По сравнению с другими типами атомных часов (такими как традиционные цезиевые лучевые часы, водородные атомные часы, рубидиевые атомные часы и т. д.) основные преимущества цезиевых атомных часов с оптической накачкой (таких как TA1000) заключаются в инновационности технологии оптической накачки и комплексной оптимизации производительности, что особенно отражено в следующих аспектах:

1. Преимущества технических принципов и основных механизмов

1)       Технология оптической накачки повышает эффективность поляризации атомов

Традиционные цезиевые атомные часы (например, цезиевые лучевые часы) используют радиочастотное (РЧ) возбуждение для стимуляции переходов атомных энергетических уровней цезия через микроволновые поля. Эффективность атомной поляризации низкая и на нее легко влияют флуктуации магнитного поля.

В атомных часах на основе цезия с оптической накачкой используется технология лазерной накачки, которая использует лазерный луч (например, полупроводниковый лазер с длиной волны 894,6 нм) для непосредственной накачки атомов цезия до определенного высокого уровня энергии, увеличивая скорость поляризации атомов до более чем 95% (традиционный метод составляет около 70%), значительно улучшая отношение сигнал/шум и снижая шумовые помехи.

Преимущества: Высокая монохроматичность и направленность лазера делают подготовку атомного состояния более чистой, а чувствительность обнаружения частоты увеличивается более чем в 10 раз, что существенно улучшает стабильность частоты.

2) Отсутствие магнитного отбора упрощает конструкцию

Традиционные цезиевые лучевые часы используют сильные магнитные поля (например, магниты Штерна-Герлаха) для разделения атомных состояний. Они громоздкие (например, US 5071A, имеющий объем 440×430×177 мм), и дрейф магнитного поля приведет к ошибкам частоты.

Цезиевые часы с оптической накачкой поляризуют атомы с помощью лазеров, не требуют устройств магнитной сепарации, имеют более компактную конструкцию (например, объем TA1000 составляет 300×483×133 мм), на 50% легче и позволяют избежать систематических ошибок, связанных с магнитными полями.

2. Комплексное лидерство в показателях эффективности

1) Преимущества долгосрочной стабильности и точности

Традиционные цезиевые лучевые часы (например, 5071A): 30-дневная стабильность частоты составляет около 1 × 1 × 10−13 , а скорость дрейфа частоты составляет ≤5×10 - 12 /день.

Оптически накачиваемые цезиевые часы (например, TA1000): 30-дневная стабильность ≤5×10 - 14 , скорость дрейфа ≤1×10 − 12 /день , а долговременная стабильность в 5-10 раз выше, чем у традиционных цезиевых часов, близка к стабильности водородных атомных часов (долговременная стабильность порядка 1×10 − 14 ), но без эффекта затягивания полости водородных часов (дрейф частоты, вызванный изменениями температуры полости).

По сравнению с рубидиевыми атомными часами: рубидиевые часы обладают хорошей краткосрочной стабильностью (1× 10−11 /секунду), но плохой долгосрочною стабильностью (около 1× 10−11 за 30 дней), а их точность на два порядка ниже, что делает их пригодными только для недорогих сценариев.

2) Частотное разрешение и шумовые характеристики

Фазовый шум оптически накачиваемых цезиевых часов может достигать −135 дБн/Гц в диапазоне низких частот (например, смещение 1 Гц), что лучше, чем −125 дБн/Гц традиционных цезиевых часов, и больше подходит для точных измерений (например, тестирования фазового шума для калибровки анализаторов спектра).

Хотя водородные часы имеют отличную краткосрочную стабильность (1×10 − 14 /секунду), они имеют большой размер (обычно более 3U), имеют высокое энергопотребление (100 Вт+) и существенно зависят от температуры окружающей среды. Оптически накачиваемые цезиевые часы достигают лучшего баланса между размером, энергопотреблением и стабильностью.

3. Преимущества инженерной и прикладной адаптивности

1) Миниатюризация и низкое энергопотребление

Технология оптической накачки устраняет необходимость в магнитной селекции и больших микроволновых резонаторах, снижая энергопотребление до 50–80 Вт (традиционные цезиевые лучевые часы потребляют около 150 Вт) и совместима с 19-дюймовым шасси 1U/2U, что делает ее пригодной для мобильных сценариев, таких как установка на транспортных средствах и кораблях (например, TA1000 поддерживает рабочую температуру от -10 ℃ до +50 ℃).

По сравнению с водородными часами (обычно занимающими более 3U пространства и потребляющими более 150 Вт электроэнергии) и рубидиевыми часами (небольшими, но недостаточно точными), цезиевые часы с оптической накачкой сочетают высокую точность с низким энергопотреблением в средних размерах.

2) Интеллектуальность и простота использования

Он поддерживает сенсорное взаимодействие, работу с меню, отображение состояния в реальном времени, встроенную автоматическую синхронизацию (сигнал 1PPS) и функции записи событий, а также может калиброваться и обслуживаться без привлечения специалистов, что значительно снижает порог использования (традиционные цезиевые лучевые часы требуют сложной ручной калибровки).

Выходной сигнал имеет высокую совместимость: он обеспечивает синусоидальные волны частотой 10 МГц, 5 МГц и импульсы частотой 1PPS, которые можно напрямую адаптировать к счетчикам, анализаторам спектра, базовым станциям связи и другому оборудованию без необходимости использования дополнительных модулей преобразования сигнала.

3) Экологическая адаптивность и надежность

Виброустойчивость лучше, чем у традиционных цезиевых часов (чувствительность к вибрации <1× 10−11 /г), подходит для полевых работ (например, геодезических съемок, мобильных калибровочных машин).

Благодаря встроенному алгоритму температурной компенсации дрейф частоты составляет менее 5× 10−13 при изменении температуры на ±10 ℃. Однако водородные часы требуют точной постоянной температуры (колебания температуры менее 0,1 ℃), что ограничивает сценарии их применения.

4. Преимущества стоимости и локализации

1) Превосходная эффективность затрат

Цена цезиевых часов с оптической накачкой составляет около 60–70 % от стоимости традиционных импортных цезиевых лучевых часов (например, 5071A), а расходы на техническое обслуживание ниже (отсутствуют такие проблемы, как старение магнита и настройка микроволнового резонатора).

По сравнению с водородными часами (цена за единицу более 2 миллионов юаней) цезиевые часы с оптической накачкой сформировали дифференцированную конкуренцию на рынке стоимостью 1 миллион юаней и подходят для сценариев, требующих как точности, так и стоимости (например, базовые станции 5G и синхронизация электросетей).

2) Автономное управление и техническая безопасность

Отечественные цезиевые часы с оптической накачкой (например, TA1000) добились локализации ключевых компонентов (лазеров, цезиевых атомных газовых камер), избежав зависимости от иностранных технологий и удовлетворяя независимые и контролируемые потребности обороны, финансов, электроэнергетики и других областей (традиционные импортные цезиевые часы могут иметь риски в цепочке поставок).

5. Сравнительные преимущества типичных сценариев

Резюме : Основные преимущества атомных часов на основе цезия с оптической накачкой Атомные часы на основе цезия с оптической накачкой достигают наилучшего баланса между долговременной стабильностью, компактностью, простотой использования и стоимостью благодаря технологии лазерной накачки. Они не только компенсируют недостатки традиционных часов на основе цезия, такие как большой размер и сложная калибровка, но и преодолевают ограничения недостаточной точности рубидиевых часов и высокого энергопотребления водородных часов. Они стали идеальным выбором для стандартов времени и частоты среднего и высокого уровня, особенно для сценариев со всеобъемлющими требованиями к точности, надежности и инженерному развертыванию (таких как 5G, измерения, национальная оборона, электросети и т. д.). Его технологический прорыв знаменует собой скачок атомных часов с «лабораторного уровня» на «уровень крупномасштабного применения» и способствует популяризации высокоточных стандартов времени и частоты в большем количестве областей.