I. Principios básicos: transiciones de niveles de energía atómica y bloqueo de frecuencia
- Mecanismo de transición del nivel de energía
El reloj atómico de rubidio se basa en las transiciones entre los niveles de energía hiperfinos del estado fundamental de los átomos de rubidio (Rb). Su frecuencia inherente es de 6834,682614 MHz. Cuando los electrones transicionan entre diferentes niveles de energía, absorben o liberan ondas electromagnéticas de frecuencias específicas. Esta frecuencia posee una estabilidad extremadamente alta y se convierte en un punto de referencia natural para la medición del tiempo. - Bombeo óptico y resonancia de microondas
- Bombeo óptico: El grupo atómico de rubidio se excita mediante un campo láser, lo que provoca que los electrones salten de niveles de energía bajos a altos para lograr la selección del estado atómico. Cuando todos los átomos han completado la transición, la energía del campo láser tiende a estabilizarse.
- Modulación de microondas: Se aplica un campo de microondas y se ajusta su frecuencia. Al coincidir con la frecuencia de transición de los átomos de rubidio, los electrones vuelven a su nivel de energía inicial y reabsorben fotones, lo que reduce la intensidad de la luz láser. La frecuencia de transición se puede bloquear con precisión detectando el cambio en la intensidad de la luz.
II. Composición del sistema y proceso de trabajo
- Módulos clave
- Parte cuántica de rubidio: Contiene una celda de gas de átomo de rubidio y un fotodetector, que se utilizan para generar y detectar señales de transición.
- Oscilador de cristal controlado por voltaje (VCXO): su frecuencia de salida está regulada por la señal de error y finalmente bloqueada a la frecuencia de transición atómica.
- Circuito servo y bucle de enganche de fase: Convierten la señal de transición atómica en una señal de error, la realimentan para ajustar la frecuencia del oscilador de cristal y forman un control de bucle cerrado.
- Flujo de procesamiento de señales
Señal de transición atómica → Multiplicación de frecuencia de microondas → Modulación de frecuencia → Bucle de enganche de fase → Corrección de frecuencia del oscilador de cristal.
III. Características de rendimiento y comparación
- Ventajas
- Estabilidad a corto plazo: Alcanza el orden de magnitud de 10⁻¹², lo que es adecuado para escenarios que requieran una respuesta rápida.
- Volumen y costo: Es más pequeño y económico que el reloj de cesio y tiene un tiempo de calentamiento corto.
- Limitaciones
- Estabilidad a largo plazo: La tasa de envejecimiento es de aproximadamente 2 × 10⁻¹⁰ por año y necesita calibrarse periódicamente.
- En comparación con el reloj atómico de cesio, la precisión a largo plazo del reloj de rubidio es ligeramente menor, pero su rendimiento puede acercarse al del reloj de cesio aumentando su volumen.
IV. Evolución tecnológica y nuevos diseños
- Reloj de rubidio CPT basado en chip: adopta la tecnología de captura de población coherente (CPT) e integra el control del microprocesador para lograr una mayor integración y calibración en tiempo real.
- Reloj óptico: Podría reemplazar a los relojes atómicos tradicionales en el futuro. Su error teórico es de tan solo un segundo cada 30 mil millones de años, pero actualmente no se ha extendido su uso en la navegación por satélite.
