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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