所谓时间基准，就是在当代被人们确认为是最精确的时间尺度，长期以来，人们一直在寻求着这样的时间尺度。

历史发展

世界时秒长

氨钟

原子钟

铯钟

喷泉钟

光频标

历史发展

在远古时期，人类以太阳的东升西落作为时间尺度；公元前二世纪，人们发明了地平日晷，一天差15分钟；一千多年前的希腊和我国的北宋时期，能工巧匠们曾设计出水钟，精确到每日10分钟误差；六百多年前，机械钟问世，并将昼夜分为24小时；到了十七世纪，单摆用于机械钟，使计时精度提高近一百倍；到了20世纪的30年代，石英晶体震荡器出现，对于精密的石英钟，三百年只差一秒…。

世界时秒长

自十七世纪以来，天文学家们以地球自转和世界时作为时间尺度：当地球绕轴自转一周，地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。1820年法国科学院正式提出：一个平太阳日的1/86400为一个平太阳秒，称为世界时秒长。

由于地球自转季节性变化、不规则变化和长期减慢，所以世界时每天可精确到1×10-9。但是社会的进步和科学技术（特别是航天、空间物理、军事等）的飞速发展，使人们对时间尺度的精度需求越来越高。

氨钟

NIST的美国物理学家哈罗德·莱昂斯 (Harold Lyons)于1949年利用氨分子的振动制造出了第一架原子钟。由l个氮原子和3个氢原子组成的氨分子形状规则，很像一个三棱锥。人们可以想象，在三棱锥底部的每一角有一个氢原子，而在顶部有惟一的一个氮原子。在遭到微波“雨”的轰击之后，氨分子吸收其能量，然后，一旦分子开始振动，能量就被释放。事实上，如果我们能够观察到氨分子的话，我们就能看到氮原子像悠悠球(一种线轴形玩具)一样上下移动，这样，三棱锥顶部就好像不断地在颠倒。这些原子振动速度极快，l秒钟内发生240亿次。240亿赫兹就是氨分子发出的电磁波的频率。这样，秒就可以被定义为氨分子震荡240亿次所需的时间。自1955年起，氨被铯133取而代之。其原理与氨钟一样：向原子“注人”能量，然后测量发出的电磁波的频率。

原子钟

1953年是时频科学的一个新的里程碑。世界上第一台原子钟在美国哥伦比亚大学由三位科学家研制成功，其中有一位科学家是我们中国人，叫王天眷（后来回国，多年从事祖国的频标事业）。原子钟的出现标志着一门崭新的学科：量子电子学诞生。1963年13届国际计量大会决定：铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。此定义一直延用至今。所以，从1963年后，时间基准的名称应该由PRIMARY CLOCK来代替，它指的是实验室型大铯钟。就已发表的资料来看，德联邦的“联邦技术物理研究院”的PTB-CsI、美国国家标准局的NBS-6及加拿大国家研究院的NRC-CsV的准确度均已达到10-14量级。我国计量院的CsII、CsIII也达到10-13量级。由此可见PRIMARY CLOCK的准确度至少要比商品型小铯钟高出一个数量级。

铯钟

对于大铯钟这样的一级时间标准，世界上只有少数几个国家的时频实验室拥有，而且，有的还不能长期可靠地工作。但是，对于世界上大多数没有大铯钟的实验室也可以有自己的时间尺度。其方法是：用多台商品型铯钟（目前5071A型小铯钟的准确度为1×10-12）构成平均时间尺度。你的实验室的小铯钟越多，你的时间尺度的稳定性就越好。有了这样高稳定度的时间尺度，也可以满足国防、科研、航天等方面的急需。例如：我们国家授时中心有六台小铯钟，组成我们的地方原子时尺度，其稳定度为10-14量级。国外有的实验室有几十、乃至几百台小铯钟，那么，稳定度就更高了。

喷泉钟

社会在进步，科技在发展，人类对新的时间基准的研究仍在继续，大铯钟作为PRIMARY CLOCK的地位受到严重冲击。例如：原子喷泉、光频标就是它的强力对手。喷泉钟的准确度进入10-15, 最好的达到1×10-15（美国标准与技术研究院）。光抽运铯束基准频标的准确度也进入10-15（法国巴黎时间频率实验室）。

1999年是NIST F-l年。它的精度达到了其前身NIST-7的3倍，后者是由NIST的研究员斯蒂夫·杰弗斯和道恩·米克霍夫研制的。NIST F-l被称为“喷泉钟”，因为铯原子被高高顶起，正像垂直喷射的水流。这种运动可以使频率的计算更加精确。一切始于由铯原子组成的气体，铯被引人到钟的真空室中。6束红外线激光束对准这种气体，这样，气体将呈球状。在这个过程中，由于激光放慢了原子的运动速度，气体的温度因此降低，接近于绝对零度(-273·15C)。

一束激光垂直向上，把“气球”推向上方。在上升过程中，气体穿过一个充满微波的腔：穿过这个装置后原子就充满了能量。在重力的影响下，气球开始向下坠落，再次穿过微波腔。一旦原子同微波再次发生相互作用，一些原子就会发现充入其中的能量己被掏空了。腔中的微波好像挤海绵一样，把浸满能量的原子球“挤干了”。事实上，受微波刺激，铯原子开始振动，这样就释放 出电磁波，这些电磁波的能量 等同于第一次穿过微波腔期间 所吸收的微波的能量。鉴于释 放能量的原子的数目越多，频 率计算就更精确 (因而秒的定 义就更精确)，因此，制作的 装置应满足的要求是，在从微波腔出来时释放数目要最多。为了得到这一点，必须具有适当频率的微波才能使铯原子吸入能量，也就是说相当于铯所谓的“固有”频率。这个过程被多次重复，当铯原子每次向上“喷射”时，微波 频率就会被轻微地调整，直到 这些微波成为一个具有适当频 率的“能量池”。

当铯原子气再从微波腔 出来时，就会被另一束激光撞 击：激光从铯原子中“挤”出光能量，当在微波腔中的微波达到铯原子的固有频率时，这种能量的释放达到最大，也就是电磁辐射最强。

在铯133固有频率的基础上，总部位于巴黎的国际标准局保存了正式定义秒的官方文件：秒是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。

光频标

激光器问世后，人们把这种原理应用于红外和可见光频段，制成光频标。光的频率比微波频率高几万倍，因此，光频标的相对稳定度和准确度都相应提高。光频标通常利用腔内饱和吸收技术。以工作在 633纳米的碘稳定氦氖激光器为例，其原理如图。激光腔内放置一碘蒸汽吸收室。由于碘在 633纳米附近有丰富的吸收谱线，根据饱和吸收原理，在激光输出功率的调谐曲线上会出现许多窄共振峰。通过电子控制回路，可以把激光频率锁定在某一共振峰的中心频率上。控制元件是固定在腔反射镜后的压电晶体。当激光频率偏离共振峰中心时便产生误差信号，这一信号经处理后用于控制腔长，使频率锁定到峰的中心位置上。这样制成的光频标，频率稳定度和复现性都在10-11量级。此后，又发展了腔外吸收稳频技术，使光频标的频率稳定度和复现性进一步提高，可达10-13量级。

因此，不久的将来，喷泉钟或光频标完全有可能取代目前的微波频标，成为新一代的时间频率基准。