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3-1实验简介（实验的必要性及实用性，教学设计的合理性，实验系统的先进性） 时间是表征物质运动的基本物理量，在国际单位制中“秒（s）”是七个基本单位之一。时间和频率互为倒数，频率定义为单位时间（1秒）内周期振动的次数，如果频率精确确定了，时间也就精确确定了。原子内态之间的跃迁频率非常稳定，因此被人们用来定义时间的标准。1967年国际计量大会对“秒”进行了定义：The second
is the duration of 9192 631 770 periods of the radiation corresponding to the
transition between the two hyperfine levels of the ground state of the
Caesium 133 atom（1秒是133Cs原子两个超精细基态能级之间跃迁辐射的周期振荡9192 631
770次所持续的时间）。铯原子喷泉钟是用作复现上述“秒”定义的装置（亦称为原子频标），其将“秒”的测量准确度精确到 铯原子喷泉钟是集人类智慧和技术结晶的尖端物理装置，基本原理是利用光与原子相互作用过程的吸收和辐射来精确测量原子的跃迁频率。本仿真实验联合了北京时间发布单位——中国科学院国家授时中心，在确保原理技术正确先进的同时，共同设计了适应本科生知识能力的实验环节。本实验将介绍铯原子喷泉钟的基本原理以及实现高精度时间频率信号稳定输出的实验过程，让学生了解冷原子团产生、原子与光场和微波场相互作用过程中的物理原理，并通过精确控制光场频率、微波频率及探测过程，了解搭建喷泉钟涉及的相关技术要求，系统掌握原子喷泉的实现、时间频率信号的提取等基本过程和操作方法，加深和拓展学生对原子物理、光学、量子物理、以及原子精密操控技术的认识，培养细致慎密的物理思维和复杂工程系统的认知，为后续学习、科研和工作打下相应的基础。 1）实验的必要性及实用性：本实验涉及到光学、电磁学、原子物理、量子力学等本科生需要掌握的基本物理知识，是一个难得的综合锻炼和研究探索实验；实际系统中又需要对光、磁、微波等物理量的精密控制，操作复杂，技术集成度高，难以在一般的实验室开展。通过该实验可以在学生学习物理原理的同时，提高对物理原理和过程的准确把握和细致思考能力，锻炼知识运用和综合设计能力，贴近前沿科技，深入体会一个简单的物理思想是如何通过精巧而必要的技术实现的，感受科学家是如何在追求极致中不断推动人类进步的。同时避免购置昂贵的喷泉钟实验系统、规避高功率激光危险、以及物理量精密操控的技术等问题。 2）教学设计的合理性： 铯原子喷泉钟对于环境要求苛刻，实际中需要专业技术人员花费较长时间精确调节实验光路以及各种技术参数，对于实验系统的精密调节一定程度上严重挫伤学生的实验积极性。本项目采用先进的虚拟仿真技术，可以适当减少一些仪器的调节自由度，大大缩短学生在实验光路调节和技术参数设定上所花费的时间。在核心知识点和实验操作上，严格按照物理规律进行模拟，让学生自由调节，达到“正确的操作得到正确的结果，错误的操作得到符合实际的错误结果”，从而真实还原实验核心内容，让学生有达到真实的实验体验。在此基础上，采用“课前线上预习、课堂线下集中讲解和指导、学生线上操作完成实验和报告”的教学模式，不仅可以加深学生对实验仪器以及其功能的深入了解、也能提高学生的自主性、提高学生的写作能力以及思辨能力，一定程度上深化了学生的科研初心。 3）实验系统的先进性：铯原子喷泉钟属于前沿科学技术，该仿真实验联合了北京时间发布单位——中国科学院国家授时中心，在确保原理技术正确性的同时，将前沿科技与基础教学相融合，利用3D虚拟软件复现真实的微观原子动态操控过程，极大提高学生的学习兴趣和对前沿科技的了解，有助于加深学生对基础知识的理解，培养其科技创新能力。这对于学生掌握精密操控原子的实验技巧，学习原子与光场、微波场作用的基本原理和了解国际学术前沿有着重要的作用。 |
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3-2实验教学目标（实验后应该达到的知识、能力水平） 铯原子喷泉钟虚拟仿真实验属多层次可拓展的大学综合物理实验，该实验从生活中最常见的计时手段从发，涵盖光学、原子物理学等物理基本内容，又结合激光、磁光阱、飞行时间技术等最新现代物理技术，其所涵盖物理原理及应用技术更是屡受诺贝尔奖的青睐。 根据实验内容设计，学生通过本实验学习，在基础层次：将了解国际通用时间系统、铯原子喷泉钟基本原理、半导体激光器基本原理等；在进阶层次：将系统掌握冷原子团的制备，原子喷泉的实现、时间频率信号的提取等基本原理和操作方法；在高级层次：将完整理解并加深对原子精密操控技术、原子与光场和微波场相互作用的量子理论认识等，为后续学习、科研和工作打下相应的基础。 通过面向不同类型学生不同层次的实验训练，将进一步激发学生的学习兴趣，使学生建立将学习与基础科学前沿和国家重大战略需求相结合的学习目标，培养他们的自主学习能力、创新热情、实践能力、探究精神、创新思维，并以其在创建高水平大学和高素质人才中发挥着重要作用。 |
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3-3实验课时 （1）实验所属课程课时：《大学物理实验》64学时 （2）该实验所占课时： 4学时 |
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3-4实验原理 （一）实验原理(限1000字以内) Rabi最早发现原子内部能级频率可作为时间频率标准。某一特定“超精细状态”的原子受到微波电磁场（Microwave）的辐射，当微波频率接近原子的跃迁频率时，原子将从原始超精细状态跃迁至另一状态。通过反馈回路调整微波频率直到所有的原子完成跃迁。原子钟就是调谐微波场频率与原子的共振频率一致从而产生时间信号的计时器。如图1示，(a)和(b)表示一个微波场激励两个超精细基态能级跃迁，(a)、(b)分别为非共振、共振情形；(c)表示光激发基态上能级到激发态的吸收，共振时达到最强吸收，确定吸收最低点即确定了共振频率。但此类原子钟很不精确，原因是原子热运动使吸收曲线的包络很宽，吸收峰值不能精确确定。
图1 1950年，N. Ramsey提出了分离振荡场方法，即在原子束飞行路线上设置两个相位相同的电磁场，获得线宽更窄的曲线。如图2示，(b)表示原子两次通过激励场，使基态的上能级原子处于|g1>和|g2>在磁场演化的叠加态上。图(c)是探测得到的Ramsey干涉图样。显然Ramsey图样在图1(c)的基础上，中间又出现了很多窄峰，从而提高了频率探测的精度。利用这一信号，伺服控制电路锁定激励振荡器输出频率，使得激励频率经频率综合后与原子跃迁中心频率吻合，获得符合“秒”定义的标准频率信号。
图2 Ramsey条纹是原子量子态干涉结果，类比于双缝干涉。双缝干涉是光通过空间不同路径后叠加，相位不同时发生相长相消，空间上出现明暗相间的条纹。Ramsey条纹则是原子两个量子态在静磁场作用下相位随时间演化后的叠加。第一次微波激励使原子处于两基态的叠加态，随后在静磁场下相位随时间分别演化，第二次微波激励使演化不同的两基态原子再次叠加，探测其中一个基态上的原子则会出现干涉。 铯原子喷泉钟是以Ramsey方式工作的原子钟，如图3示。铯原子在二维磁光阱（2D-MOT）形成慢速原子束，之后被推送到3D-MOT，冷却获得冷原子团（冷却），并完成上抛启动（上抛）。冷原子团在上抛过程中被进一步冷却（后冷却），并与选态腔中的微波发生作用以筛选对磁场不敏感的量子态的原子（选态）。继续上升的冷原子团经过激励腔，与馈入到激励腔的9.192GHz微波作用，上升到最高点后自由下落，下落过程中再次通过激励腔与9.192GHz微波相互作用，实现Ramsey方式的跃迁（激励）。原子的跃迁几率通过荧光探测法获得（检测）。一个喷泉钟周期包括上述的冷却→上抛→后冷却→选态→激励→检测过程，利用跃迁几率信号就可得到晶振的伺服控制信号，从而把晶振锁定在原子的超精细能级上，获得标准的时间频率信号。
图3 （二）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内） 本实验的虚拟装置和相应的实物装置如图4所示，主要的实验仪器有：激光器4台，微波源2台，微波腔2台，微波功率探测器1台，频谱分析仪1台，激光功率探测器1台，激光波长计1台，高效磁场屏蔽系统1套，冷原子团制备系统1套，数据采集系统1套，伺服控制系统1套，透镜、半波片、反射镜、偏振分束器若干。虚拟仿真实验过程中，所有光学器件和仪器设备均可调节。利用Visual
Studio, Unity3d, 3d Max，Adobe Photoshop, Matlab , Origin等软件实现3D仿真和数学建模，最大程度还原真实实验过程，关键仪器可以自由调节参数，具体如下： 1）激光器：基模输出，频率在红外光范围内自由调节，激光功率可调（0～1000 mW）； 2）微波源：输出频率可调（0～12GHz），输出功率可调（ 3）频谱分析仪：提供信号功率、频率信息以及波形图保存功能； 4）微波功率探测器、激光功率探测器、激光波长计：提供实时数值显示； 5）冷原子团制备的原子数目：可调并提供实时3D模拟显示； 6）伺服控制系统：控制时序，参数可调； 7）数据采集系统：提供时间频率信号实现显示，波形图保存。
整个虚拟仿真实验的仿真度达到90%以上，核心操作和实验现象的仿真度接近100%，即正确的操作可以得到正确的实验结果，错误的操作可以得到符合实际的错误结果。 |
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3-5实验教学过程与实验方法 本虚拟仿真实验，遵循能实不虚、虚实互补、虚实结合的原则，精心设计教学细节、加强过程管理，以期充分调动学生积极性，提升教学效果。 （1）实验教学过程 “课前线上预习、课堂线下集中讲解和指导、学生线上操作完成实验和报告”的混合式教学。在课堂讲解环节，虚实结合，演示部分实体器件的功能和操作，加深学生认识。通过一年多时间的实施，效果良好。 实验课程内容可以根据课程要求动态调整，既适合4学时的简单演示，也适合8学时或更多学时的深入研究。整个实验项目的开展分为预习内容布置、文献查阅、预研物理原理、师生互动讨论、实体实验+虚拟实验、考核、互评、问卷等环节。如在前几步骤中坚持“学生为主，教师辅之”原则，严格保障学生自主性：学生自行查阅资料、理解每个子实验的物理原理；又如师生互动：有线上线下对实验物理原理讨论的互动，亦有虚拟实验中实施过程中的设问及提示互动；再如实验报告的撰写：要求学生递交“科研论文形式”的实验报告，提高学生写作能力，强调用科学的精神、规范的专业术语描述和分析实验过程及结果，做到实事求是、数据可靠、格式规范、分析得当、结论正确。 （2）实验方法 本实验涵盖了以下8个知识点，内容包含了铯原子喷泉钟的工作原理、光栅反馈外腔式半导体激光器、光抽运技术制备原子态、微波腔谐振频率失谐和功率对原子跃迁几率的影响。每个知识点对应一个独立的子实验，可以根据课程的学时灵活安排实验内容。对于4学时的实验课，学生可以完成知识点（1）、（2）、（3）、（6）、（7）所对应的子实验；对于8学时的实验课，可以完成所有子实验。 知识点：共8个 1）了解现行国际通用时间系统，即世界协调时UTC（CoordinatedUniversal
Time）的产生过程； 2）铯原子喷泉钟工作原理及闭锁运行过程； 3）探寻光栅反馈外腔式半导体激光器的特性； 4）光抽运技术实现原子态的制备； 5）用光场抛射原子并计算原子运动的初速度； 6）计算微波场与原子两跃迁能态间的谐振频率； 7）微波场谐振频率失谐对原子跃迁几率的影响； 8）利谐振微波场功率对原子跃迁几率的影响。 实验方法说明： 1）方便的系统提示及流程定位：在实验操作过程中，学生可点击上边框流程栏，随时了解所在实验环节的要求及在整个流程中的定位和完成情况。同时，系统还提供演示功能，进行操作指导。 2）容错及有偿（扣分）操作提示：在已有提示的基础上，若学生仍不能采取正确的操作步骤，可选择“提示”按钮，但整个实验的得分值会自动减少。 3）允许自行设计实验细节：学生可以在系统允许的参数范围内选择任意参数组合，得到不同结果。 4）分阶段提问和分段评分：根据每个子实验的完成情况，过程给分，学生随时了解实验完成情况。 |
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3-6步骤要求（不少于10步的学生交互性操作步骤。操作步骤应反映实质性实验交互，系统加载之类的步骤不计入在内） （1）学生交互性操作步骤，共12步
（2）交互性步骤详细说明 进入虚拟实验室，位于界面顶部的是标题栏，在这里会显示当前实验的实验名称，左边显示的是当前实验的进行时间。界面底部是当前实验的菜单栏，是我们操作的核心部分，在这里我们可以查看当前实验的实验项目、实验步骤、帮助文档以及调用实验仪器等，界面右边是当前实验的提示信息，在这里可以实时跟踪查看当前实验的状态。 打开界面右下方菜单栏的帮助文档，学生可以看到本次实验的实验原理与实验内容等，在实验指导界面里有本次实验所需实验仪器使用说明的详细介绍，方便查看。在实验完成后，提供实验思考题。有兴趣深入研究的学生可以继续阅读界面最后提供的相关参考资料。 了解实验的相关原理和实验内容之后，可以选择“实验项目”开始完成具体的实验。如图5所示，鼠标左键单击菜单栏第一项“实验项目”，这里列出了本次虚拟仿真实验需要进行的7项实验内容，包括喷泉钟光场准备、喷泉钟微波场准备、喷泉钟工作介质制备、喷泉钟工作介质的光场激励、微波激励、初态制备等。
图5虚拟仿真实验项目 在实验中，所有仪器设备的主要参数均可自由调节，实现开放性的交互性操作。对应实验内容，主要的交互性操作可以总结为以下12个： 1）打开激光控制器电源，观察激光器是否有激光出射； 2）打开激光功率探测器的电源，调节激光器功率旋钮观测激光输出功率。 3）打开波长计的电源，将激光功率调至最大，调节激光器频率旋钮观测输出频率。 4）打开微波源的电源，利用电流旋钮调节输出功率，利用频率旋钮调节输出频率，通过频谱分析仪观察记录微波源输出功率及频率波形图。 5）操控冷却激光器，观察原子的运动状态，了解喷泉钟工作介质的制备过程。 6）光抽运技术实现原子态制备：设定激光频率失谐量，观察光抽运实现原子态的制备过程。 7）光场激励实现原子能级跃迁：打开光电探测器，设定不同的激光频率失谐量，得到原子的跃迁几率曲线。 8）原子上抛操作：改变激光束的谐振频率失谐量，实现原子团的上抛过程，观察记录不同失谐量实现的原子上抛高度。 9）微波激发原子跃迁：调节微波频率得到谐振频率，实现原子基态两个超精细能级间的跃迁。 10）测定微波功率实现原子的Ramsey跃迁：设定微波频率在铯原子跃迁频率（步骤9得到），扫描微波功率获得不同微波功率下跃迁几率的变化曲线，得到π/2脉冲对应的微波功率。 11）利用微波场-光场混合系统实现原子的选态过程：利用步骤9）得到的参数，配合谐振光场与原子作用产生的辐射力推走非实验态原子，实现原子态的精确筛选。 12）铯原子喷泉钟闭环运行：根据上述步骤中得到的实验数据，设定运行参数，实现Ramsey信号，设定正确的微波扫描频率值，确定时间频率标准值。 |
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3-7实验结果与结论（说明在不同的实验条件和操作下可能产生的实验结果与结论） 实验系统中，关键仪器的参数需要记录，实验的每一步结果均可保存。实验的结果与结论将以实验报告的形式进行提交。 在“喷泉钟光场准备-激光器”实验中，需要开启激光控制器开关，激光器才能有激光出射；开启光功率计、光波长计的电源并将探头置于激光束上时，调节激光控制器的功率、波长旋钮才能得到正确的数值变化。 在“喷泉钟微波场准备-微波源”实验中，需要开启微波源、频谱分析仪，频谱分析仪才能显示正确的微波输出功率、频率。 在“喷泉钟工作介质制备-冷原子”实验中，需要开启冷却激光器才能观察到自由运动的原子聚集成团。 在“喷泉钟工作介质的光场激励”实验中，需要开启抽运激光，对抽运激光进行调节才会有原子跃迁的现象。抽运激光的频率失谐量需要按照调节步长，连续设定频率失谐量才能形成完整的原子跃迁几率曲线。抽运激光频率失谐量设置为0时得到最多的原子跃迁运动、最大的原子跃迁几率。上抛激光频率失谐量为2.8MHz是最佳上抛高度。 在“喷泉钟工作介质的微波激励”实验中，需要开启微波源，调节输出频率值接近原子两基态能级的频率差（约为9.19GHz）才会发生原子跃迁现象。微波输出功率值大小需要按照最小调节精度，连续设定功率值才能形成完整的原子跃迁几率曲线。 在“喷泉钟工作介质的初态制备”实验中，需要先开启微波源，再开启激光器才能观察到实验现象。 在“铯原子喷泉钟集成系统的运行”实验中，需要开启弹出界面内的所有仪器。设定最优的上抛激光频率失谐为2.8MHz，将微波频率扫描宽度设为100Hz，微波功率设定值是1.35V（即 |
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3-8面向学生要求 （1）专业与年级要求 可面向物理、光学工程、机械、生命科学、医学等专业（二年级及以上学生）开设，亦可面向专业对应的企业技术人员进行培训。 （2）基本知识和能力要求 预修课程《大学物理》或《原子物理学》。具备一定光学和原子物理学基础知识和实验技能，做过基础的光学和近代物理实验，掌握激光器和相关光学元件的使用和操作。 |
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3-9实验应用及共享情况 （1）本校上线时间：2019年12月31日（上传系统日志） （2）已服务过的学生人数：本校4100人，外校400人 （3）附所属课程教学计划或授课提纲并填写： 纳入教学计划的专业数：51，具体专业：凝聚态物理、材料物理、理论物理、光信息、物理试验班、少年班、自动化、机械等， 教学周期：2，学习人数：4100 （4）是否面向社会提供服务：○是√否 （5）社会开放时间：2020年12月31日 （6）已服务过的社会学习者人数：1000人 |
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