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中国光学历史回顾:原子钟研究工作历程

导读: 王院士长期从事电磁场与原子相互作用的研究,是我国原子频标开拓者之一;建立了我国第一个量子光学开放实验室,率先开展激光冷却气体原子的研究;首次提出将光频移效应用于激光冷却气体原子...

  作者简介:王育竹,中国科学院院士,量子光学专家,河北正定人。1955年毕业于清华大学无线电工程系;1960年苏联科学院电子学研究所研究生毕业获博士学位;中国科学院上海光学精密机械研究所研究员。王院士长期从事电磁场与原子相互作用的研究,是我国原子频标开拓者之一;建立了我国第一个量子光学开放实验室,率先开展激光冷却气体原子的研究;首次提出将光频移效应用于激光冷却气体原子;利用激光偏转原子束验证了亚泊松光子统计规律;开展了一维驻波场激光冷却原子的研究,观察到低于多普勒极限温度的现象;首次将多普勒效应用于原子干涉仪,观察到原子干涉现象;利用固体微球腔量子电动力学效应,获得了新的激光谱线。

  当坐下来回顾我们的科研经历,深深感到时间过得太快,还没有做几件有意义的事,人已步入老年。经历的往事,依然历历在目,有振奋和喜悦,有痛苦和无奈。我们在中华人民共和国的抚育下长大,但不少大好的时光却在“大批判”运动和“文革”的灾难中流失。很多应该做好的事,未能做好,想要做的事,未能做到,深深感到遗憾。唯一使我们感到欣慰的是在西方禁运的条件下,我们为国家研制成功了铷原子钟,性能达到当年德国原子钟的水平。铷原子钟在“远望号”测量船上正常运行了十几年,在国防建设中发挥了重要作用。我们因能为国家做出了一件深感欣慰的大事而自豪。谨以此文,回顾这几十年来我国原子钟的研究工作。

  1 光抽运微波原子钟研究的起步

  1961年,王育竹作为前苏联科学院无线电技术与电子学研究所研究生毕业回国,分配到中国科学院北京电子学研究所工作。由于他在莫斯科学习原子钟,因此回国后想继续从事这方面的研究,这个想法得到了电子所顾德欢所长和黄武汉主任的支持,在他们的支持下成立了原子频率标准研究组(以下简称“频标组”)。频标组是一个十分优秀的青年研究团队,骨干成员来自清华、北大、交大、复旦和武大等国内著名院校,建组一开始就确立了一项明确的指导思想:要研制实用化原子钟,为国防工程和国防建设服务。

  由于国防工程导航定位系统的需求,频标组开始了光抽运微波原子钟研究和氨分子振荡器研究[1]。1964年,频标组在北京电子所完成了实验室的建设,开展了钠原子光抽运微波波谱研究,观察到了钠原子基态的微波谱线和多光子跃迁谱线[2],研制成功了微波(1.25 cm)波谱仪,观察到1.25 cm氨分子的反演谱,提出和完成了测量高Q值微波谐振腔的新方法,称为蝴蝶法[3],后将此方法应用于铷原子谱线的观察。1964年8月,中国科学院根据国际科学发展的趋势决定成立新所,即由长春光学精密机械研究所(简称“长春光机所”)和北京电子学研究所(简称“电子所”)的部分研究室组成新研究所——上海光学精密机械研究所。频标组的全班人马随之迁往上海。在离开北京时,顾德欢所长和其他所领导热情相送,并合影留念(图1)。

图1 与北京电子所领导合影

  1964年8月到上海后,频标组成为光谱学与量子电子学研究室的一个小组,仍称频标组,同时增加了一些新同志。当时频标组的成员有:王育竹、赵家铭、周汝枋、屠世谷、夏宗炬、蔡惟泉、黄秉英、廖世强、莽燕萍、孙顺娣和周善钰等人,继续进行原子频标研究。

  1964年底,我们研制成功钠原子频标实验装置,并安放在上海天文台,用上海天文台的标准频率信号进行频率比对和测试。这是频标组研制成功的最早的频率标准装置,并首次进行频率比对。1965年频标组研制成功氨分子振荡器,得到极好的信噪比,这表明氨分子振荡器设计正确,加工精密;且用于探测输出信号的外差式微波(1.25 cm)波谱仪,具有极好的灵敏度(10-10 W)。频标组还发展了小型玻璃钟罩式氨分子振荡器,并研制成功新型的态选择器(螺旋型和圆片型),这项研究工作原计划将研制氢原子钟,后因文革终止。同年,中国科学院党组书记、副院长张劲夫同志视察了上海光机所。在视察结束后,他约王育竹一起到上海天文台视察放置在那里的光抽运钠原子频率标准实验装置。张劲夫同志询问了钠原子频率标准的研制情况和承担的军工任务以后,向正在工作的赵家铭、屠世谷、夏宗炬和秦魁祥说:“此项工作在国防建设上很有意义,应继续做好”。当时,上海光机所的领导正在考虑频标组科研工作的发展方向。张劲夫院长的首肯,决定了频标组继续从事原子钟的研究。

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