我国早期原子钟研制历程回顾
2020-04-29王义遒
王义遒
(北京大学信息科学技术学院电子学系，北京 100871)
1 引 言
1999年7月，由中国计量测试学会时间频率专业委员会、中国天文学会时间频率专业委员会、中国宇航学会计量与测试专业委员会和中国全球定位系统技术应用协会授时与时间专业委员会共同发起并联合举办的全国时间频率学术年会在青岛召开(属原由计量测试学会主持的第六次全国时间频率学术报告会)以来，每两年轮流由一个专业委员会主持承办，至2019年正好满20周年。这是很值得纪念的，它标志着我国时间频率界的大联合、大团结，也体现着这20年来中国时间频率领域研发工作的大进步、大发展！
以研制原子钟(频标)为代表的中国时间频率技术发展道路十分曲折，大体经历了三个时期：上世纪六七十年代的初创期，八九十年代的停滞期，和本世纪这二十年的大发展期。
目前，我国正在研制的原子钟种类齐全，以铷、氢、铯为代表的实用原子钟生产已基本实现，星载铷钟稳定度水平已处于国际前列，上海光机所创造了人类第一次将冷原子钟搭载在空间站上实验运行的纪录。各类授时系统都已建立，北斗全球卫星定位导航授时系统即将提前完成计划。
但是，我们在时频领域主要核心设备原子钟的研制和守时、授时的体制与测试方法基本处于跟随状态，缺乏自主创新；实用原子钟除铷钟发展较好外，均需进一步提高性能指标，特别是在可靠性和寿命方面还要经受长期考验，个别元器件(如作为原子选态和检测用的半导体激光器、磁选态铯束管中的电子倍增器)和关键技术尚待继续攻关；大量精密测试设备还依赖进口。可以说，我国实用原子钟和时间频率测试设备的生产尚处在需要进一步开发和工艺规范化与产业整合的阶段。当前正在建设的国家时间频率体系还不能完全做到“独立自主”，依然存在着部门分割、分散，难以实现真正“统一”的局面。
为了使中国真正成为时间频率强国，满足中华民族伟大复兴所提出的基本科技发展需求，以下几点是至关重要的。
1)在提高现有或未来原子钟性能指标上还有一些重要的基础物理与工艺技术问题尚需挖掘与探索；
2)经济活动，特别是国防建设需要更为精准的时频服务；
3)为验证基础物理理论与物理常数随时空变化的研究需要提供极端精密的时频服务；
4)为重建新的秒定义和建立在物理常数上的计量单位新定义的复现与实施取得中国的话语权。
因此我们还要不懈努力，一方面在基础研究狠下功夫，争取做出原始创新，另一方面，还要在工艺技术上精益求精，以求在原子钟和时间频率领域做出我国独特的创新贡献。
本文结合我国早期原子钟发展历程对此展开一些叙事性的阐述和议论。
2 我国早期原子钟研制
在“我国原子时频事业早期回顾一隅”[1]一文中可以看到，早期原子钟研究者都是从基本物理原理开始，一步一个脚印地走过来的。
2.1 束管研究解决真空问题
1960年前后，我国一些科研机构和高校对做铯、氢、铷三种实用原子钟在物理技术上已有一些准备，但困难极大。1956年，丁渝先生从加拿大回国，加盟中科院原子能所。他一方面在北京大学兼职，创办了波谱学专门化，带着一批青年教师与学生，在中国首次观察到了核磁共振、电子顺磁共振和核四极矩共振信号。这是原子频标的物理基础。另一方面，他在原子能所开始设计铯原子束装置，以便开展原子核磁矩和铯原子束频率基准的研究。1959年，计量院会同清华物理教研组设计制造铯束管的计划因难度太大而下马，丁渝先生带着青年研究人员吴苍生等人一面开始进行钠原子的光磁双共振研究，一面则设计制造了一支由铜板焊接而成、长不到2m的方形铯束管装置，我们称其为“铜棺材”。由于当时焊接和真空技术不过关，直到1966年前，真空度始终达不到要求，后来观察到铯束射频跃迁信号。丁渝先生是中国波谱学的鼻祖，“波谱学”的名称就是他在参与国家“12年科学技术发展规划”时确定的。他奠定了我国铯束和汽室频标的第一块基石。
2.2 高度重视工艺技术研究
1960年，王天眷克服困难辗转西欧回国，到中科院武汉物理数学所(当时称“中南物理所”)，继续他与汤斯合作的氨分子钟研究工作。不久上海天文台也开始研制氨分子钟。1963年前后，当认识到氨分子钟性能指标难以提高后，较快地转向了1960年由Ramsey等人发明的氢原子激射器的研制。他们以工艺为先抓研制。1963年，笔者第一次参观中南物理所时，王天眷先生非常自豪地介绍工厂里一名技工用滚珠抛磨得十分光滑的21cm谐振腔内壁，从而可以获得几万Q值。这是产生“激射”的先决条件。可见他对精益求精的工艺技术和工匠精神的尊重。
2.3 光抽运汽室原子钟研究
1961年，上海光机所(原“中科院电子学研究所”)王育竹从苏联研究生毕业回国，继续从事其在苏联科学院电子学研究所的光抽运钠原子汽室频标的研究工作，从筹建实验装置观察光磁共振信号开始，最终做成一台钠原子钟。因钠原子钟性能不够好，70年代初转向研制铷汽室频标。1972年与上海国荣灯具厂联合研制成功我国第一台铷频标。
1961年，笔者从苏联读研究生毕业回国，在北大化学系徐光宪教授和中科院化学所钱人元教授的支持下，举办了一个“核磁共振在化学中应用”讨论班。当时，波谱学专门化属于无线电物理专业，设在无线电电子学系。1963年，北大无线电系主体迁到昌平分校，笔者与化学系和化学所的联系不便，只好转向寻找国防研究项目。笔者曾以莫斯科大学普罗霍洛夫为导师，他是氨分子钟的发明人之一，1964年获诺贝尔物理学奖，对波谱学在研制原子频标中的重要作用有所了解。当时正是光抽运汽室频标的初创期，而我们教研室对开展光抽运磁共振工作已有相当基础，于是决心转向原子频标研究方向。由于这类原子频标是一种用原子跃迁频率锁定石英晶体振荡器频率的自动控制装置，笔者利用暑期自学了自动控制与频率控制理论，大体上理解了这种频标的设计原理。此后，我们与国内兄弟单位进行合作，做原子钟总体设计和物理部分的研制。
1963年10月，由于87Rb和85Rb两种同位素，当时国内没有，如从英国购买，价格昂贵，且到货期长。因此决定立即从铯原子入手开展工作。由于当时没有更高的标准可用来进行比对，1965年底我们完成了三台同样的样机，采用“三角帽”两两互比的方法得到最好短期稳定度为5×10-11的结果(或说600年不差1s)。
研制过程中，对铯灯泡的发光颜色曾有过较大争论。过去我们做光磁共振都以钠原子为样品，它发出的两条589.0nm和589.6nm黄线很容易用肉眼辨认；而铯灯泡两条有用的894.3nm和852.1nm谱线是红外线，人眼看不见。在高频无极放电下看到的是白光、浑浊白光或玫瑰色光，且强弱可变。究竟何种为好，我们决定通过科学实验来解决。将铯灯搬到物理系光谱仪上做实验，发现还是暗玫瑰色的灯铯谱线最强。后来用光抽运光检测来检验证明也如此。但铯、铷、氢的共振光要么在红外，要么在紫外，为什么频标用的抽运光源和氢离解器发出的光都以玫瑰色为最好？笔者翻阅了多本气体放电的资料，不得其解。可见原子钟里物理问题，还有许多问题需要探讨。
铯汽室的光抽运靠的是原子基态两个超精细能级的简并度不同，F=4有9个能级，F=3是7个，因而共振光通过时其超精细能级的吸收率为9∶7。正是由于这种微弱的吸收率差造成吸收泡后部两个能级上的原子布居数不同，从而可以检测到9 192 631 770Hz附近的微波跃迁，做成频标。这种光抽运效率远比利用同位素效应的铷频标要低。为了得到最佳抽运效果，我们用计算机计算了吸收泡的最佳长度。1963年，我们用国产第一代电子管计算机——103机做了计算，并使用大量纸带打孔计算了约一个月，才获得结果。所幸与我们预估的相差不多。
2.4 铷频标设计定型鉴定
1976年2月，中国唯一一次的“全国原子钟会议”召开。仅隔一天，四机部也在科学会堂召开了北大与北京768厂合作研制的铷频标生产设计定型鉴定会，与会代表上百人。两家单位分别做了设计报告，几家用户单位也做了试用报告之后，代表们不仅参观考察了生产现场，还分组用两天时间将200多张图纸进行了认真审查讨论，代表们提出了百余个问题或修改意见，要求我们答复或解释。其中连一颗螺钉的位置都不能放过。我们连夜讨论，最后归结成约40多个问题并一一向大会做了解释，或表明修改态度。可见当时大家工作态度的认真与严谨。
我们当时为了精益求精，在使用单位的要求下，将试制产品进行了空中试飞，这样对温度稳定性提高了要求，并对物理部分(泵体)的热设计先后做了两次修改，在技术员与工人师傅连夜加班的积极配合下性能终于得到改善。由于我们当时对热设计理论生疏，又缺乏材料的热学数据，这种修改主要是凭经验。由于形势变化，这款频标只进行了两年多时间的批量生产就终止了。
2.5 铯束管研制
1976年，我们在“全国原子钟会议”上接受了研制小型密封铯束管的任务。此前，计量院已经开始研制铯束基准(即“大束管”)，12所和17所也在联合研制密封同轴型铯束管，体积较大(束管长60cm)。
我们首先确定要研制能批量生产的仪器型频标。由于缺乏相关资料，我们从基本原理实验开始做起。在电子倍增器研制中采用了计量院的方案，准直器参考了12所的方案，而吸铯剂也是12所提供的氯化银片。由于国内石墨的吸铯效果均极差(我们还请化学系做过石墨和锌片的吸铯效果实验，锌片因没能赶上实验而未用)。而氯化银一接触金属就腐蚀，使用要极其谨慎小心。当时各单位不分彼此，技术上互相帮助，有困难共同克服，患难与共。
由于领导重视，兄弟单位密切配合，经费有保障，我们的研制进展很快，两年内基本配齐了各种工艺设备，其中焊接就有点焊、钎焊、高频焊、氩弧焊等几种，在技术员与技术工人紧密配合，和附近工厂的支持下，我们基本上备齐了可研制与生产铯束管的全套零部件。准直器是在技工精心钻研下用镀铜铝丝密排成型后拉伸腐蚀去铝而成的，多在工具显微镜下看到的个个通透率极高的蜂窝状孔径时，笔者的心情难以言表。为了得到最佳束光学设计，我们从原理出发，设计制造了两台动态铯束管。一台专门研究原子束形分布，另一台则准直器位置与倾角可变，原子探测器位置可移动，部件可更换，可以全面研究束光学及Ramsey花样。这样我们开始在不同微波频率与强度、不同C场下对原子束磁共振谱线进行了系统的研究。
1978年，通过实验，笔者看到不加C场时的Rabi跃迁谱线可以完美重复量子力学二能级跃迁精确解曲线的实验结果。同时，在斜入射束、无微波作用下移动探测器观察铯束形分布时(如图1所示)，我们发现本应只有一个主束峰(如为F=4态原子)的探测平面上却出现了另一较小的副峰[2](如图2所示)。它绝非因偏转不好而混进来另一态(F=3)原子，而是部分F=4态原子在两个偏转磁铁之间发生了跃迁，变成为类似F=3原子了。反之亦然。经过仔细分析后，确认它是Majorana跃迁的表现。这是一种在多个等距能级之间发生的多能级跃迁，在微弱磁场下原子超精细结构的塞曼能级之间就可能发生，如图3所示中(4，4)与(4，-4)的9个能级之间。注意到在强磁场下，(4，-4)能级的行为与F=3原子相同，因此，当F=4，mF≠-4原子跃迁到(4，-4)能级时就偏转到后者的位置上去了，成为一个副峰。F=4上各能级原子跃迁到(4，-4)能级的概率不同，这就会造成超精细微波跃迁7条线的强度不对称，如图4所示。
图1 动态铯束管装置示意图Fig.1 Dynamic cesium beam device
图2 偏转束形(选F=3)曲线图Fig.2 Beam deflection (F=3)
图3 铯原子基态随磁场变化下的Majorana跃迁曲线图Fig.3 The dependence of the Majorana transitions of cesium with magnetic field strength
图4 超精细跃迁σ线的强度分布曲线图Fig.4 The intensity distribution of the hyperfine σtransitions with C field in z/-z direction
1978年10月，德国PTB G.Becker来华访问。关于频率基准方面，说他们研制的铯束基准不确定度已经达到了7×10-15，远远高于其他基准。在报告中也提到有Majorana 跃迁问题，但论述不详，也未在不确定度估算中考虑这个问题。笔者在上海计量局，找到机会与他讨论并将实验记录给他看时，他却不置可否。1979年，他在美国PTTI会议发表的论文中，仍认为其频率基准不确定度是7×10-15。据计量院黄秉英(他参与了该次会议)说，这引起与会人们的质疑(当时仅10-15就是一个极难的测量问题)。但同年在另一次会议上，他却说PTB Cs I的不确定度仅为1.5×10-13，比原数降了一个多数量级。近20年后，笔者看到他们发表的Cs I早期资料，7条超精细跃迁谱线明显不对称，呈现出Majorana跃迁的显著迹象[3]。
1979年3月，笔者将各种可能的Majorana跃迁概率均做了计算，发现可以较好地与实验结果印证，于是就撰写了一篇长文章，后经过精简发表在《计量学报》(1981年1月第1期)[2](原文以课题组名义刊于内部刊物上[4])。后来得知，日本就Majorana效应一文先于1980年在IEEE上发表[5]，不过两者论题很不相同，互不重复。
1983年，笔者又写了一篇英文文章，比较全面介绍了这种效应，详细分析了它对频标性能的影响，并提出了一些消除和减少这种影响的设想[6]。当时PTB该组成员，后来成为时频室主任的A.Bauch当时还是博士生，后来他的博士论文就以铯束管中的Majorana跃迁为题，其在PTB发表的博士论文中第一篇引文就是我在《计量学报》1983年发表的英文文章[6]。
1984年初，笔者访问PTB时，在成因、计算、对原子频标的影响等方面介绍了对Majorana跃迁问题的看法。此前，笔者在巴黎高师(ENS)和巴黎南大学原子钟研究所(LHA)各讲过一次，听众较多。这时我们才确信，外国人并没有做过像我们这样的细致实验，因为他们一开始都是使用固定束通道的对称束，所以不可能得到我们的结果。他们提出的一些Majorana跃迁对频率不确定度影响的看法是对的，但缺乏定量的依据，因此真正将这项影响考虑到频率基准不确定度评估中有定量数据的极少。
2.6 光抽运光检测铯束频标的早期探索
1980年，法国人Arditi和Picqué提出了一种像铷频标光抽运光检测的铯束管方案后，笔者认为可以消除原来磁选态铯束管中繁复的工艺问题而得到远为优越的频标性能指标。在与12所的同事讨论后，他们也认为可行。我立即在该所刊物上发表了一篇推荐文章[7]。我们争取到了一小笔启动费(2万元)，并很快在12所的帮助下，利用一些原有的零部件做出了一只动态铯束管。最主要的问题是要用到单模半导体激光器(虽然也可使用体积庞大、价格昂贵的Ti宝石激光器)。对此我们不熟悉，请清华大学周炳琨小组的张汉一合作，利用廉价的Mitsubishi或夏普的激光器(约一二百美元一只)做了利用外腔稳定激光频率的工作。利用这些激光器我们用光谱仪和铯汽室研究了一系列的激光性能，但都不足以很好地观察到铯束光抽运信号。
与此同时，我们对激光抽运和检测问题，做了一些理论研究，列出了选择不同跃迁与偏振的单激光和双激光抽运下铯原子在各能级上的分布方程，计算了允许得到最佳光抽运光检测组合。我们的研究成果在1983年杭州召开的中国第一次国际时间频率会议上做了报告[8]。该文后被美国NIST、法国LHA、韩国KRISS和日本等国频标界引用，有一定影响。但是实验进展却很迟缓。直到1984年初，才得以观察到了铯束的光抽运和光检测信号[9]，并做成一台初步的动态频标[10]。
后来杨东海参与工作。他将数字锁定技术引入激光稳频，但激光频率的长期漂移导致跳模问题仍令人困惑，难以长期工作。他提出用斜光检测的方法来降低对频率控制的要求。这是因为有多普勒频移的吸收曲线顶端变化比较平缓，频率控制的同步带宽较宽，从而不易失锁。这样我们的动态铯束频标可连续工作近一个月，1993年在日本召开的国际原子频标和量子电子学会议上，我们首次宣布[11]得到了激光抽运铯束频标的长期频率稳定度指标为2×10-13。杨东海和笔者获得了该年的饶毓泰物理学奖。
3 激光冷却原子方面的自主创新
在早期原子钟研制中，多数团队由于着重于基础研究，对物理理解比较深入，国内也提出过一些创新的想法，并取得了一些进展。据笔者所知，其中，国家计量院薛传恽将铯束频标中选态用二级磁铁的极隙形状做了精密调整，使其磁场分布具有B=B0+kz2的形式，从而增强了选速效果，缩小了线宽[12,13]。上海计量局郑裕民等获得了当时氢钟壁移的最小值[14]。原中科院湖北物理所和原七机部二院计量站(203所)联合研制成功的铷激射器，还一度成为我国短期频率稳定度标准。
为解决铷频标严重的光频移问题，董太乾提出过脉冲光抽运光检测和分离吸收泡方案[15,16]，虽然没能获得优越的结果，但讨论中我们获得了对于原子相位延迟概念的理解，很有收获。
原子钟研究中降低原子的热运动速率，甚至将原子孤立起来始终是时频工作者的愿景。在研制铯束频标中曾试图将铯原子电离后用电场将原子减速，但束管结构比较复杂，所有原子等量减速不能改善速度分布。正当犹豫之时，我们得悉激光减速与冷却令人兴奋的信息。
不久，上海光机所王育竹小组率先开展了利用钠原子束管进行激光冷却的工作。他们利用多次反射光横向通过原子束先是实现了原子束显著偏转[17]，然后得到了使原子束横向运动冷却到66μK的程度，这已远低于多普勒冷却极限[18]。王育竹在1979年就提出用积分球腔的各向反射光来减速和冷却原子的思想，由于实验条件等原因，到1993年才得以实现原子减速[19]。事实证明一个物理思想的提出到真正具体实现，往往要经过相当长时间的实验探索。1975年Hänsch和Schawlow提出用对射激光来实现原子的多普勒冷却方案后，世界上有好几个小组在做激光冷却实验，但多数得到的不但不是冷却，而是加热。直到1985年，朱棣文小组才以合适的光强、偏振与频率的六束正交激光得到了原子冷却，并命名其冷却原子团为“光学粘团(optical molasses)”。
1980年，在王庆吉提出了一种原子冷却的方案，工作原理如图5所示。左边是原子的上下两个能级，其间距可用两能级间的跃迁频率hν0来表示。当原子在频率为ν>ν0的光脉冲作用下，由于二级斯塔克效应，能级将发生移动，移动后的能级如中间的能级所示。这时的能级间隔变成为hν0′，并有hν0′
图5 讨论的原子冷却方案示意图Fig.5 The discussed atomic cooling scheme
1983-1984年，笔者在巴黎法兰西学院聆听了Cohen-Tannoudji的作用于原子的辐射力的系统讲座后，对激光冷却的本质有了比较清晰的理解，确信用脉冲光技术不可能冷却原子，因其无法算出对原子的作用力，但上述机制中的能量补偿问题仍不得其解。因此开始对原子与光场的相互作用能量变化过程进行计算。由于二级斯塔克效应对交变电场与静电场十分相似，而对前者计算困难，我请研究生谢川用静电场模拟做了计算。结果说明，在这种情况下原子的能量亏损是由电场提供的[22]。
这里涉及一个基础研究中的学术氛围问题。如果那时在辩论中有人指出，只要将王育竹文章中光强随时间变化的光脉冲改为随空间定向变化的光场分布，就可行了。其能级能量的光频移就成为势能变化，就能导出偶极力，其方向与大小都是明确可算的。事实上，首先取得亚多普勒冷却成果，并因激光冷却原子而得到诺贝尔物理奖的朱棣文和Cohen-Tannoudji就是利用了偏振梯度所产生的“西西弗斯效应”。当然，要实现这种机制，还必须有光频移能级的空间变化与原子速度、光抽运与光发射时间等匹配，难度并不小。这也是一般用负失谐的六束对射激光照射原子团得到的往往不是冷却，而是加热结果的原因。由此可见基础研究之重要。
科研管理部门在提供各种保障条件下，更要对基础研究加以必要的支持。大力提倡和鼓励原始创新。当下我们基本上掌握了已有使用原子钟技术的基础，我们更应着重基础创新。笔者在国外曾提出过一种利用磁偏转实现连续喷泉的设想[23]，得到资助并开始加工设备，但在国内却难以支持，这种设想无人做过，因为风险太大。
原子钟科技工作者还应当加强物理基础理论学习。我们曾提出过一种用主辅玻色爱因斯坦凝聚(BEC)组，实现长期连续原子激光(atom laser)的建议[24,25]。这里用到了BEC阱中“相位统一”的概念，是在同行中已经多次用过的概念。当我们的文章投到国外刊物时，评审意见要求对此问题做出理论说明，我们却难以做到。就在第二年，这种设想却被美国MIT的Ketterle小组从实验上实现了[26]。现在看来这个理论问题我们是应该可以解决的，可是在当时，我们不但没有勇气，也没有理论准备去解决这个问题。这说明我们对相关的物理理论掌握得相当薄弱。为了取得必要的自主创新，我们的科技工作者要不断提高理论水平，并且培养一支原子钟物理理论队伍以迎接未来的挑战。
4 我们的差距和努力方向
中国要成为原子钟研制生产的强国，我们的差距是明显的。
4.1 实用商品原子钟性能指标的提升
当前，我国研制的铷原子钟性能指标上已进入世界前列，并顺利得到空间应用，但在灯泡发光机理、滤光、控温、降噪及保持光强长期稳定性上，还需要进一步研探。
在氢钟方面，无论是以守时为主要应用的主动型，还是广泛实用的被动型，在性能指标和可靠性及寿命方面距离国际领先水平还有一定距离。需要改进，首先要充分掌握这类频标的物理原理，保证整体设计达到精准合理；同时要总结长期经验，在电离泡激励、束流控制、泡壁涂敷、真空维持、对中与整体装配、电路噪声抑制，以及被动型的最佳调制等方面进一步下功夫，做到设计与工艺定型，投入生产后要建立和遵行严格的生产管理程序。
我国铯钟研制先后有磁选态、激光抽运和自主创新的磁选态光检测三种束管样机，但未能真正进入正规生产状态。由于这类钟主要用于守时，近两三年需要根据样机试用情况，考验稳定运行与可靠性等技术状态，摸透影响性能指标的关键因素，分批次地抓紧设计定型、固化工艺，以便按批次提高指标。磁选态铯钟的关键部件电子倍增器尚未完全走上定型生产阶段，亟需完成此步骤。光抽运及磁选态光检测铯束管所用的激光二极管至今尚依赖进口，相关管理单位无论如何要继续不断地支持研制，实行自主生产。由于用量较少，这类产品的研发很难实行市场化运作，必须依靠国家资助。
我们应该充分做好CPT钟的开发应用。随着信息化的发展，预计个体使用的微型原子钟将会大行其道。国内已有多个单位在研制，甚至进入生产阶段，但需进一步提高性能、降低功耗与体积重量，并能做到设计与工艺定型，进入规模生产。对其推广应用也要下大功夫。
原子钟研制中物理部分固然占大头，但在信息时代，电路的改进也值得注意。特别是将两部分结合起来，实现最优化智能控制，可能是提高性能的一条捷径。
4.2 冷原子喷泉频率基准有待进入第一梯队
我国已有三个团队成功研制冷原子喷泉频率基准，中国计量院和国家授时中心团队研制的铯基准不确定度已达到<1×10-15，进入了国际先进行列，但尚未达到小系数10-16，离国际第一梯队尚有点距离。上海光机所在87Rb喷泉的基础上，还研制着85Rb喷泉，在不确定度评估上还有一些基础性的物理问题值得深钻。另外，这类频标的长期连续工作，以及在运行过程中自动监控与检测影响不确定度的因素的探索在上海光机所也在进行。不久的将来，我国有望进入国际第一梯队。
4.3 新型微波原子钟的探索
由于人们直接接触的音频和视频信号都用无线电波携带与传输，所以尽管光频标因其频率比射频频率高三四个数量级而可取得更高的稳定度而备受关注，但微波频标的生命力估计还会长期存在。因此，新型微波频标的探索仍值得重视。如果它们的频率稳定度指标能比现有实用频标高出一个数量级，且体积重量适当，结构与制造工艺不过于复杂，还是很值得探索的。在这方面国内已有不俗的表现：上海光机所的冷原子钟在天宫二号上成功实验创造了国际领先的记录，由他们首次提出创新思想的激光冷却的积分球钟样机已经实现，激光冷却的镉离子钟实验由清华大学王力军团队首先做成；而汞离子钟、脉冲光抽运(POP)等已接近实用水准的高性能新型微波钟，也有几个团队正在研发。不过原子钟从研制出样机到真正实用往往需要经过长期考验。我们必须耐得住寂寞，坚持在长期悉心钻研下，使之成为可以不断重复、乃至进行规模生产的地面和空间实用原子钟产品。
4.4 光钟要直追巅峰
成为时代宠儿的光钟，现在我国已有十多家单位在研。从工作物质看，既有中性原子，如钙Ca、铷Rb、锶Sr、镱Yb、汞Hg；也有离子，如Ca+、Yb+、Sr+、Hg+、Al+；可以说，国外所有的工作物质我们基本都做了。从工作条件看，既有作为频率基准用，也有可搬运的实用钟。可以说光钟研究上，我们已经超脱了国外的窠臼。武汉物数所高克林小组首先实现了钙单离子光钟，其跃迁频率得到国际承认。之后计量院、华东师大、国家授时中心分别实现了锶和镱的光钟。北京大学陈景标还提出了“主动光钟”概念，受到国外同行的重视，并得到了初步实验结果。但是，用作时频基准的实验室光钟在频率不确定度上与国际前沿还有一定距离，我们需要在理论基础和实验技术上双重攻关，做出突破性成就。
光钟以其极优的频率不确定度与稳定度，将会改变现有以铯原子基态超精细跃迁频率为准的秒定义。在其中获得有力的话语权是建设时频强国的重要标志。我们要有重点地攻坚克难，争取做出重大国际贡献。在我国基本要实现三种不同种类，且不确定度超过5×10-18的光频标。这类原子钟还是复现当下建立在物理常数基础上的计量单位基准的主要手段。我们一方面要做出顶尖的原子钟，另一方面还要在理论和实验上找出实现以物理常数与单位定义值最适宜的物理关系。这需要精密细致的工作。物理常数的数值是否会随着时空情况而变化也是一个在理论上具有重要意义的问题，我们中国人也要以顶级原子钟为工具，为世界文明添砖加瓦，奉献自己应有的份额。
分子钟(以88Sr2，174Yb2，H+2为主)和更高频段(核钟，主要以229Th为工作物质)时频标准的探索，目前国外已在进行。这需要大量投入和长期坚持，从我国当前情况看，可以有少量团队投入工作，不宜过多投入。
4.5 持续支持关键元器件和测试设备研发与生产
我国时频界长期致力于原子钟及电路噪声基本问题和测试理论与技术的研究团队还不多，成果也显得有些薄弱，并不大引起同行的关注。这种状况对我国时频领域的整体提高不利。希望有更多人来投入。
更重要的是某些原子钟关键器件仍未完全过关，有的还要被国外“卡脖子”。如前述的磁选态铯频标的电子倍增器，还需长期的实践考验。至于为激光抽运或冷却的各类原子钟使用的各种半导体激光器，基本上是靠外国供应的。大量高档精密测量仪器，也大都依靠国外。这种情况不改变，就不能说我国已经建立起来一个完整的时间频率体系。
最后要说的是，为了弥补我们与国际领先技术的差距，我们还要在下面三个方面努力，以加强原始创新，开拓规模生产的能力。
1)加强基础研究，提高理论水平
我国早期研制原子钟，由于缺乏相关资料，都要从基本物理原理开始，还比较注重基础。改革开放之后，由于大量国外产品进入，基础研究大为削弱。技术人员多就事论事地做些改进，不能从物理原理上做出分析判断而有所发明。这既不利于研制成品的性能全面提高，更无从谈原始创新。这种情况难以使我国成为世界一流的时频强国。
为了在频率基准和未来的秒定义上取得我国的话语权，以及在各种精密测量、基本物理理论验证上，在检验基本物理常数是否变化等问题上使原子钟发挥重要作用，我们也需要自己能提出高深物理课题的理论工作者。在这方面我们还亟需具有想象力的科学工作者，我们现在离普朗克时间10-43秒还差得很遥远呢！
基于上述状况，长远看要从教育入手。我国高等教育理论脱离实际的情况依然严重，大学教学科研分离，教基础课的教师往往只要求学生做教科书上的习题，做应试训练，而对实际问题一窍不通。如学了热力学，如何对一个产品做热设计毫无概念。另一方面，现在信息技术发达，各种计算机软件繁荣，如电磁场分析，学生会用软件计算，却难以对计算结果用物理原理做出科学分析。当下更重要的是要有针对性地对技术人员做一些理论培训，使他们提高物理水平。另外，原子钟涉及的不仅是原子分子光物理(AMO)，往往还有等离子体、凝聚态物理等，研究人员要适当扩大自己的视野。在原子钟领域，我们不但要培养见识宽阔，像Cohen-Tannoudji那样的理论大师，还需要有能结合实际会灵活计算，像NIST的Shirley那样的理论工作者。
构建学术讨论和交流的平台对提高基础理论水平大有好处。“大师”的形成与广泛频繁的学术交流很有关系。1991年3月，笔者应邀在欧洲时频会议，之前开了两天关于频率基准不确定性的会，到会连BIPM官员仅十国30人。当时正是各国频率基准的不确定度数据长期停滞，甚至不升反降之际，大家就影响该指标的因素、评定方法、消除或降低的途径、还可能有哪些潜在因素未被发现等做了细致的讨论，也有争辩。对当时刚出现不久的半导体激光器在光抽运和激光冷却中的应用做了预估。笔者感到收获很大[27]。不久后激光抽运铯束及喷泉频率基准相继登场，其不确定度大幅提高。我国极需要有这样的学术气氛。
2)追求精益求精
原子钟是非常精密的科技装备，不仅其结构设计依赖于高深的物理与电子自动控制原理，其工艺实现还要依靠许多能工巧匠的本领。即使在先进精密技术高度发达的今天，也不是所有工艺都可用机器完成的。甚至各种部件都已精确做好，其装配是否精致到位还是问题。因此，即使产品设计定型、工艺完全固化之后，产品总还有一定离散性。我国原子钟研制往往因一两个人的离去而指标上不去。近年美国氢钟品质下降，其源也盖出于此。一定意义上说，原子钟技术也是艺术。
因此，我们应该学习老一辈科学家，如叶企孙、王天眷等人对工艺技术人员的重视，绝不能以“四唯”(唯论文、唯职称、唯学历、唯奖项)来确定待遇。在时频界都熟悉的美国JILA和英国NPL，听说工资最高的都是顶尖技工。
3)关于原子钟产业
要成为时频强国，实用原子钟必须商品化、产业化。笔者之前曾说过一句话：“最好的原子钟生产者也是原子钟产业的掘墓人”。我们看世界上曾经有过几十家生产原子钟的企业，目前已所剩无几。可见此话非虚。其原因在于原子钟用户少，不需成千上万的大规模生产。而钟的品质越高，故障越少、寿命越长，新品的需求量就越低。因此，企业没有国家补贴难以存活。多数这类企业得依靠订单生产，实际上处于半研制半生产状态，因此其价格应含有研发投资的成分，用户不应过分压价。这种状态对原子钟的品质提升既有利也有弊。有利的是可以不断改进，提高指标；不利的是没有大批定型生产往往难以发现问题所在。这需要根据不同用途不同类型原子钟进行权衡，使之既能不断改进其性能，又能使企业有利可图。
为此，我们需要大力宣传原子钟的多种应用。笔者相信，即使是在充分信息化、时频信号可以普天下传递的当下，原子钟仍有多元应用的前景；而且个体化的应用途径还会增多。因此，对现有铷、氢、铯和CPT钟的生产，可以按不同档次分门别类地实行“产业内分工”，使不同单位各得其所。对于原子钟里的某些零部件，则可以采用“产品内分工”的方式，实行专精分包，而不是一家独包生产，这样做是先进合理的。相信这样做后，我国原子钟产业是可以生存发展的，对建设时频强国将是不可或缺的。
5 结束语
最后想对科技管理说几句话。管理单位要以大局为重，切忌部门利益，拒绝“权力寻租”；要避免一个课题多个“婆婆”，既管又不全管；要让一线科技工作者专心钻研，尽量减少他们参与过多的评审检查和繁琐的文牍手续。
只要大家团结努力，我们原子钟事业的自主创新一定会源源不绝地冒出来，我们一定可以建成世界上时间频率的强国！
致谢：本文成稿得到方占军、王延辉、薛潇博所提供的资料，特此向他们表示感谢。
附记：本次会议开幕式上，由四个专业委员会在时间频率领域共同授予我 “终身成就奖”，我深表感谢！但自愧“成就”是不敢当的，因为我并没有在时频领域取得重大成绩，只是为此做了一点工作。如果说这点工作也算是“贡献”的话，那我应该感谢三个人，他们是：1)汪永铨，1961年，我回国任教时的北大无线电电子学系主任，是他“逼”我走进了时频领域为国防服务的路；2)王育竹，当我在这条路上快“开小差”时，是他扶我继续上路。1989年，我为维持北大教学科研正常秩序而心力交瘁，打算脱离科研时，他却坚持让我担任上海光机所与华东师大合办的“量子光学重点实验室”学术委员会副主任，使我不得不硬着头皮坚持时频方向的科研，并做些相关报告；3)闫宇华，1999年，当我从北大行政岗位退下来时，她立即找到我，说国家要搞北斗导航卫星系统，要有星载原子钟，希望我能承担研制星载原子钟的技术管理工作。我当即同意。她给我约法三章：裁判员不当运动员，我不能申请、接受、参与相关科研课题，也不能领科研经费、在相关论文上署名。我认为这合理，一概答应。这样，我就成为这个管理组里不做科研的“首席科学家”，后来改组为时频专家组，我又成为专家组长，从而使我在这个领域能施展一些自己的精力。1950年我读高中时发生了抗美援朝战争，我报名参军未获批准，因此老来我该“服役”，报效祖国。是她给了我这个极好的机遇。
