時(shí)間頻率是國際單位制七個(gè)基本量之一。時(shí)間頻率計(jì)量不僅準(zhǔn)確度高，而且可借助電磁波發(fā)播傳遞溯源而保持很高的準(zhǔn)確度。這一方面意味著*終用戶可以減少中間傳遞層次，以較低的代價(jià)獲得高準(zhǔn)確的溯源；另一方面也奠定了現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)。

時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)量學(xué)中占據(jù)了獨(dú)特的重要地位。長度基本單位米(m)、電學(xué)重要單位伏特(V)都直接以頻率定義。許多其他測量量(如距離、溫度、力、位移、加速度等)常常轉(zhuǎn)化到頻率量測量以提高測量準(zhǔn)確度。

時(shí)間頻率計(jì)量是科學(xué)研究和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要技術(shù)支持，又和人民群眾的日常生活密切相關(guān)。時(shí)間頻率在現(xiàn)代天文學(xué)、物理學(xué)等前沿基礎(chǔ)研究中扮演著重要的角色。在現(xiàn)代科學(xué)中具有重大意義的愛因斯坦相對(duì)論，其許多相關(guān)實(shí)驗(yàn)要依靠高精度時(shí)間頻率測量驗(yàn)證；深空探測、基本物理常數(shù)的精確測定，以及天文學(xué)、地質(zhì)、地貌的研究等，原子鐘都成為不可或缺的重要工具。當(dāng)今世界原子鐘獲得愈來愈廣泛的工業(yè)應(yīng)用，重要性也愈益顯著，特別是在導(dǎo)航和通訊領(lǐng)域。如果通信網(wǎng)絡(luò)頻率時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)停止工作，光纖通信網(wǎng)絡(luò)將癱瘓，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)所有的計(jì)算機(jī)都不能上網(wǎng)，我們也將無法撥打長途電話。手機(jī)機(jī)站間由于頻率時(shí)間無法同步，也將無法正常工作。

現(xiàn)在獲得廣泛應(yīng)用的GPS全球定位系統(tǒng)，是衛(wèi)星技術(shù)與時(shí)間發(fā)播系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物。該系統(tǒng)在全球分布的24顆準(zhǔn)同步衛(wèi)星，通過放置在衛(wèi)星上的原子鐘和地面站內(nèi)高性能守時(shí)原子鐘形成時(shí)間發(fā)播系統(tǒng)。地面站的高性能守時(shí)原子鐘組產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間校準(zhǔn)衛(wèi)星上的原子鐘。由于原子鐘提供了高精度的時(shí)間體系，GPS距離定位精確到幾米才成為可能。

我們不難看出，建立獨(dú)立自主的時(shí)間頻率計(jì)量體系關(guān)系到國家基礎(chǔ)科學(xué)、國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)的核心利益。由于衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)其不言而喻的國防意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，目前,我國已經(jīng)開始建立自己的北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

科研小組研制的“激光冷卻銫原子噴泉時(shí)間頻率基準(zhǔn)裝置”是中國時(shí)間頻率的源頭，也為中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供了時(shí)間頻率的基礎(chǔ)技術(shù)支持。中國計(jì)量科學(xué)研究院通過多臺(tái)商品守時(shí)原子鐘保持中國法定的原子時(shí)。該原子時(shí)在參與國際原子時(shí)協(xié)作的同時(shí)，定期由激光冷卻銫原子噴泉時(shí)間頻率基準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。中國計(jì)量科學(xué)研究院通過放置在中央電視臺(tái)的銫鐘同步電視副載波信號(hào)，向全國發(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)。計(jì)量院也通過GPS衛(wèi)星授時(shí)、電話授時(shí)、Internet網(wǎng)絡(luò)授時(shí)等手段，傳遞各層次用戶所需的準(zhǔn)確時(shí)間，為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)服務(wù)。

“激光冷卻銫原子噴泉時(shí)間頻率基準(zhǔn)裝置”通過校準(zhǔn)計(jì)量院的守時(shí)鐘組，提高計(jì)量院的守時(shí)鐘組在國際原子時(shí)協(xié)作中的權(quán)重，同時(shí)作為時(shí)間頻率的溯源源頭，保持中國時(shí)間頻率體系獨(dú)立準(zhǔn)確運(yùn)行。

NIM4銫原子噴泉鐘是采用當(dāng)今國際*先進(jìn)的激光冷卻-原子噴泉原理實(shí)現(xiàn)的時(shí)間頻率基準(zhǔn)。激光冷卻原子技術(shù)1997年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，可將常溫下原子200多米每秒的運(yùn)動(dòng)速度降低為幾厘米每秒，相當(dāng)于冷卻到溫度只有**零度的百萬分之幾度。

用激光將原子冷卻是整個(gè)課題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，原子冷卻溫度越低，得到的原子數(shù)越多，信噪比越好。但是，很長一段時(shí)間都無法使原子的冷卻溫度下降。李天初一籌莫展，陷入困境。他說他現(xiàn)在回想起來，還能深切地體會(huì)到那時(shí)的沮喪。他積*查找資料，請教專家。*后，他和課題組發(fā)現(xiàn)，原子冷卻光束的直徑不夠大，在原子冷卻的后階段飛出冷卻光的光束范圍，導(dǎo)致冷卻不充分。將光束直徑加大后，難題迎刃而解。
在實(shí)現(xiàn)冷卻原子云后，接下來就是上拋原子，形成噴泉，只有形成上拋下落的噴泉運(yùn)動(dòng)，原子才可能與在磁光阱上方40厘米處微波腔中的微波相互作用。然而，好事多磨，新的問題又出現(xiàn)了，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)探測到上拋下落原子的信號(hào)遠(yuǎn)低于鎖定頻率需要的信噪比，并且有時(shí)上拋下落信號(hào)比較好，有時(shí)上拋下落信號(hào)不好。開始時(shí)一兩個(gè)月都沒有找到確切的原因，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備和部件非常多，每個(gè)儀器設(shè)備、部件甚至連線都可能出問題，特別是每個(gè)儀器設(shè)備和部件的性能指標(biāo)雖然都是相當(dāng)不錯(cuò)的，但激光冷卻原子這種高度**的實(shí)驗(yàn)中，其技術(shù)指標(biāo)是否夠用我們沒有經(jīng)驗(yàn)，只能靠反復(fù)實(shí)驗(yàn)，一點(diǎn)一點(diǎn)查，一點(diǎn)一點(diǎn)摸索總結(jié)。從自由下落實(shí)驗(yàn)看冷卻光系統(tǒng)和探測系統(tǒng)都工作正常，李天初通過再三分析，認(rèn)為信噪比不好的問題還在于激光穩(wěn)頻的調(diào)制頻率過低。將調(diào)制頻率從1kHz提高到80kHz，果然信號(hào)質(zhì)量大幅度提高。

類似這種過后看似簡單的一個(gè)又一個(gè)難題在科研過程中不斷出現(xiàn)，*大地挑戰(zhàn)著一個(gè)科學(xué)家的智慧和毅力。

憑著在困難面前永不言退的精神，在NIM4和NIM5銫原子噴泉鐘的研制中，提出并成功實(shí)現(xiàn)了一系列自主創(chuàng)新的方案和技術(shù):如利用聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率方波調(diào)制-偏移，從而實(shí)現(xiàn)頻率數(shù)字鎖定，這種新激光穩(wěn)頻方案輸出無調(diào)制激光，提高原子俘獲-冷卻效率10%；在方波采樣中采用正負(fù)數(shù)據(jù)交替伺服鎖定的新思路，實(shí)現(xiàn)一個(gè)噴泉周期一次伺服鎖定, 比之傳統(tǒng)的兩個(gè)噴泉周期一次伺服提高鎖定占空比一倍, 改善了噴泉鐘鎖定穩(wěn)定度；用保偏光纖耦合器實(shí)現(xiàn)光的傳輸和分光等。

自2008年10月至今，NIM5鐘的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到99%，與國際*高水平(法、美、德)相當(dāng)；2009年，NIM5鐘*新評(píng)定不確定度達(dá)到3×10-15，進(jìn)入國際第二梯隊(duì)前列。

NIM4和NIM5銫原子噴泉鐘的研究集中了當(dāng)代國際一系列*新科學(xué)技術(shù)成果，代表了中國計(jì)量科學(xué)前沿研究的水平。NIM4和NIM5銫原子噴泉鐘的研制成功表明中國時(shí)間頻率基準(zhǔn)研究進(jìn)入當(dāng)今世界先進(jìn)水平, 標(biāo)志著中國成為國際少數(shù)具有獨(dú)立完整時(shí)間頻率計(jì)量體系的國家之一，作出了重要貢獻(xiàn)。