在光波和微波之間搭起一座“橋”

　　——訪國家科技進步二等獎獲得者、中國計量院電學與量子科學研究所副所長方占軍

　　□ 中國質量報記者 楊 蕾/文

　　那是一個令人永生難忘的日子。激昂的音樂，紅紅的地毯，紅紅的證書，紅紅的標語，把站在主席臺上方占軍的笑臉也印得紅紅的。

　　“能夠與胡錦濤主席、溫家寶總理握手，感覺太榮幸了！”回憶起今年1月11日在人民大會堂召開的2009年度國家科學技術獎勵大會，中國計量科學研究院電學與量子科學研究所副所長方占軍臉上依然洋溢著燦爛的笑容。他帶領的團隊完成的“飛秒激光光學頻率梳”項目榮獲2009年度國家科學技術進步二等獎，這也是中國計量科學研究院連續4年榮獲國家科學技術進步獎。那天，方占軍作為項目組負責人，應邀參加了在北京舉行的獎勵大會，并作為獲獎代表上臺領獎。

　　一個平均年齡只有30多歲的團隊攻克重重難關，研制完成了我國第一臺飛秒光梳測量裝置，改寫了我國長度基本單位“米”不能獨立自主實現量值溯源的歷史，填補了我國絕對光學頻率直接測量能力的空白。

　　“我們就是在光波和微波之間搭起了一座‘橋’。”方占軍說。為了搭建這座“橋”，方占軍和他的團隊卻用了整整4年的時間。

　　計量科技全新突破

　　米和秒是國際單位制7個基本單位中的兩個，它們分別是幾何量計量體系和時間頻率計量體系的基礎。1983年第17屆國際計量大會將光速C定義為一個無誤差的常數，將米定義為光在真空中在1/299792458秒的時間間隔內傳輸的距離。自此而始，通過測量激光輻射的絕對頻率來復現米定義成為國際上普遍采用的標準方法。世界上大多數國家使用碘穩頻633nm氦氖激光器作為國家激光波長基準。米定義復現的核心工作就是測量碘穩頻633nm氦氖激光器的絕對頻率。在以前的很長一段時間里，諧波頻率鏈是直接測量絕對光學頻率的唯一方法。“諧波頻率鏈成本高、裝置極其復雜，需要占用150平方米大的空間，而且一條頻率鏈通常只能測量一個目標光學頻率。”方占軍說。光學頻率的絕對測量是一件十分艱巨的工作，世界上只有美國、法國、德國等少數幾個發達國家的計量院研制建成了諧波頻率鏈測量裝置。包括中國在內，大多數不具有絕對光學頻率直接測量能力的國家，只能通過參加國際計量局組織的碘穩頻633nm氦氖激光器的定期比對，實現本國激光波長基準的量值溯源。

　　“由于我國沒有自己獨立的諧波頻率鏈測量裝置，長度基本單位‘米’就不能獨立自主實現量值溯源，也就無法保證國家幾何量計量體系的獨立完整性。這不僅僅是科研技術落后的問題，而且還涉及國家的技術主權。所以，建設我國獨立的絕對光學頻率測量能力就顯得異常重要而緊迫。”方占軍說。

　　這一情形在20世紀90年代出現了新的轉機。由德國科學家和美國科學家發明的飛秒光梳技術給光學頻率測量研究帶來了革命性的突破。飛秒光梳用一臺鎖模飛秒脈沖激光器建立了微波頻率和光學頻率之間的橋梁，是實現米定義復現、在幾何量計量體系和時間頻率計量體系中居重要地位的關鍵裝置。與之前的諧波頻率鏈裝置相比，飛秒光梳技術裝置極大地簡化了光學頻率測量裝置，從占用一兩間實驗室、需要使用十幾臺甚至幾十臺設備的復雜裝置簡化為只有2平方米大小的裝置；飛秒光梳技術擴大了光學頻率測量范圍，能夠測量從近紅外到可見光范圍內的所有光學頻率；飛秒光梳技術還大幅提高了光學頻率測量準確度，諧波頻率鏈的光學頻率測量準確度一般為10-11到10-12，而使用飛秒光梳則可以達到10-14甚至更高。由于飛秒光梳技術給光學頻率測量帶來的突破，對飛秒光梳技術做出主要貢獻的兩位科學家共同獲得了2005年的諾貝爾物理獎。

　　飛秒光梳技術的發明令全世界的計量人為之一振。但是，要實現這個技術卻并不容易。

　　從零開始點滴積累

　　2001年，當方占軍結束德國的學習回到中國時，國內卻很少有人聽說過“飛秒光梳”這個名詞。“我也不例外，雖然聽說過‘飛秒光梳’這個概念，但具體如何實現卻一無所知。”方占軍回憶道。在仔細研究國際計量科技發展趨勢后，在資金極度缺乏的情況下，中國計量院敏銳地察覺到“飛秒光梳”在未來計量科研中的重要作用，決定將其列入10個“新王牌項目”之一，給予重點支持。“這是我們跟蹤國際計量科技前沿最快最緊的一個項目。”中國計量院科發部主任宋淑英說。

　　2002年，項目組正式開始工作。“項目組一共8個人，好幾個都是剛剛畢業的大學生，對“飛秒光梳”都很陌生。我們就是在這種幾乎‘兩眼一抹黑’的情況下開始研究的。”方占軍說。

　　一切從零開始。從德國買回一臺激光器，廠家安裝完畢后，項目組成員竟然不知道如何使用。“連在外國廠家看來是基本常識的‘鎖模’操作我們都不懂，也是慢慢摸索才知道的。”方占軍說。不明白的就查資料、出國學習、互相討論，弄明白了繼續做。項目組就是這樣邊學邊做，邊做邊學。

　　2002年項目開始時，王強還只是一名剛畢業的大學生。在項目組里，王強負責光學部分。“光纖擴譜是一個關鍵環節。要將幾十納米寬的光譜通過很細的光纖后擴展成幾百納米寬的光譜，難度很大。當時，我每天的工作就是反復調試光鏡，不斷地調試。如果調試不到位，從光纖中出來的就是紅光；如果調試準確度提高了，出來的就是綠光；如果調試到最佳狀態，出來的就應當是一道美麗的彩虹。那些日子里，我天天盼著自己能見到綠光，見到彩虹，甚至在大街上看見綠燈亮了都覺得格外興奮和親切！”王強笑著說。

　　“科研不能靠靈感，所謂的靈感也必須是在一定的積累的基礎上才有可能出現。我們這4年的工作其實很簡單也很枯燥，就是每天一點一點地推進，一點一點地積累。”回憶起4年的點點滴滴，方占軍認為大家能夠靜下心來，排除一切雜念，一心一意搞研究就是留給他的最大印象。[page_break]
 

　　改寫歷史填補空白

　　“一心一意搞研究”是項目組所有成員的座右銘，也是所有科研工作者的座右銘。項目組4年的辛苦付出終于有了結果。項目組運用“飛秒光梳”的原理，在國內首次實現了直接溯源到銫原子微波頻率基準的絕對光學頻率直接測量，改寫了我國長度基本單位米不能獨立自主實現量值溯源的歷史，填補了我國絕對光學頻率直接測量能力的空白。2006年9月，在課題的鑒定會上，鑒定委員會專家一致認為：課題組在引進國外核心元器件的基礎上，在國內建成了一臺先進的飛秒激光光學頻率梳裝置，并實現了若干集成創新，主要包括：采用光子晶體光纖的伺服反饋控制技術，有效地延長了“飛秒光梳”系統頻移的鎖定時間；提出并實現了適用于長時間拍頻測量的不鎖定系統頻移的激光頻率測量方法等；另外，“飛秒光梳”裝置在國內首次實現了以銫原子噴泉鐘為參考的碘穩頻532nm固體和633nm氦氖激光頻率測量，測量結果達到國際先進水平；同時，專家組認為，該裝置為我國開始的另一項國際前沿攻關項目光鐘的研究和應用奠定了必要的基礎，是保證光鐘有效應用于實際時間頻率測量的主要技術手段之一。

　　“飛秒光梳”測量裝置的研制成功具有重要的社會意義。首先，將我國復現米定義使用的633nm He-Ne穩頻激光器的頻率直接溯源到國家銫原子時間頻率基準，從根本上解決了長期以來我國的國家激光波長基準碘穩頻633nm氦氖必須通過參加國際比對才能實現量值溯源的問題，標志著我國獨立完整的幾何量量值溯源體系的建立，具有特別重要的意義；其二，實現了可見光及近紅外波段所有光學頻率的直接精確測量，解決了在近紅外和可見光范圍內需要同時建立和維護多臺穩頻激光波長標準裝置的難題，節省了人力物力。“飛秒光梳”的研制成功徹底解決了激光波長的測量問題，為半導體激光器、固體激光器、光纖激光器等相干光源在幾何量干涉測量等領域中獲得廣泛應用提供了技術基礎；其三，“飛秒光梳”是連接微波頻率和光學頻率、以及不同光學頻率之間的橋梁，是光鐘研究和應用的重要工具。“飛秒光梳”的研制成功，為國家973計劃和科技支撐計劃立項支持的激光冷卻中性原子或單離子存儲光鐘的研究及應用奠定了技術基礎。裝置建成后3年來，通過監測國家激光波長基準碘穩頻633nm氦氖激光器的絕對頻率，有效保證了全國幾何量量值溯源體系的量值統一準確可靠，具有重要社會意義，已經發揮并將持續發揮巨大的間接經濟效益。

　　“4年來，我們不僅僅是完成了一個項目，拿了一個大獎，更重要的是我們在國際計量科技的前沿領域發出了中國自己的聲音，而且還培養了一支高素質的隊伍，為我們今后開展更負載更困難的光鐘研究準備了條件，奠定了基礎。”方占軍意味深長地說。

　　新的使命已經下達，新的征途已經開始，中國計量院的科研工作者們已經啟程遠航。