王育竹：中国原子钟的开拓者

四大光机所是我国光学事业的发源地，也是最早的光学体系根基。他们像母亲河一样，源源不断地向全国各地输送着光学人才。在四大光机所里，有很多有趣的人和事，正是他们的努力，奠基了我国光学事业的如今蓬勃发展。之前我们分享了几位西光所、长光所的大咖人物故事，今天让我们继续走近中国科学院上海光机所的那些人、那些事~

1925年，爱因斯坦发表了一篇名为《理想气体的量子统计》论文，这篇论文也是他首次公开预言，在浩瀚的宇宙中，除固态、液态、汽态、等离子态外，物质还存在第五状态：一种原子在极低温度下所达到的物质状态，即原子凝聚态。

此番震惊世界之言，终在1995年得到证实，美国和德国的三位科学家也因首次观测到原子凝聚态现象而获得诺贝尔物理学奖。

在国际学术背景的影响下，中国在20世纪70年代末已陆续有学者关注激光冷却原子的研究工作，王育竹便是其中之一。他指导刘亮研究员领导的空间冷原子钟团队研制出了世界上第一台在轨实验的空间冷原子钟。

王育竹（1932.2-）：河北正定人，量子光学专家，中国科学院上海光学精密机械所研究员，中国科学院院士，瑞典皇家工程科学院外籍院士，长期从事电磁场与原子相互作用的研究，是中国原子频标开拓者之一。（图源：中国科学院上海光机所）

学成归来，专“啃”原子钟

 

王育竹院士的学习经历可谓“一波三折”但不失“优秀”。

1932年2月，王育竹出生于河北省正定县，小学时期正值日本侵华战争爆发，社会动荡不安。到了中学，全家随父亲工作调动来到了北京，而他就读于学风很好的育才中学。1955年，成绩优异的他顺利考入北京大学工学院无线电系，但由于全国院系调整，大二被调整到清华大学无线电系学习无线电工学。

大学毕业后，他被国家派到前苏联科学院电子学与无线电技术研究所攻读博士，研究原子频率标准（原子钟）。在前苏联做研究的过程中，曾经还因为实验装置爆炸而受伤过，但依旧没有动摇他勇往直前的决心，这段经历为以后研制我国第一台铷原子钟打下了坚实的基础。

1961年，学成归来的王育竹被分配到中国科学院北京电子学研究所，并和几个青年人一起筹备建立“原子频率标准研究组”，先后开展了钠原子光抽运微波波谱研究，研制成功了用于探测输出信号的外差式微波（1.25 cm）波谱仪，以及提出和完成了测量高Q值微波谐振腔的新方法，称为蝴蝶法，后将此法应用于观察铷原子谱线。

1964年8月，随着上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）的成立，王育竹所在的原子频率标准研究组搬迁至上海继续研究。年底，研究小组将研制成功的钠原子频标实验装置安放在上海天文台，并用上海天文台的标准频率信号进行首次频率对比和测试，这是他们研制成功的最早的频率标准装置。1965年，频标组研制成功氨分子振荡器，得到极好的信噪比，具有极好的灵敏度（10^-10 W）；发展了小型玻璃钟罩式氨分子振荡器；研制成功新型的态选择器……

同年，国外传来佳音，性能优异的铷原子钟研制成功，但该技术对中国禁运，时至今日仍是对中国禁运。同时在我国“两弹一星”工程中，导弹的研制与实验工作也急需高性能原子钟为其导航、定位技术等提供支持。意识到铷原子钟在国防工程导航定位系统的重要作用，1965年王育竹欣然领命，从钠原子频标研究转为铷原子钟研究。“国家需要原子钟，那么我的责任就是做原子钟。”

1

 

从“无”到“有”，坐得住“冷板凳”

 

作为国内最早开展原子钟研究的单位，上海光机所将光谱学、量子电子学研究室合并，为原来频标组注入了新血液，庞大的队伍勇猛无畏，与国际发展趋势达成一致。但想要研制铷原子钟，谈何容易，王育竹他们面临着首要难题：国内当时并没有原子钟研究所需的工作介质“铷同位素”。基于此，科研小组首先想到最有可能帮助解决这一问题的是中国科学院原子能研究所，幸运的是，原子能研究所的同位素分离装置刚建成，可谓绝渡逢舟，帮了一大忙。

此后，王育竹所在的频标组进行了长达四年的实验研究，最终研制成功了铷原子钟的关键部件和测试设备，包括：铷同位素吸收池、铷原子高频光谱灯、高稳定度石英晶体振荡器、微波倍频器和低噪声锁频电路。他们还自制了5 cm微波频谱分析仪、频率测试仪等相关设备；观察到铷原子基态的钟跃迁信号，并研制成功了两台铷原子频率标准实验装置，完成了铷原子钟的实验室样机雏形。

2

 

走向“工程化”，参与多项国防任务

 

1970年，周恩来总理提出“中国发布的标准时间信号要建立在中国研制的原子钟基础上。”上海市组织力量加快原子钟的研制工作。为此，上海光机所承担了铷原子钟的研制任务。

恰逢王育竹他们小组的铷原子钟的研究发展已经到了工程化阶段。为了抓住这一时机，合理运用工厂的技术支撑，他们带着任务下工厂，来到了上海国荣灯具厂。工厂设施简陋，工作环境极差，整个工厂都弥漫着甲醛、沥青、苯和香蕉水的气味。条件十分艰苦，但工厂师傅对待知识分子却十分友好热情。新建物理组、晶振组、倍频组、接收组、综合组、电源组和总体组，开始了铷原子钟工程化的研制过程。

 中国第一台铷原子钟（上海光机所研制）

从1970年到1978年，研究小组在一共研制了三代铷原子钟，第三代当时已经实现小批量生产。在三代铷原子钟的研制过程中，王育竹先后提出了三项具有创新性的技术：

(1)1961年光抽运原子钟采用了轴向通光的微波谐振腔，在腔的两端开孔通光，孔上设计截止波导，既能通光又不破坏微波的场型；

（2）1974年在设计第二代铷原子钟时，为了减小体积并提高微波功率，提出了方形波导倍频器。在波导上采用一个射频功率耦合器，它对微波1/4波长短路，防止微波功率从倍频器辐射到空间，对射频则电容耦合接地，使射频功率进入倍频二极管，这样的倍频器结构简单而可靠；

(3)大泡精密充气法，1976年国防工程任务对频率准确度的要求很高，要求吸收泡充气精确度达到4/100 mmHg的精度，用一般的充气方法很难达到这样的要求。大泡精密充气法是采用一个大容器与吸收泡连接，如同小水池与大水库连接保持水面恒定，再加上恒温等措施，就能达到这样的充气精度。

“在西方禁运的条件下，能为国家研制成功铷原子钟，性能达到当年德国原子钟水平，在国防建设中发挥了重要作用，我们感到欣慰而自豪。”王育竹在感慨中表示。

“我与激光冷却气体原子的二三事”

 

王育竹院士除了在原子钟研究领域贡献突出，对我国激光冷却原子研究工作的发展也做出了巨大贡献。

20世纪70年代末，在国际学术背景的影响下，激光冷却原子成为一个十分热门的科学前沿领域。但国内技术尚不具备支撑条件，只能对激光冷却原子研究的可行性进行理论研究。为加快科技创新国际化步伐，中国学者也开始着手研究激光冷却原子，王育竹院士便是其中之一。

1978年，王育竹从图书馆的文献资料上看到了汉斯和肖洛于1976年发表在《光通讯》杂志上的一篇关于“激光冷却气体原子”的论文，命运的齿轮开始转动，这一课题极大的吸引了他。他清楚地知道，这项发现不仅对原子钟研究，而且对原子物理以及基本定律验证的研究都有重大的意义。

为了论证光频移效应可以用于冷却气体原子，1979年王育竹提出了利用交流斯塔克效应（光频移效应）激光冷却气体原子的设想，论述了这种实验机制的可能性，并详细介绍了实验方案。这是第一次将光频移效应、光抽运效应用于激光冷却原子气体的机制。

接下来的工作里，王育竹利用多光束实现了原子在光压作用下的偏转，并第一次利用偏转原子束验证了量子光学中的亚泊松光子统计规律。这一研究成果不仅在国内产生了深远的影响，也在国际上得到了广泛的认可和赞誉，被美国、荷兰的科学家所引用，1985年王育竹还被邀请参加国际第6届激光光谱会议并做了大会报告。“能有机会到国际上去讲一讲，这并不是我个人的荣耀，而表明我们中国人也能做出很好的工作，去参与国际竞争，得到国际上的承认，为祖国争光。”

1987 年，王育竹利用一台进口激光器领导完成了一维驻波场的激光冷却原子的实验研究，从实验得到冷却Na原子气体的温度可达60 μK，证明激光冷却气体原子的温度极限不是多普勒冷却极限，而是可以得到更低的冷却温度，这是最早报道的低于多普勒冷却极限的实验之一。

1989年，在激光光谱和量子光学研究室的基础上，我国第一个量子光学开放研究实验室成立，并率先开展激光冷却气体原子研究。起初，实验动机只是为了提高原子钟的工作性能，却让王育竹率领原子光学研究组成功观察到铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚现象，使我国跻身前列成为国际上第十个证实爱因斯坦这一预言的国家。

这期间，在量子光学研究上，王育竹首次利用固体钕玻璃微球腔内的量子电动力学效应改变了钕玻璃的发光特性，观察到自发辐射的增强与抑制现象并产生了激光，这种效应可导致高的激光效率和新的激光谱线；研究原子相干效应产生的介质透明和激光发态粒子数囚禁。在原子光学研究方面，他首次将多普勒效应用于原子干涉仪，观察到原子波包的干涉现象，并制成多普勒原子干涉仪；参与国家重大项目“原子光学与时间基准的研究”。

1997年，王育竹当选为中国科学院院士，这一年，美籍华人朱棣文、法国科昂·塔努吉和美国威廉·菲利普斯三位科学家因在激光冷却气体原子研究方面做出突出贡献被授予诺贝尔物理学奖。

进入21世纪后，随着实验室激光冷却技术的发展，王育竹院士开始逐步推进小型化冷原子铷钟和空间冷原子钟的可行性研究。2007年，在王育竹院士的指导下，刘亮研究员领导的空间冷原子钟团队成立，并于2010年完成了空间冷原子钟原理样机的研制和地面科学试验论证。

2016年，中国第一台空间冷原子钟正样产品研制成功，而天宫二号载人航天飞行器上就搭载了空间冷原子钟，这也是国际上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟，被誉为导航卫星的“心脏”。

如今，历经科研的几番风雨，王育竹已过鲐背之年，一阵今昔之感也油然而生。“如果一个国家的基础研究一塌糊涂，那就什么也发展不上去。”提及国家未来的发展，2021年他曾在《我是科学人》诚恳真切地表达了当时自己的想法。

识微见远，是心系国之大者。

资料文献：

1.王育竹–搜狗百科

2.王育竹：关于中国诺贝尔奖的思考

http://casad.cas.cn/zt2022/ysksgs/201912/t20191206_4726688.html

3.《我是科学人》王育竹

https://www.bilibili.com/video/BV1Hq4y1g7tG/

4.在量子电子学和量子光学前沿领域工作的科学家——访王育竹研究员

https://www.doc88.com/p-2714908550394.html

5.超高精度空间冷原子钟

https://www.cmse.gov.cn/art/2016/9/15/art_1725_30986.html