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李天初院士讲“从天文秒到原子秒”

我们“自己的钟”是如何研制的

李天初院士讲中国“激光冷却—铯原子喷泉钟”研制的源起

 

Q&A                          

Q：为什么我们要做“自己的钟”？

李天初院士：全世界国家中只有近100个国家有自己的守时实验室，但是用来守时的钟基本上都是买美国和俄罗斯的商品钟。100个国家的守时钟数据报送国际计量局(BIPM)主导的国际原子时合作，经加权平均得到“自由原子时”，准确度是5乘10的负13.

基准钟直接复现秒的定义，非常准确，但做不到连续工作。商品钟可靠，连续，但不够准确。用基准钟来校准商品守时钟，就能做到又稳定、又准确。自由原子时校准之后就叫做“国际原子时”。这就是全世界所通用的时间的基础。

2014年中国计量科学研究院研制并运行的“NIM5铯原子喷泉钟”通过国际评审，被接收为国际计量局（BIPM）认可的基准钟之一，参与驾驭国际原子时（TAI）。这标志着我国成为世界上继法、美、德、意、日、英、俄后少数几个参与驾驭国际标准时间的国家，在国际标准时间的产生过程中不仅具备了话语权，更具备了表决权。

同时，我们可以用自己的喷泉钟对中国计量院保持的原子时进行独立校准，使它在使用国际原子时合作数据的时候仍能保持5乘10的负15准确度 。那么即使在失去国际联系的情况下，我们的时间也不仅是独立的，而且是准确的。

Q：NIM5和NIM5-M 2台铯喷泉钟是如何为北斗导航系统服务的？

李天初院士：人类最早的导航是天文导航，后来是无线电导航。GPS是美国发明的全新的概念。它在军事上获得成功之后很快推广到民用。

后来俄罗斯，欧洲和中国还是分别了做了自己的卫星导航系统。这完全不是为了经济利益，而是安全需求。 美国GPS的地面时间由美国的海军天文台提供。北斗也需要用地面时标来对它的星载钟进行校准，地面的时标又需要用地面基准钟来校准。

我们在昌平的实验室和北斗地面站之间拉了一根光纤。通过伺服反馈补偿，最大可能地减少了影响光纤的噪声。这样一来，我们在昌平的时间频率资源，高保真度地提供給了北斗的地面时，通过北斗系统，我们支援了经济、科研和国防。

寄语“将来”

现在科研人员真正用在科研上的时间太少。相当大的一部分时间是在应对管理层的要求。

做科学的人，要用科学的态度做科学。但非常重要的一件事是，管理也是一门科学。要用科学的态度做管理。

                                                                                                                                  ——李天初

    小档案：

   

    从"驾驭国际原子时"到"光钟"研制的全面铺开

.  .驾驭国际原子时（TAI）

      2014年，“NIM5铯原子喷泉钟” 继法、美、德、意、英、俄之后，通过评审，被接收为国际计量局（BIPM）认可的基准钟之一，参与驾驭国际原子时（TAI）。在国际标准时间产生过程中不仅拥有话语权，更具备了表决权。

.  .光钟

      光钟概念的提出可以追溯到上世纪70年代末，1978年美国标准技术院(NIST)第一次提出了离子光钟的概念。所谓光钟，就是利用原子在光波波段的跃迁来实现时间/频率标准。当前原子钟的原子跃迁频率是在微波波段，光学频率比微波频率高5个数量级，光钟可以提供更高精度的时间和频率标准。

       2001年末，美国《科学》杂志在预测值得关注的6大热门科技领域时评述道，“由于光钟工作在更高频的光波而非较低频率的微波辐射，因此光钟比此前的仪器更精确”。近些年光钟更是成为国际时间频率研究的一个新热点。

      目前国际上引领光钟研究的主要有三家机构。离子光钟主要由美国标准技术院进行研制；原子光钟研究的领头羊主要有两家，一家是日本的东京大学，另一家是美国的实验天体物理实验室（JILA），由美国的计量院和科罗拉多大学联合建立。美国标准技术院率先研制了汞离子光钟和铝离子光钟，开创和带动很多重大创新。东京大学科学家香取秀俊于2000年提出锶原子钟。2015年JILA宣称研制的锶原子光晶格钟准确度为150亿年差一秒。

      相对于美国、日本、法国、德国、英国等处于一流研究水准的国家，我国目前的研制水平还处于跟踪阶段。据不完全统计，目前，中国计量科学研究院、中科院武汉物数所、清华大学、华东师范大学，中科院国家授时中心等9家单位正在研制9种13台光钟，是世界上研制光钟种类、台数和家数最多的国家。

         

        但迄今只有中科院武汉物数所的钙离子光钟和中国计量院的锶光晶格钟发表文章，通过验收并参与了相应国际标准频率推荐值的计算。

人物简介：

李天初院士

李天初，1945年11月出生于贵州省贵阳市，男，汉族，安徽省金寨人。1970年清华大学毕业，1981年和1991年在中国计量科学研究院和清华大学获得硕士和博士学位。1982年至今历任中国计量院助研、副研、研究员。2013-2018年中国仪器仪表学会理事长。

长期从事时间频率、原子干涉绝对重力、稳频激光-光电子和自注入锁定超稳激光和超稳微波等研究。

上世纪80、90年提出和研究准相干光干涉光纤传感，干涉逼近测量液体折射率，牛顿环测量光学表面反射相移等新原理新技术；研究空气折射率干涉仪设计原理，光干涉测量长度的相对不确定度极限 等；规划并主持研制系列光纤基本参数测量标准装置。

1997年以来主持研制系列激光冷却-铯原子喷泉基准钟，复现秒定义, 2014年NIM5喷泉钟批准作为秒长国家计量基准装置，2014年NIM5喷泉钟通过国际评审参与驾驭国际原子时, 2015年起为北京卫星导航中心地面时间提供计量溯源; 规划指导研制飞秒光学频率梳, 建立微波和光学频率的相干联系; 指导研制伺服锁定光纤链路高保真传输微波频率; 规划指导研制锶原子光晶格钟, 2015年参与国际锶原子推荐频率赋值; 指导研制NIM-AGRb-1銣原子干涉绝对重力仪，成功参加2017年国际绝对重力比对；指导潮汐重力频率偏移的研究; 主导重力频率偏移来源于频率源，还是在传输过程中发生的实验研究，主导超稳光学腔-自注入锁定超稳激光和超稳微波的研究等。

发表主要杂志论文60余篇。

1995、2002、2006年作为第一完成人获一、二、三等“国家科技进步奖”各一次，2016年作为第二完成人获“国家科技进步奖”一等奖, 2015年获“何梁何利科技进步奖”。

2011年当选中国工程院院士。