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第一章 微波频标及其应用 1

1.1频率标准的历史 1

1.2时间和频率单位定义的发展 1

1.3微波频标作为秒的定义 4

1.4原子频标的原理 5

1.5铯原子钟的发展过程 6

1.5.1初期发展阶段——磁选态 6

1.5.2商品铯钟 7

1.5.3中期发展阶段——光抽运选态 8

1.5.4基准铯原子钟 9

1.5.5铯频标发展的第三阶段——原子喷泉钟 11

1.6铯钟在复现国际原子时（TAI）中的作用 15

1.6.1时标 15

1.6.2铯钟在复现TAI中的作用 16

1.7铯原子频标发展趋势 18

1.8铷原子频标 19

1.8.1铷原子能级 19

1.8.2铷原子频标的结构和原理 19

1.8.3铷原子喷泉钟的发展 20

1.8.4 铷原子频标的性能 21

1.8.5 TV-Rb钟的性能 21

1.9氢原子频标 25

1.10离子贮存微波频标的发展概况 26

1.11钟和频率标准的重要应用 27

1.11.1全球定位系统 27

1.11.2时间比对的相对论性理论 32

1.11.3钟和频标应用小结 39

第二章 光频标准和基本物理常数概论 43

2.1光频信号的特点 43

2.2光学频标的历史及其与微波频标的比较 44

2.2.1光学频标的历史 44

2.2.2光学频标与微波频标的比较 45

2.3光频标准的基本要求 47

2.3.1光频标准的频率稳定度 47

2.3.2光频标准的频率复现性 47

2.3.3光频标准的绝对频率值和真空波长值 48

2.4光频标准、波长标准及米的重新定义 48

2.4.1米的定义与光频标准的关系 48

2.4.2米的重新定义 49

2.5复现米定义所推荐的光频标准及其推荐值 51

2.6光频标准的某些规范条件 53

2.7作为光频标准的激光器的基本性能 55

2.7.1激光模式 55

2.7.2激光线宽 55

2.7.3激光谐振腔的机械和热稳定性要求 56

2.7.4激光噪声 56

2.7.5激光的单模输出功率 56

2.7.6激光辐射与吸收谱线的频率符合 56

2.8光频标准及其测量近况 57

2.8.1光频测量技术的发展和突破 57

2.8.2光频标准的发展 59

2.9基本物理常数概述 64

2.10真空中光速的精密测量 66

2.10.1用激光频标测量光速之前的历史概况 66

2.10.2用激光频标测量真空中光速 67

2.10.3真空中光速与米的重新定义 68

2.11氢原子光谱的精密测量 69

2.11.1氢原子光谱概述 69

2.11.2氢原子光谱的实验和理论研究 70

2.11.3氢原子1S-2S的高分辨光谱 71

2.11.4 20世纪80年代的实验测量概况 72

2.12里德伯常数的精密测量 74

2.12.1第二次世界大战前至20世纪60年代末的测量结果 74

2.12.2 20世纪80年代后的测量结果 75

2.13用基本物理常数重新定义一些基本单位的建议 79

2.13.1引言 79

2.13.2瓦特天平和X射线晶体密度实验 80

2.13.3新定义对常数值的影响 81

2.13.4新定义对m（κ）值的影响 83

2.13.5实际质量测量系统及采用m（κ）的约定值 83

2.13.6用基本物理常数重新定义一些基本单位 84

2.13.7基于固定h或NA值的千克定义时确定基本常数的最佳值 86

2.13.8结论 88

附1 2010年和2006年基本物理常数的国际推荐值 88

附2 2010年与2006年的CODATA常数推荐值不确定度的比较 91

第三章 光频标准使用的激光器 96

3.1氦氖激光器的激发机理 96

3.2氦氖激光的跃迁谱线和氦氖激光器 97

3.2.1氦氖激光的跃迁谱线 97

3.2.2氦氖激光器 98

3.3影响激光器频率稳定的因素分析 100

3.3.1决定激光谐振频率的基本公式 100

3.3.2外界的温度影响 100

3.3.3大气变化的影响 101

3.3.4机械振动的影响 102

3.3.5光学元件位移的影响 102

3.3.6磁场影响 103

3.3.7激光管放电噪声的影响 103

3.3.8光反馈的影响 103

3.4氦氖激光获得单频运转的方法 104

3.4.1缩短腔长的方法 104

3.4.2复合腔选模的方法 104

3.4.3法布里-珀罗腔选模的方法 105

3.4.4轴向磁场选模的方法 105

3.5多谱线氦氖激光器的理论、结构及有关特性 105

3.5.1多谱线氦氖激光的理论基础 105

3.5.2多谱线氦氖激光器的结构 106

3.5.3多谱线激光器的特性 107

3.5.4单一波长的氦氖激光输出 108

3.6氩离子激光器 108

3.7染料激光器 110

3.8半导体激光器 112

3.8.1概论 112

3.8.2单模获得的方法 113

3.8.3机械设计和准直 114

3.8.4 LD的温度调谐特性 117

3.8.5频率调谐和调制 118

3.8.6压窄LD线宽的方法 119

3.8.7 633 nm单模半导体激光器 119

3.9半导体激光抽运的固体激光器 120

3.9.1抽运用的半导体激光器 120

3.9.2 Nd： YAG激光器 121

3.9.3 Nd：YVO4激光器 122

3.9.4 DPSS的优点 122

3.10用环形腔获得单频运转的方法 123

3.10.1单块晶体的非平面环形腔 124

3.10.2半非平面单块Nd： YAG环形谐振腔 126

第四章 光频标准中作为参考的吸收谱线 130

4.1吸收谱线作为光频标准的参考 130

4.1.1分子吸收谱线的优点 130

4.1.2作为参考谱线的基本要求 131

4.2分子的跃迁能级和超精细光谱 132

4.2.1二原子分子的跃迁能级 132

4.2.2碘分子超精细光谱的量子理论 135

4.2.3预言碘分子超精细分量新的经验公式 139

4.3碘分子的跃迁能级及饱和吸收谱线 140

4.3.1碘分子的跃迁能级 140

4.3.2 B-X能级之间振转跃迁的识别 144

4.3.3 B-X跃迁的超精细结构特征分析 146

4.3.4饱和吸收的主谱线和交叉谱线 148

4.4碘蒸气压力和碘谱荧光之间关系的理论考虑 149

4.4.1弛豫过程 149

4.4.2 Stern-Volmer公式 150

4.5碘的吸收系数及其饱和强度 152

4.5.1碘的吸收系数 152

4.5.2碘的吸收饱和 154

4.6 633 nm附近碘吸收谱线的观测和计算 157

4.6.1 633 nm附近碘吸收多普勒谱线的观测 157

4.6.2 633 nm附近碘吸收谱线超精细分量的检测 158

4.6.3用633 nm LD对碘超精细分量的观测 158

4.7 532 nm碘吸收谱线中超精细分量的计算和检测 160

4.7.1 532 nm碘分子的超精细谱线的优点 160

4.7.2 532 nm碘分子的超精细谱线的检测 160

4.7.3我国对 532 nm碘分子的超精细谱线的检测 163

4.7.4我国制作的碘吸收室的比对测量 164

第五章 获得非线性窄谐振的原理和实验方法 168

5.1谱线的加宽机制 168

5.1.1非均匀加宽 168

5.1.2均匀加宽 169

5.2饱和吸收激光光谱学 171

5.2.1窄谐振的谐振条件与宽度 171

5.2.2“烧孔”效应和兰姆凹陷 173

5.3无多普勒加宽的非线性激光光谱学 174

5.4用He-Ne激光进行饱和吸收的实验观测 175

5.4.1 633 nm氖吸收的观测 175

5.4.2 3.39 μm甲烷吸收的观测 177

5.4.3 633 nm碘吸收的观测 179

5.4.4在可见光谱区内碘吸收的观测 180

5.5氦氖激光的增益和线形 180

5.5.1氦氖激光能级粒子数差及增益曲线 180

5.5.2增益线形 182

5.5.3增益的谱线加宽 182

5.6激光功率曲线的兰姆凹陷 183

5.6.1兰姆凹陷的产生 183

5.6.2产生兰姆凹陷的条件 184

5.7兰姆凹陷的稳频方法 186

5.7.1兰姆凹陷稳频方法的原理 186

5.7.2兰姆凹陷稳频激光器 187

5.7.3频率稳定度、复现性测量和真空波长值 188

5.8双纵模稳频方法 190

5.8.1双纵模氦氖激光器 190

5.8.2稳频的实施方案 193

5.8.3双纵模稳频激光的实验观测步骤 193

5.8.4稳频激光的功率和频率稳定度测量 194

5.8.5频率复现性分析 195

5.9腔内饱和吸收稳频方法 196

5.9.1 633 nm碘稳频的氦氖光频标准概况 196

5.9.2 633 nm氦氖激光的腔内饱和吸收 198

5.9.3奇次谐波锁定的理论计算 199

5.9.4三次谐波和五次谐波锁定技术的伺服控制系统 202

5.9.5三次谐波锁定与五次谐波锁定频差的测量及分析 204

5.9.6频率稳定度和复现性 205

5.10 633 nm碘稳定氦氖激光的国际比对 206

5.10.1早期的国际比对 206

5.10.2 20世纪90年代的国际比对 207

5.10.3五次谐波锁定的首次国际比对 209

5.11 514.5 nm碘稳定的Ar+光频标准概况 210

5.11.1国际研究概况 210

5.11.2法俄联合研究的概况 210

5.11.3美国研究的概况 212

5.12 3.39 μm He-Ne/CH4光频标准 213

5.12.1 3.39 μm He-Ne激光的甲烷饱和吸收稳频 213

5.12.2甲烷谱线的超精细结构及其频率稳定 214

5.13 CO2激光的频率标准 219

5.13.1 CO2 /OSO4激光器的装置 220

5.13.2 CO2 /OSO4激光器的频率稳定度 221

5.13.3 CO2 /OsO4激光器的频率复现性 222

5.14 532 nm碘稳定的固体激光频标 223

5.14.1 532 nm固体激光频标的发展概况 223

5.14.2 532 nm固体激光频标的关键技术 224

5.14.3 532 nm激光频标的发展现状 224

5.14.4消除气压抖动对激光频率的影响 225

5.14.5剩余幅度调制的控制 226

5.15本章小结 229

第六章 囚禁离子和原子的光频标准 234

6.1概论 234

6.2囚禁离子的激光冷却 235

6.3作为光频标准的囚禁离子的选择 236

6.4囚禁离子极窄谱线的光频标准 237

6.4.1 199 Hg+离子光频标准的基本原理 237

6.4.2离子频标的频率稳定度估计 239

6.5用199 Hg+作为光钟 241

6.5.1 Hg+频标与光钟 241

6.5.2光钟的频率稳定度和准确度 242

6.6激光冷却囚禁的171 Yb+频标 244

6.7 Sr+稳定的激光频标 247

6.7.1概述 247

6.7.2单个88 Sr+离子的储存和激光冷却 247

6.7.3 674 nm探测激光系统 248

6.7.4超稳定腔 250

6.7.5 Sr+离子实验 250

6.7.6 674 nm 2S1/2-2D5/2跃迁的特征边带观测 250

6.7.7 88 Sr+离子2 S1/2 _2 D5/2跃迁频率的测量 251

6.7.8 87 Sr+离子的光谱 252

6.8离子光频标由于系统频移产生的极限 254

6.8.1二阶多普勒频移 254

6.8.2斯塔克频移 255

6.8.3电四极频移 255

6.8.4塞曼频移 255

6.9冷原子光频标准 256

6.9.1引言 256

6.9.2对原子光频标准的基本要求 257

6.10钙原子频标 258

6.11锶（Sr）原子频标 259

6.11.1锶原子频标的原理和方法 259

6.11.2作为钟跃迁的锶原子的冷却方法 263

6.11.3 锂原子光频标准的实验装置 265

6.12离子和原子光频标进一步发展的极限和应用 272

6.13光氢钟的发展趋势 273

6.13.1囚禁氢的研究 274

6.13.2超冷氢的高分辨光谱学 274

6.13.3冷碰撞频移 275

6.13.4 2S-nS跃迁 275

6.13.5氢原子光学频率标准 278

6.13.6最终的精度：双光子激光钟 278

第七章 光频测量及传统光频链测频技术 284

7.1光频测量概述 284

7.1.1光频标准的绝对测量和传统光频链 284

7.1.2光频测量的新发展 286

7.2光频链的测量原理和实验 288

7.2.1光频链的测量原理 288

7.2.2用于光频测量的非线性混频器件的基本性能 288

7.2.3非线性器件的测量应用 290

7.3用光频链测量远红外及CO2激光谱线的频率值 291

7.3.1远红外激光谱线的频率测量 291

7.3.2 CO2激光谱线的频率测量 293

7.4甲烷谱线的频率测量 296

7.4.1早期的甲烷谱线测量频率链 296

7.4.2甲烷谱线测量频率链的改进和提高 299

7.5甲烷谱线测量频率链的国际比对 303

7.5.1概述 303

7.5.2在LPTF进行的频率链比对和绝对频率测量 304

7.5.3其他的频率链比对结果 311

7.6 633 nm碘稳定激光的绝对频率测量 312

7.6.1可见光频率测量概述 312

7.6.2 633 nm碘稳定激光的首次绝对频率测量 312

7.6.3 633 nm碘稳定激光的绝对频率测量改进和提高 314

7.7 657 nm 40Ca+谱线的可见光频率测量 317

7.8 778 nm铷稳定激光的频率测量 320

7.9氢的1S和2S能级与高能级之间跃迁的频率测量 323

7.9.1概述 323

7.9.2光频间隔分频链作相位相干测量的方案 324

7.10 674 nm锶单离子（Sr+）激光频标的频率测量 325

7.10.1相对于633 nm碘稳定激光频标的频率测量链 325

7.10.2用相位相干频率链进行频率测量 326

7.11用和频的测量方法 327

7.11.1和频与倍频结合的测量方法 327

7.11.2 532 nm碘跃迁谱线的频率测量结果 327

7.12传统光频链测量总结 330

第八章 用飞秒的光频梳直接进行光频的绝对频率测量 339

8.1光频梳状发生器技术 339

8.2连续光参量振荡器 344

8.3光频测量方法的重大突破——基于锁模激光器的光频综合 347

8.3.1概述 347

8.3.2用稳频的锁模飞秒激光器直接进行光频标准测量的原理 348

8.4锁模激光器用于光频测量的主要优点 353

8.5锁模激光器的频谱 356

8.5.1梳的间距和位置 357

8.5.2谱线的频率控制 358

8.5.3谱线加宽 358

8.6用锁模激光器的光频测量 361

8.6.1锁定技术 361

8.6.2频梳间隔 362

8.6.3梳位置 362

8.6.4梳位置和间隔 364

8.6.5用中间参考的测量 365

8.6.6从光学至微波的直接综合 368

8.6.7展望 372

8.7离子和原子频率的测量结果 374

8.7.1 115 In+频标的频率测量 375

8.7.2 199 Hg+频标的频率测量 377

8.7.3 171 Yb+频标的频率测量 378

8.7.4 88 Sr+频标的频率测量 378

8.7.5 40Ca原子频标的频率测量 380

8.7.6 87Sr原子频标的频率测量 382

8.8用飞秒梳测量频率的优点和前景 384

8.8.1用飞秒梳测量频率的问题和优点 384

8.8.2用飞秒激光梳测量频率的意义和发展趋向 386

附录 部分测量、研究机构简称与全名对照表 391

名词索引（中英对照） 393