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。
探索时钟的秘密认识时钟和时间的关系
探索时钟的秘密认识时钟和时间的关系探索时钟的秘密：认识时钟和时间的关系时钟，是我们日常生活中不可或缺的工具，也是人类认识时间的重要窗口。
然而，你是否曾思考过，究竟是什么使得时钟能够准确地显示时间？本文将探索时钟的秘密，帮助我们更深入地认识时钟和时间的关系。
一、时钟的分类在开始探索时钟的秘密之前，我们首先需要了解时钟的基本分类。
时钟可以分为机械时钟、电子时钟和原子钟三种类型。
1. 机械时钟：机械时钟是利用机械装置和发条来驱动指针运行，通过齿轮之间的传动关系来实现时间的测量。
这种时钟的精确度较低，通常会有一定的偏差。
2. 电子时钟：电子时钟是利用电子元器件和晶体振荡器来驱动数字显示，具有较高的精确度和稳定性。
电子时钟可以通过内部的时基电路来校正时间，以减少时间的误差。
3. 原子钟：原子钟采用原子物理过程作为时间基准，最常见的是以铯或氢原子为基准来测量时间。
原子钟具有超高的精确度，误差仅在每几百万年才会有一秒钟的偏差。
二、时钟的精确度时钟的精确度是指时钟显示的时间与实际时间之间的偏差程度。
不同类型的时钟具有不同的精确度，而精确度的提高对于时间的准确测量至关重要。
随着科技的不断发展，原子钟的精确度已经达到了毫微秒甚至更高的程度。
而机械时钟的精确度相对较低，可能会出现每天几分钟的误差，因此在实际应用中往往需要进行手动矫正。
三、时间的刻度时钟上的刻度是帮助我们读取时间的重要标志。
不同类型的时钟采用不同的刻度方式。
1. 机械时钟的刻度：机械时钟一般采用12小时制或24小时制。
在12小时制中，时针每转动一圈表示12个小时；在24小时制中，时针每转动一圈表示24个小时。
分针和秒针则通常刻度为60个单位，分别表示分钟和秒钟。
2. 电子时钟的刻度：电子时钟通常采用24小时制。
数字显示屏会以数字的形式显示时间，与机械时钟相比更加直观和易读。
3. 原子钟的刻度：原子钟的刻度同样采用24小时制。
由于原子钟精度极高，刻度较为细致，可以精确到毫微秒甚至更小的单位。
芯片原子钟
芯片原子钟原子钟是一种精确计时设备，它使用原子物理中的稳定振荡现象来测量时间。
芯片原子钟是一种小型化的原子钟，它将原子钟技术集成到芯片上，具有小巧、低功耗和高稳定性的特点。
下面将对芯片原子钟进行详细介绍。
芯片原子钟采用的基本原理是原子的振荡频率非常稳定。
在原子钟中，常用的振荡器是铯原子或针对铯原子进行调整的型号。
铯原子钟的原理如下：首先，铯原子被加热，使其蒸发成铯原子蒸气。
然后，这些原子通过激光束被囚禁在一个封闭的腔体内。
在腔体内，激光束与铯原子发生共振，使铯原子产生受激辐射。
之后，将受激辐射的频率通过一个稳定的振荡器转化为电信号，并进行计数和测量，从而得到非常准确的时间。
芯片原子钟是将原子钟的核心部分——振荡器集成到芯片上。
它的精确度通常在数纳秒到毫秒之间，比传统的石英晶体振荡器要高出几个数量级。
此外，芯片原子钟具有非常低的功耗，通常只需几十微瓦，可以极大地延长电池的寿命。
由于芯片原子钟的小型化和低功耗特性，它被广泛应用于移动设备、导航系统和数据中心等领域。
在移动设备中，芯片原子钟可以提供非常准确的时间信息，以便实现精确的定位和时间同步。
在导航系统中，芯片原子钟可以提供高精度的时间和位置信息，提高导航定位的准确性。
在数据中心中，芯片原子钟可以用于同步多台服务器的时间，保证数据的一致性和准确性。
然而，芯片原子钟也存在一些挑战和限制。
首先，腔体的封闭性和激光束的稳定性对芯片原子钟的精确度和稳定性有很大影响，需要采取一些措施来解决。
其次，芯片原子钟的制造和集成是一项技术难题，需要掌握核心的集成技术和原子物理知识。
最后，芯片原子钟的成本较高，需要一定的投资才能实现商业化应用。
总的来说，芯片原子钟是一种集成了原子钟技术的小型化设备，具有小巧、低功耗和高稳定性的特点。
它的应用范围广泛，可以提供准确的时间和位置信息。
虽然还存在一些挑战和限制，但随着技术的进步和成本的下降，芯片原子钟有望在更多的领域得到推广和应用。
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
原子钟的原理应用有哪些
原子钟的原理应用有哪些原子钟的原理原子钟是利用原子内部的电子转跃来测量时间的高精度时钟。
它基于原子的稳定性和精确的振荡频率来实现时间的准确测量。
常见的原子钟主要是以原子内部的电子转跃为基础的。
原子的稳定性原子钟中使用的原子通常是铯（Cesium）或铷（Rubidium），因为这两种元素的原子非常稳定。
原子钟中通常使用铯-133的同位素或铷-87的同位素。
电子转跃原子钟的工作原理基于原子内部的电子从低能级跃迁到高能级的过程。
电子转跃是原子内部的能量变化，对应着原子获得或失去能量的过程。
这种转跃是具有确定的能级差的，因此可以用时间来描述。
原子内部振荡频率的测量原子钟利用原子内部振荡频率的稳定性来测量时间。
原子在特定能级转跃过程中会发射或吸收特定频率的辐射。
原子钟通过测量辐射频率的稳定性来确定精确的时间。
原子钟的应用原子钟已经广泛应用于各个领域，具有重要的意义。
下面列举了几个原子钟的主要应用：•精确时间测量：原子钟可以提供非常高精度的时间测量。
它被广泛用于科学研究、航天航空、导航系统等领域，确保时间的准确性。
•全球定位系统（GPS）：原子钟作为GPS系统的核心组件之一，用于测量卫星和地面定位站之间的微小时间差。
通过计算这些时间差，可以准确确定接收机的位置。
•时频传输：原子钟的高精度时间信号可以用于时频传输。
它被广泛应用于电信、金融、能源等领域，确保数据传输的准确性。
•科学研究：原子钟在科学研究中扮演着重要角色。
比如，在物理学研究中，原子钟被用来验证相对论、研究引力波等重要课题。
•防御和安全：原子钟在防御和安全领域有重要应用。
它被用于导弹发射系统、核电站控制、网络安全等领域，确保系统的稳定和安全。
•天体测量：原子钟可以提供精确的时间信号，用于测量地球和天体之间的微小差异。
它对于天体物理学研究和星际导航有着重要的作用。
•原子钟的进一步发展：随着科学技术的不断发展，原子钟也在不断进化。
目前，一些实验室已经实现了更高精度的原子钟，其应用前景更加广阔。
原子钟
直到本世纪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。 NIST F-1原子钟，它由170个元器件组成，其中包括透镜，反射镜和激光器。位于中部的管子高1.70米，铯原子在其中上下移动，发出极为规则的“信号”。 本世纪30年代，美国哥伦比亚大学实验室的拉比和他的学生在研究原子及其原子核的基本性质时所获得的成果，使基于上述原子计时器的时钟研制取得了实质性进展。在拉比设想的时钟里，处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场，场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近，原子从电磁场吸收的能量就会越多，并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。反馈回路可调节振动场的频率，直到所有原子均能跃迁。原子钟就是利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲，目前，振动场频率与原子共振频率已达到完全同步的水平。1949年，拉比的学生拉姆齐提出，使原子两次穿过振动电磁场，其结果可使时钟更加精确。1989年，拉姆齐因此而获得了诺贝尔奖。 二战后，美国国家标准局和英国国家物理实验室都宣布，要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准。世界上第一个原子钟是由美国国家物理实验室的埃森和帕里合作建造完成的，但这个钟需要一个房间的设备，所以实用性不强。另一名科学家扎卡来亚斯使得原子钟成为一个更为实用的仪器。扎卡来亚斯计划建造一个被他称为原子喷泉的、充满了幻想的原子钟，这种原子钟非常精确，足以研究爱因斯坦预言的引力对于时间的作用。研制过程中，扎卡来亚斯推出了一种小型的原子钟，可以从一个实验室方便地转移到另一个实验室。1954年，他与麻省的摩尔登公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟。两年后该公司生产出了第一个原子钟，并在四年内售出50个，如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代。 到了1967年，关于原子钟的研究如此富有成效，以至于人们依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义。如今的原子钟极其精确，其误差为10万年内不大于1秒。历经数年的努力，三种原子钟――铯原子钟、氢微波激射器和铷原子钟（它们的基本原理相同，区别在于元素的使用及能量变化的观测手段），都已成功的应用于太空、卫星以及地面控制。现今为止，在这三类中最精确的原子钟是铯原子钟，GPS卫星系统最终采用的就是铯原子钟。 今天，名为NIST F-1的原子钟是世界上最精确的钟表，但它并不能直接显示钟点，它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量。这一计时装置安放在美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所（NIST）物理实验室的时间和频率部内。1999年才建成的这座钟价值约为65万美元，可谓身价不菲。在2000万年内，它既不会少1秒也不会多1秒，其精度之高由此可见一斑。这架昂贵的时钟既没有指针也没有齿轮，只有激光束、镜子和铯原子气。
原子钟
/AMuseum/time/index.htmlNPL：铯：计时技术小史文/Justin Rowlatt铯中心：位于科罗拉多州的信号中继站，原子钟时间信号从这里传到美国的千家万户。
作为一个化学元素，铯实际上已经重新对时间进行了定义。
自小时候到现在，在各种场合你都被告知准时很重要。
现在，有了铯原子，全世界各个地方的时间都能保持准确，准确到让我们感到需要重新思考时间是什么。
而且我们发现计时技术中存在一个奇怪的缺陷。
事实上是在近些年来人们才意识到准确及时的重要性。
并不是我们的祖先不需要知道时间，他们当然需要。
几千年来，人类制造出多种多样精致的仪器来衡量时间的流逝。
但事实是直到175年前，在那之前的几千年里，人们对于时间的定义来源都是太阳。
不管走到哪里，你总能认出什么时候是正午。
晴天里只要看一眼天空或者看一下日晷，你就能知道时间。
这一切随着世界上第一条铁路线的开通而改变了，这第一条铁路就在这里，在我们英国。
在那之后人们都知道伦敦的正午比布里斯托（Bristol）的正午早10分钟，这是一个精确的值，它是阳光走过两座城市之间的经度差所需要的时间。
计时系统出现错误导致的将不只是乘客会误车。
由于计时偏差导致的危险事件甚至火车事故越来越多。
1840年11月，英国西部铁路公司（Great Western Railway）解决了这一问题，他们使用了一个叫“铁路时间”（Railway Time）的计时系统。
系统内所有城市的时间都是伦敦时间，这是第一次人们根据一个标准将不同地点的时间同步起来。
此举引起了很大争议。
突然间，皇家格林尼治天文台（Royal Observatory）就可以从遥远的格林尼治控制你的时间系统。
埃克赛特大学的校长拒绝将学校大教堂的时钟调整至英国西部铁路公司所要求的时间。
布里斯托采用了一个折中的方案：时钟上有两个分针，一个显示当地时间，一个显示“铁路时间”。
这座钟位于布里斯托，钟上仍旧有两根分针，两者表示的时间相差十分钟然而“铁路时间”逐渐成为了英国很多地方的时间标准，而且在世界上其他后来修建铁路的地区大多数都采用了“铁路时间”的标准。
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。
原子钟的发展及其应用浅析
原子钟的发展及其应用浅析摘要：原子钟作为精密的时间测量仪器，在科学研究和技术方面广阔的应用空间。
经过进百年的发展，原子钟的精度、稳定性、尺寸和使用成本相比于刚发明时有了很大的提高，并且已经被应用于科研和生产生活方方面面。
本文主要介绍了原子钟的工作原理，几种应用较广的原子钟类型以及原子钟的应用，并提出了一些原子钟有待改进的问题。
关键字：原子钟超精细能级激光 GPS全球定位系统一、引言众所周知，时间的测量与国民经济、国防、科学实验乃至人民的生活密切相关。
在实验室等场合，人们对精密时间测量有很高的要求，但现在日常生活中常见的计时仪器如石英表、电子表等都无法很好地满足人们的需求，因此我们迫切需要一种精确计时仪器，随后便有了原子钟的发明。
最早的传统型原子钟由Isidor Rabi与他的学生在20世纪30年代发明，其主要原理是超精细能级跃迁。
尽管它最初本是由Isidor Rabi创造出来用于探索宇宙本质的，但其后有了许多应用。
经过半个多世纪的发展，传统型原子钟演变为多种类型的新一代原子钟，主要有冷原子喷泉钟、空间基准钟、气泡型冷原子钟以及CBT钟和光钟等。
同时，原子钟也获得愈来愈广泛的应用，重要性也更加显著：它被广泛应用于导航、信息等领域，例如如今已渗透到人们生活各个方面的GPS的主要控制部分就含有原子钟。
原子钟为远距离精确定位提供了基础。
在高科技研究方面，由于原子钟而能精确地获得时间数据，使得测量耗时短的物理过程成为可能，可以提高研究水平以及结果的准确性和可靠性。
本文以下部分将依次阐述原子钟的基本原理、原子钟的主要类型、原子钟在生活工业和科技方面的应用，以及其局限性和发展前景。
二、原子钟的原理目前所有种类的原子钟都是以超精细能级跃迁为基本原理设计的。
本段首先解释什么是超精细能级跃迁。
原子核外的电子只能在特定的、不同的轨道上运动，不同轨道上的电子有不同的能量，不同的能量值称之为能级。
核外电子能在不同的轨道上跃迁，使原子有不同的能量，即处于不同的能级。
原子钟基本原理及各类原子钟性能
1
原子跃迁频率
原子钟信号
理想的原子钟信号
实际信号
2
原子钟的特征参数
❖ 频率稳定度— 表征原子钟输出信号的频率值波动程度（时域，阿伦方差、 哈达玛方差）或频谱噪声大小（频域，相位噪声）
❖ 频率准确度— 表征原子钟输出信号的频率与标称的定义值（秒定义导出） 的符合程度
USNO43, India1, Brazil1, Mexico1,KRISS1 , NRC1, ON11 , ... 25台
11
光学频率原子钟
微波频率~1010Hz，光学频率~1015Hz
12
≤ 5×10-14/5d、1×10-14/5d
8
铯束原子钟
热铯原子束
原子速度 100m/s 、腔长 1m
T=10ms、 =50Hz
9
铯原子喷泉钟
10
国际第一台铯原子喷泉钟
LNE-SYRTE (FO1) ± 4×10-16 , 1.6×10-14τ -1/2 FO1-FO2: ±4.0×10-16, 5.4×10-14 τ -1/2, 2.2×10-16 (50 000 s)
115 mW, 16 cm3
➢ 小批量生产能力，支撑Micro-PNT、水下导航、
2E-10/s
Drift < 1E-10/month
数子通信等发展
5
铷原子钟
Symmetricom
TNT
星载铷钟
体积小、功耗小、易于小型化，最广泛使用的工程原子钟； 准确度：~±1E-11； 稳定度：2~3×10-12 τ-1/2 ，2~3×10-14/d；天漂≤8.2×10－14 存在光频移、信噪比低、寿命短等缺陷
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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，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=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：和，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线为所产生，a，b线属于原子。
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，若原子发出的光透过一个充以原子的滤光泡，a线就会被较多地吸收，而剩下较强的b线。
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，=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。
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，=0>Zeeman能级上的原子转移到|Fg=4，=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。
而后利用跃迁微波脉冲将留在能|Fg=3，=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，≠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=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。