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图5 Rabi振荡（左图）和Ramsey作用（右图）的原理、线型和线宽
原子喷泉的方案提出得也非常早 ， 是Rabi的另一个学生Zacharias在1953年提出的[3,4] ， 他的基本想法就是让原子束或者原子团竖直上抛 ， 由于重力 ， 原子将进行抛物运动 ， 这样只要一个微波场就可以与原子作用两次 ， 获得Ramsey干涉条纹 。抛物运动对应原子路径的折叠 ， 可以使装置体积减半 ， 对于米量级高度的装置 ， 可以获得赫兹到亚赫兹宽度的干涉条纹 ， 该方案在原子钟性能方面还要其他一些优越性 。现代的原子喷泉钟就是基于Zacharias的思想搭建的 ， 图6是一个现代原子喷泉钟的结构示意图 。Zacharias不但提了方案 ， 而且进行了实践 ， 他在MIT建造了5米高的真空管 ， 铯原子束由底部喷出 ， 希望得到原子喷泉 。他解决了低速热原子的问题 ， 却没有解决热原子扩散的问题 ， 最终该实验以失败告终 。该问题的解决依赖于20多年以后发展起来的激光冷却技术 ， 当原子被冷却到微开尔文量级时 ， 它的热运动平均速度在厘米量级甚至更低 ， 此时热扩散对信号原子的损耗变得可以控制 。


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图6现代原子喷泉钟的结构示意图
1989年到1993年 ， Stanford的S. Chu小组首先用Na原子、其次用Cs原子在实验上演示了原子喷泉的可行性 ， 获得了Ramsey干涉条纹 。接下来法国巴黎天文台的A. Clairon小组做了一系列的工作 ， 使原子喷泉由物理现象转化为真正的原子钟装置 ， 他们在1991年完成了物理演示 ， 在1994-1995年 ， 第一次给出了稳定度和不确定度的指标 ， 分别为3E-13τ-1/2和3E-15 ， 它们比最好的传统束型频标都高了一个量级[3] 。从那时起 ， 原子喷泉钟成为世界各大计量机构竞相研究的课题 ， 到2002前后 ， 包括了法国巴黎天文台、美国NIST、英国NPL、德国PTB等都得到了原子喷泉钟 ， 当时的不确定度指标在1E-15左右[4] ， 接下来它们进行了技术升级和多台喷泉钟的研制 ， 这个过程一直持续到现在 ， 各计量机构都有1台以上的喷泉钟 ， 不确定度指标均进入E-16量级 ， 最好的在2E-16左右 。喷泉钟在各国的守时和向TAI的报数中发挥了非常重要的作用 。
国内 ， 中国计量院（NIM）最早开展了实用喷泉钟的研究 ， 在2002年获得了国内第一台铯喷泉原子频标NIM-4#钟 ， 该项工作获得2003年国家科技进步一等奖 ， 他们后来研制的NIM-5#在2014年8月加入到TAI报数系统[5] 。上海光机所（SIOM）从1999年开始了铷喷泉钟物理实验的研究 ， 从2003年开始87Rb喷泉钟装置的研制 ， 完成了研制的系列工作 ， 实现了连续运行 ， 装置和稳定度指标如图7所示[7-9] 。国家授时中心也开展了喷泉钟的研制 ， 目前实现了闭环锁定和几项主要误差的评估 ， 国内还有其他单位也准备开始相关研究 。


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图7 SIOM的87Rb喷泉钟和它的稳定度曲线
原子喷泉钟带来微波钟性能指标的显著提升 ， 一个新的问题就会自然而然的产生——“我们有没有可能制造更高精度的微波原子钟？”大家都非常明确一点：喷泉钟依靠重力实现 ， 它的作用时间也受限于重力加速度 ， 由于H=gt2/2 ， 延长作用时间将以增加高度的平方为代价 ， 因此在地面获得更窄线宽的喷泉钟将非常困难 ， 这个时候 ， 我们很容易地将目光转向太空的微重力环境 ， 没有了重力 ， 我们可以让冷原子以非常缓慢的速度与微波作用 ， 延长原子与微波作用的时间 ， 获得更高精度的冷原子钟 ， 更细致的分析表明 ， 空间冷原子钟的不确定度有望达到1E-16甚至更低 ， 表格1给出了3种原子钟相关参数的比较 ， 对于空间钟而言 ， 冷原子厘米量级的热扩散重新成为其进一步提高原子钟性能指标的约束条件 。——所以从可行性的角度看 ， 冷原子更适用于空间的微重力环境 。

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