原子钟原理与应用（第2版）

《原子钟原理与应用（第2版）》全面系统地介绍了原子钟的相关知识。首先描述了时间计量的历史及各种计时方法；深入浅出地讲解了原子钟相关的振荡理论、振荡器技术、原子量子理论、磁共振以及激光和激光冷却等知识点；然后再阐述了各类原子钟（铷原子钟、铯原子钟、氢原子脉泽、氨分子脉泽、汞离子钟、喷泉钟、光钟等）的实现过程；最后给出了原子钟在卫星导航系统和基础物理领域中的应用场景。 《原子钟原理与应用（第2版）》适用于原子钟相关领域的科研人员、工程技术人员及管理人员使用，也适合高等院校相关专业学生参考使用。 《原子钟原理与应用（第2版）》既有教科书式的基础物理叙述，又有新成果展示，是非常宝贵的学术资源。 ----- 前言 ----- 本书从1998年第1版出版以来，光频测量技术已得到迅猛发展，期间发明了光学频率梳，使频率精确测试的范围大幅拓展，实现了微波铯原子频标与光钟的直接比对校准。尤其在最近几年，频率和时间精密测试领域发展更加迅速，涉及精度提高和频谱拓展的各个技术方向，产生了一系列革命性成果。 激光冷却原子和离子技术，可以通过激光与悬浮于超高真空系统中的粒子长时间相干耦合，得到单离子的超窄共振谱线。这种超前的想法，第一次由Dehmelt等提出，并在实验中观察到这种孤立的囚禁粒子，这也激发本书作者开展汞离子囚禁的相关研究，以及研制下一代空间时间频率标准。基于固态光源的光频信号稳定性和合成技术也迅速发展，带来了光钟频率稳定度的空前进步，也预期新一代高可靠空间光钟的研制成功。 在构建全球卫星导航系统GPS的过程中，原子钟的重要性得到了充分体现，星载原子钟是系统的核心部件，如果没有原子钟，也就不存在GPS。目前GPS在军民领域大量应用，几乎渗透到社会生活的每个领域，深刻影响着人们的日常生活，成为我们文化的一部分。如果星载铯原子钟和星载铷原子钟能保持亚微秒级的时间同步精度，则未来可实现亚米级的GPS定位精度。 与第1版内容相似，本书涉猎范围较广，主题覆盖各类基于量子跃迁的原子钟，以及相关的基本物理学原理。同时作为补充内容，书中第1章也介绍了早期机械钟和石英钟的发展情况。本书重点不在原子钟历史，而只是希望以历史的视角来看待原子钟的发展进程。 本书适于原子钟相关领域的物理学家和工程技术人员使用，书中覆盖了大量原子钟相关主题，同时为了满足非专业技术人员的阅读需求，尽量减少数学公式的使用。书中详细地描述了铷、铯、氢原子钟的设计原理，同时也包含了汞离子微波钟、激光冷却、光抽运、光学黏团、铯喷泉钟等新型原子钟相关内容，以及原子钟频率准确度和频率稳定度的分析方法，其中涉及噪声、共振谱线线型、相对论多普勒效应等内容。书中也讲述了建立在精确时间频率基础上的全球导航系统——罗兰C和GPS，同时介绍了统一场理论的不变性原理和对称性测量，例如，原子精细结构常数长期测定、爱因斯坦等效原理验证等内容。

第1章 天文钟和机械钟 1.1 自然界中的周期现象 1.2 历法 1.3 日食 1.4 潮汐 1.5 恒星日 1.6 岁差 1.7 日晷 1.8 星盘 1.9 水钟 1.10 塔钟 1.11 钟摆 1.12 机械游丝摆 第2章 振荡及傅里叶分析 2.1 介质中振荡运动 2.2 简谐振动 2.3 共振效应 2.4 波在介质中的传播 2.5 波的散射 2.6 线性和非线性介质 2.7 固有振荡模式 2.8 参变激励 2.9 傅里叶分析 2.10 互耦振荡 第3章 振荡器 3.1 放大器反馈 3.2 振荡条件 3.3 谐振器 3.4 速调微波管 3.5 光频振荡器 3.6 振荡器的稳定度 第4章 石英钟 4.1 技术发展 4.2 石英晶体的结构和性质 4.3 石英晶体的振动模式 4.4 X-射线晶体学 4.5 石英谐振器的加工 4.6 频率稳定度 4.7 石英谐振器电路 4.8 频率测量和时间测量 …… 第5章 电子、原子和量子 第6章 磁共振 第7章 原子共振频率的修正 第8章 铷原子钟 第9章 传统铯原子频标 第10章 原子和分子振荡器：脉泽 第11章 氢脉泽 第12章 粒子囚禁 第13章 离子微波钟 第14章 光频振荡器：激光器 第15章 激光系统 第16章 原子和离子的激光冷却 第17章 激光器在微波频标中应用 第18章 光频标与测量 第19章 应用：基于时间的导航 第20章 原子钟与基础物理学 参考文献 延伸阅读 中英文对照

Fouad G. Major 率先将离子场约束应用于微波光谱学。1969年，他首次观测到被捕获的汞离子中的微波共振，作为美国宇航局实验室航天器原子钟的参考。1970年获得美国宇航局“阿波罗成就奖”，并担任法国奥赛钟表原子实验室的客座研究员。 ----- 【译者】杨仁福，2007年中国科学院物理研究所博士毕业，德国德累斯顿工业大学强磁场研究中心（2007年）和美国加州大学伯克利分校物理系（2013年-2014年）访问学者。北京量子信息科学研究院首席研究员（PI），西安交通大学兼职教授。长期从事原子钟相关技术研究，主持或核心参与的原子钟包括：CPT原子钟、汞离子微波钟、钙原子光钟、氢原子钟（星载、地面）、铯原子钟等，相关产品应用于“北斗”“天宫”“陆态网”等国家重大工程。获国家国防科技进步一等奖（2017年）、中国航天科工集团科技进步一等奖（2018年）、中国航天基金会奖（2018年）、中国专利金奖（2019年）、联合国WIPO奖（2019年）等，已主持各类国家科研课题15项，发表学术论文40余篇，授权专利15项。

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