外接振荡器频率得频率测量标准装置得俗称,通称为量子频率标准或原子频标。
其工作原理可用图1来描述：图1一个受控得标准频率发生器产生得信号经过倍频与频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率得信号,激励原子产生吸收或受激发射得频率响应信号，呈共振曲线形状,称为原子谱线,其中心频率即原子跃迁频率为,线宽为Δν。
若经过转换得受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出得响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率,直到使其与原子频率符合为止。
这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上,从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率得目得。
光谱灯抽运铷原子钟光抽运汽室频标用碱金属原子基态两个超精细结构能级之间跃迁得辐射频率作为标准频率,它处在微波波段。
在磁场中,这两个能级都有塞曼分裂,作为标准频率得跃迁就是其中两个磁子能级=０之间得跃迁,它受磁场影响最小。
若用合适频率单色光照射原子系统,使基态一个超精细能级上得原子被共振激发,而自发辐射回到基态时可能落到所有能级,原子就会集中到一个基态能级，极大地偏离玻尔兹曼分布,这就就是光抽运效应。
这里选择抽运光起着关键作用。
在2０世纪60年代初,激光器刚发明尚无法利用,唯一可用得共振光源就是光谱灯。
一般光谱灯就是由同类原子发光，它得光谱成分能使基态两个超精细能级上得原子都被激发,因而不能有效地实现选择吸收,起到光抽运作用。
幸好对铷原子,可以有一个巧妙得办法。
铷原子有两种稳定同位素:与，其丰度分别为72、2%与27、8%。
它们各有能级间距为3036MＨz与6835MＨz 得两个超精细能级,其共振光得频率分布如图2所示。
这里Ａ，B线为所产生,a，ｂ线属于原子。
原子钟的几种常见类型
光谱灯发出的共振光经透镜聚焦后，通过置于谐振腔内的汽室被吸收，并在光电检测器上得到一定电平的光电信号。这相当于光抽运下原子在两个基态超精细能级上建立稳态分布时的信号，当谐振腔内电磁场频率与超精细跃迁相符时，原子在两个超精细能级之间发生跃迁，打破了原有的原子在能级上的平衡分布，又会发生新的光吸收，产生跃迁的光检测信号，即原子钟信号。
冷原子喷泉钟的基本想法如图7所示，搭建一个竖立的真空装置，真空中充
有工作介质(铷或铯)的饱和蒸汽，利用激光俘获原子并将其冷却，将原子上抛。原子在上抛和下落的过程中只受到重力作用，它两次穿过微波腔，与时间上的分离振荡场作用，产生钟跃迁，然后探测不同能级的原子。最后获得与Ramsey钟跃迁相应的荧光信号。这样极大减小了传统结构中两个振荡场不同所造成的相位频飘而且两次与微波振荡场作用时的速度等值反向，消除了一阶多普勒频移。[2]图7
积分球冷却原子钟积分球冷却原子钟的基本思想是把原子钟的所有相互作用(原子冷却、原子制备、微波探测和检测)都在同一地方发生，应用时序将各个阶段的作用分开。从而该钟可以减小到几升的体积。
积分球冷却原子钟的物理部分是由激光焊接的钛材做成，真空室由2L/s的离子泵维持在9* mPa。外面罩两层磁屏蔽。
为了满足冷却过程的需要，球形紫铜腔须光学抛光到λ/14的精度以便储存激光和产生各向同性的光场以供捕获和冷却原子用。同时，这个微波腔调谐在9。192GHz 模式，用于激励“钟”跃迁。微波腔内有一Cs原子储存泡，保持真空度在 乇。含泡腔的Q=3000。
图1
一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率的信号，激励原子产生吸收或受激发射的频率响应信号，呈共振曲线形状，称为原子谱线，其中心频率即原子跃迁频率为 ，线宽为Δν。若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率，直到使其与原子频率符合为止。这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上，从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的。
氢铷原子钟
传统原子钟：这里，把原子钟发明以来
获得广泛应用、结构日臻完善的原子钟．归 类为传统型原于钟，其原于样品工作温度均 在室温(300K)以上，它们是铷原于钟、氢原 于钟和铯原子钟。 新一代原子钟： CPT(Coherent Populati on Trapping)相干布居陷阱、冷原子钟、光钟
氢原子钟
铷原子钟
原理
1、选择合适的能量状态原子
2、强烈的微波场 3、检测器检测 4、锁频（相）环路
铷原子
铷 气 泡 型
铷 激 射 器
铷 气 泡 型
（1）利用高频放电将 铷原子激发到高能态自 激辐射产生两种频率的 波 （2）利用滤光泡将一 种吸收 （3）剩下的单色光入 射到谐振腔与微波作用， 利用光敏管探测出来 （4）利用锁频电路输 出
铷 激 射 器
去掉光敏管，将 锁频电路换为锁 相电路
优点：体积小 缺点：精度不高，30 万年一秒
铷原子钟
Hale Waihona Puke 原子主 动 型被 动 型
主 动 型
被 动 型
优点：中短期性能突 出，价格低廉 缺点：体积较大，精 度不高，3000万年一 秒
氢原子钟
氢、铷原子钟
铯原子钟
原子喷泉钟、CPT钟、 光钟（玻色-爱因斯 坦凝聚原子喷泉技术 ）
原子钟的基本原理及应用
原子钟的基本原理及应用1.原子钟的概念原子钟，是一种利用原子、分子能级差为基准信号来校准晶体振荡器或激光器频率，以使其输出标准频率信号的一种装置。
它利用原子能级跃迁产生的光信号，通过光电转化、信号处理后获得用来修正晶振或激光器频率的负反馈纠偏信号，使其输出稳恒振荡频率，这种输出频率可以用来精确计量时间。
根据采用的原子种类和技术手段的不同，原子钟可以分为很多种。
因为特定原子能级之间的能极差是很稳定的，所以原子钟的准确度很高，可以达到千万年仅差一秒或者更高的水平。
2.几种常见的原子钟随着物理学技术的发展，特别是与原子钟技术有关的原子、分子和光学物理方面的进步，极大地促进了原子钟技术的发展，人们研制出了不同种类的原子钟。
现代原子钟所采用的许多技术都与脉泽、激光以及后来的激光光谱学新领域的发展密不可分。
这些技术的发展导致原子和离子的激光冷却和囚禁技术的产生，很多新型原子钟也应运而生。
2.1冷原子喷泉钟冷原子喷泉钟主要有铯原子喷泉钟和铷原子喷泉钟两种，它们的工作原理相同，结构也大同小异。
喷泉原子钟工作时，冷原子云在电磁场以及重力的作用下沿喷泉管上下运动，以完成原子能级变化的检测，就像喷泉一样，所以取了一个形象的名字—喷泉钟。
2.2原子光钟原子光钟是一种作为参考标准的原子能级跃迁频率处于光频波段的原子钟。
原子光钟的工作原理与微波原子钟相似，除了跃迁频段不同之外，其频率发生器是稳频激光器而不是微波原子钟的晶体振荡器。
原子光钟用稳频激光器的脉冲去探测被激光冷却的工作物质（原子或离子），激励被冷却的工作物质发生跃迁，使用一个声光调制器（AOM）调节探测激光的频率，使它接近原子的共振频率，跃迁信息通过光电倍增管来检测，以原子跃迁产生的信号作为参考信号，并通过声光调制器和伺服系统调制探测激光的频率，使其锁定到原子的共振中心频率。
因为光频率比微波频率高大约5个量级，激光冷却可以把元素样品冷却到μK 量级的低温，从而使谱线具有很高的Q值，所以原子光钟可以达到很高的准确度和稳定度，频率稳定度可以达到10-17甚至10-18量级。
原子钟简介
原子钟-定义原子钟，它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的；他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。
根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。
这里电磁能量是不连续的。
当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。
这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。
同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。
因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。
30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。
也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。
在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。
依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。
为此他还获得了1944年诺贝尔奖。
同年，他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”（他的学生这样说道），也就是这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。
他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。
这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。
在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。
当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。
通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。
原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。
人们日常生活需要知道准确的时间，生产、科研上更是如此。
人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。
原子钟的研究和应用
原子钟的研究和应用第一章原子钟的基本原理原子钟是一种高精度的时间计量设备，其原理基于原子的稳定振荡。
常见的原子钟有氢原子钟、铯原子钟和氘原子钟等。
其中最广泛使用的是铯原子钟。
铯原子钟的工作原理是利用铯原子的电子跃迁作为对时间的计量标准。
通过激光和微波的作用，铯原子的基态的两个能级之间的能量差被精确地测量，从而推算出标准时间的读数。
第二章原子钟在精确计时中的应用原子钟的精度达到了很高的水平，它在钟表的计时、导航系统、卫星通讯以及实验物理等领域都有着广泛的应用。
在卫星通讯领域，原子钟能够提供非常高精度的时间同步，保证通信质量。
同时，原子钟在导航系统中的应用也非常重要。
全球定位系统（GPS）就是利用原子钟来测量卫星和接收器之间的信号传输时间，从而计算出接收器的位置。
在实验物理领域，原子钟也是非常重要的设备。
例如，在中微子物理实验领域，原子钟的精度能够提供非常好的测量值。
第三章原子钟技术的发展原子钟技术自20世纪50年代起开始得到广泛研究和应用。
随着科技发展，原子钟的精度也越来越高。
目前，最先进的铯原子钟的精确度达到了1秒钟误差不到1微秒，这已经足以满足人类的计时需求。
除此之外，原子钟技术也在不断发展和完善。
例如，研究人员正在研究光晶体原子钟和氦原子钟等新型原子钟。
这些原子钟能够提供更高的精度，同时也能够在更为复杂的环境中工作。
第四章原子钟与人类生活的结合原子钟作为一种高精度的计时工具，已成为人类生活中的重要设备。
它被广泛应用于钟表、计算机、通讯、铁路等各个领域中。
例如，各类交通工具的时刻表，都需要依赖原子钟提供精确的时间。
另外，在股票市场中，原子钟也能够提供非常高精度的计时服务。
原子钟还能够辅助气象科学，提供精确的天气预报服务，提高人们对自然灾害的防范能力。
第五章结语原子钟是一种高精度的计时设备，它在现代科技领域扮演着非常重要的角色。
随着科技的不断进步，原子钟的精度和适用范围也得到了不断扩大。
相信，在未来，原子钟将能够更好地服务于人类社会的各个领域中，为人们的生产和生活带来更为便利、高效和准确的计时服务。
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原子钟的几种常见类型摘要 本文按出现的时间顺序介绍几种常用原子钟(光谱灯抽运铷原子钟、光谱灯抽运铯原子钟、磁选态铯原子束钟、激光抽运铯原子束钟、激光冷却冷原子喷泉钟、积分球冷却原子钟)的基本原理。
原子钟是利用原子或分子的能级跃迁的辐射频率来锁定外接振荡器频率的频率测量标准装置的俗称，通称为量子频率标准或原子频标。
其工作原理可用图1来描述：图1一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率的信号，激励原子产生吸收或受激发射的频率响应信号，呈共振曲线形状，称为原子谱线，其中心频率即原子跃迁频率为ν0，线宽为Δν。
若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率，直到使其与原子频率符合为止。
这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上，从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的。
光谱灯抽运铷原子钟 光抽运汽室频标用碱金属原子基态两个超精细结构能级之间跃迁的辐射频率作为标准频率，它处在微波波段。
在磁场中，这两个能级都有塞曼分裂，作为标准频率的跃迁是其中两个磁子能级m F =0之间的跃迁，它受磁场影响最小。
若用合适频率单色光照射原子系统，使基态一个超精细能级上的原子被共振激发，而自发辐射回到基态时可能落到所有能级，原子就会集中到一个基态能级，极大地偏离玻尔兹曼分布，这就是光抽运效应。
这里选择抽运光起着关键作用。
在20世纪60年代初，激光器刚发明尚无法利用，唯一可用的共振光源是光谱灯。
一般光谱灯是由同类原子发光，它的光谱成分能使基态两个超精细能级上的原子都被激发，因而不能有效地实现选择吸收，起到光抽运作用。
幸好对铷原子，可以有一个巧妙的办法。
铷原子有两种稳定同位素：Rb 85和Rb 87，其丰度分别为72. 2%和27. 8%。
它们各有能级间距为3036MHz 和6835MHz 的两个超精细能级，其共振光的频率分布如图2所示。
这里A ，B 线为Rb 85所产生，a ，b 线属于Rb 87原子。
从它们的位置可见，A ，a 两线有较多的重合，而B ，b 线则重合较少。
因此，若Rb 87原子发出的光透过一个充以Rb 85原子的滤光泡，a 线就会被较多地吸收，而剩下较强的b 线。
Rb 87原子在这种光作用下，就会有较多的下能级原子被激发，从而使更多原子聚集在超精细结构的上能级上，这就实现了光抽运效应。
图2光谱灯抽运铯原子钟 20世纪60年代初期铯原子没有简单的抽运光源可用，只能利用无极放电光谱灯。
这种灯能发出强度大致相等的两条超精细结构谱线，分别可对铯原子基态F=3和F=4两个超精细能级发生作用，引起原子激发。
由于F=4态有9个塞曼子能级，F=3态只有7个，而原子吸收光的概率与能级数成正比，所以，铯共振光通过铯汽室后，两个超精细结构成分被吸收的程度不同，从而造成两种成分的光强差，这就会使基态F=4能级上的原子数比F=3能级上多，引起两个能级上原子数差，实现了光抽运。
不过因为两种成分光强相差不大，抽运效率显然不高。
铯原子光抽运汽室频率标准物理部分的原理装置如图3所示。
图3光谱灯发出的共振光经透镜聚焦后，通过置于谐振腔内的汽室被吸收，并在光电检测器上得到一定电平的光电信号。
这相当于光抽运下原子在两个基态超精细能级上建立稳态分布时的信号，当谐振腔内电磁场频率与超精细跃迁相符时，原子在两个超精细能级之间发生跃迁，打破了原有的原子在能级上的平衡分布，又会发生新的光吸收，产生跃迁的光检测信号，即原子钟信号。
磁选态铯原子束钟图4表示这种频标物理部分———铯束管的工作原理。
图4铯原子从铯炉经过由大量细长管子组成的准直器以很小发散角(约1°)的“原子束”形式“泻流”出来，穿过由强不均匀磁场形成的B分析磁铁区，由于处于基态两个超精细结构能级上的原子带有不同磁矩，在强不均匀磁场中因偏转方向不同而分成两束，如图4所示。
其中一束被引入带有C场和微波谐振腔的“中段”，在那里与微波辐射场进行两次相互作用而完成跃迁。
图5跃迁后原子束继续前行，经过第二个强不均匀磁场(B分析磁铁)，跃迁原子被偏向检测器，未经跃迁的则被偏离开。
检测器上跃迁信号与微波频率的关系呈Ramsey曲线，如图5(a)所示。
检测器用热离化丝把中性铯原子离化为离子而加以收集。
通过测定铯原子数定频。
激光抽运铯原子束钟高梯度不均匀强磁场选态只利用基态F=4或3，m F=0能级上的原子，只是16个能级之一；而且磁偏转与原子速率有关，可利用的原子又只占很小的一个“速度窗口”，真正被接收到的跃迁原子约只占原子束中总原子数的万分之一。
激光抽运原则上可使所有基态原子集中到所需能级，从而极大地提高原子信号的信噪比。
激光抽运原子束频标用光检测办法来探测跃迁原子信号，但不像在光抽运汽室频标那样通过光吸收变化来检测，而是直接探测跃迁原子发出的荧光。
图6显示这种频标物理部分的结构。
图6由图可见，原子在激光作用下集中到超精细结构上能级，它们穿过谐振腔后若无跃迁，则在检测区不可能受同一束光作用而发出荧光；而若发生了跃迁，原子就过渡到超精细结构下能级，并能再次吸收光而产生荧光，因此检测区的荧光是原子发生跃迁的表征。
在工艺上，激光抽运铯束管不但避免了在真空密封上难以处理的强场磁铁问题和设计制造技术上精密的束光学问题，而且荧光检测还消除了用热离化丝检测引起的诸多问题，包括离子噪声问题，十分娇嫩且影响寿命的电子倍增器及强磁场质谱计问题等。
但是激光抽运铯束管也带来了消除光频移和激光器长期稳定工作的难题。
激光冷却冷原子喷泉钟在用Ramsey分离场技术获得跃迁信号的原子钟中，线宽Δν决定于原子飞过谐振腔中“漂移区”(两个微波相互作用区之间的长度L)的时间T，有Δν≈1/2T。
而T与原子速度v有关，T=L/v，速度越大，T越小。
所以原子速度愈低，越有利于取得高的频率稳定度。
因此，激光冷却原子的方法应运而生。
对原子钟工作来说，激光冷却原子技术的应用主要有：激光减速原子束、冷原子团的激光操控和激光阱中的原子陷俘。
它们都依赖于激光对中性原子产生的散射力和偶极力。
散射力利用多普勒频移使原子吸收频率低于共振频率的光而激发，而自发辐射则平均放出共振频率的光，其能量亏损靠原子损失动能来补偿，从而实现了减速。
偶极力则依靠原子基态能级能量与光强成正比的光频移，原子受到一束强度不均匀的光束作用时，处在不同位置的原子因为受到的光强不同而使其基态能量有所不同，这是一种随位置而变化的能量，所以是“势能”，这使原子趋向于能量最低处，从而能陷俘原子。
[1]冷原子喷泉钟的基本想法如图7所示，搭建一个竖立的真空装置，真空中冲有工作介质(铷或铯)的饱和蒸汽，利用激光俘获原子并将其冷却，将原子上抛。
原子在上抛和下落的过程中只受到重力作用，它两次穿过微波腔，与时间上的分离振荡场作用，产生钟跃迁，然后探测不同能级的原子。
最后获得与Ramsey钟跃迁相应的荧光信号。
这样极大减小了传统结构中两个振荡场不同所造成的相位频飘而且两次与微波振荡场作用时的速度等值反向，消除了一阶多普勒频移。
[2] 图7积分球冷却原子钟积分球冷却原子钟的基本思想是把原子钟的所有相互作用(原子冷却、原子制备、微波探测和检测)都在同一地方发生，应用时序将各个阶段的作用分开。
从而该钟可以减小到几升的体积。
积分球冷却原子钟的物理部分是由激光焊接的钛材做成，真空室由2L/s的离子泵维持在9*10−9mPa。
外面罩两层磁屏蔽。
为了满足冷却过程的需要，球形紫铜腔须光学抛光到λ/14的精度以便储存激光和产生各向同性的光场以供捕获和冷却原子用。
同时，这个微波腔调谐在9。
192GHz H001模式，用于激励“钟”跃迁。
微波腔内有一Cs原子储存泡，保持真空度在10−8乇。
含泡腔的Q=3000。
原子的冷却、制备、探测和检测等每个相互作用过程在同一微波腔中分时序进行。
首先将频率比Cs循环跃迁Fg=4一Fe=5’调低几MHz的冷却激光和调到Fg=3一Fe=4’的重抽运光，通过6条多模保偏光纤注入腔中，在高反射率的球形谐振腔中，利用漫反射的红移激光和重抽运光的双重作用把Cs原子冷却并囚禁在微波腔中心。
此时所有原子被制备处于态Fg=4的所有m F态上。
然后实施从基态Fg=4到激发态Fe=4’的光抽运，最终将原子抽运到基态Fg=3态。
第三步，应用Ramsey 微波探测，|Fg=3，m F=0>Zeeman能级上的原子转移到|Fg=4，m F=0>能级上。
然后让调谐在Fe=4一Fg=5’的垂直线性吸收光束通过原子样品，以循环跃迁检测这个能级上的原子数(N4)，然后应用4一5’的蓝移激光清除能级Fg=4上的原子。
而后利用π跃迁微波脉冲将留在能|Fg=3，m F=0>上的原子转移到Fg=4能级(一方面因为原子在腔中，另一方面我们不能用光抽运，因为微波探测后还有许多原子留在Fg=3，m F≠0的能态上)。
最后利用同样的垂直线性吸收束检测这个能级上的原子数(N3)。
于是，应用已知的N4和N3，我们就可得出跃迁几率:P=N4N3+N4利用跃迁几率的峰值信号就可鉴别微波激励信号的准确与否，从而将微波源频率锁定在原子跃迁峰值上。
[3]在绕地球轨道、行星轨道或飞越行星运行的各类航天器上放置原子钟，对空间科学的发展产生着重要的作用。
空间原子钟的研制成功，使导航定位系统产生了革命化的发展；航天器装载高稳定度的原子钟，使空间科学试验，诸如基础物理测试以及深空探测等成为可能。
[4]随着21世纪这个太空世纪的到来，原子钟的重要性愈发凸显。
在提高原子钟的稳定性和原子钟小型化的道路上，科研人员还有很长的路要走，但无疑前景是广阔的。
参考文献[1] 原子钟与相关物理学的研究……王义遒[2] 新型原子钟及其在我国的发展……翟造成，杨佩红[3] 第三代卫星导航定位系统星载原子钟的新发展……翟造成，杨佩红[4] 应用原子钟的空间系统与空间原子钟的新发展……翟造成。