在光波和微波之间搭起一座“桥”

　　——访国家科技进步二等奖获得者、中国计量院电学与量子科学研究所副所长方占军

　　□ 中国质量报记者 杨 蕾/文

　　那是一个令人永生难忘的日子。激昂的音乐，红红的地毯，红红的证书，红红的标语，把站在主席台上方占军的笑脸也印得红红的。

　　“能够与胡锦涛主席、温家宝总理握手，感觉太荣幸了！”回忆起今年1月11日在人民大会堂召开的2009年度国家科学技术奖励大会，中国计量科学研究院电学与量子科学研究所副所长方占军脸上依然洋溢着灿烂的笑容。他带领的团队完成的“飞秒激光光学频率梳”项目荣获2009年度国家科学技术进步二等奖，这也是中国计量科学研究院连续4年荣获国家科学技术进步奖。那天，方占军作为项目组负责人，应邀参加了在北京举行的奖励大会，并作为获奖代表上台领奖。

　　一个平均年龄只有30多岁的团队攻克重重难关，研制完成了我国第一台飞秒光梳测量装置，改写了我国长度基本单位“米”不能独立自主实现量值溯源的历史，填补了我国绝对光学频率直接测量能力的空白。

　　“我们就是在光波和微波之间搭起了一座‘桥’。”方占军说。为了搭建这座“桥”，方占军和他的团队却用了整整4年的时间。

　　计量科技全新突破

　　米和秒是国际单位制7个基本单位中的两个，它们分别是几何量计量体系和时间频率计量体系的基础。1983年第17届国际计量大会将光速C定义为一个无误差的常数，将米定义为光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内传输的距离。自此而始，通过测量激光辐射的绝对频率来复现米定义成为国际上普遍采用的标准方法。世界上大多数国家使用碘稳频633nm氦氖激光器作为国家激光波长基准。米定义复现的核心工作就是测量碘稳频633nm氦氖激光器的绝对频率。在以前的很长一段时间里，谐波频率链是直接测量绝对光学频率的唯一方法。“谐波频率链成本高、装置极其复杂，需要占用150平方米大的空间，而且一条频率链通常只能测量一个目标光学频率。”方占军说。光学频率的绝对测量是一件十分艰巨的工作，世界上只有美国、法国、德国等少数几个发达国家的计量院研制建成了谐波频率链测量装置。包括中国在内，大多数不具有绝对光学频率直接测量能力的国家，只能通过参加国际计量局组织的碘稳频633nm氦氖激光器的定期比对，实现本国激光波长基准的量值溯源。

　　“由于我国没有自己独立的谐波频率链测量装置，长度基本单位‘米’就不能独立自主实现量值溯源，也就无法保证国家几何量计量体系的独立完整性。这不仅仅是科研技术落后的问题，而且还涉及国家的技术主权。所以，建设我国独立的绝对光学频率测量能力就显得异常重要而紧迫。”方占军说。

　　这一情形在20世纪90年代出现了新的转机。由德国科学家和美国科学家发明的飞秒光梳技术给光学频率测量研究带来了革命性的突破。飞秒光梳用一台锁模飞秒脉冲激光器建立了微波频率和光学频率之间的桥梁，是实现米定义复现、在几何量计量体系和时间频率计量体系中居重要地位的关键装置。与之前的谐波频率链装置相比，飞秒光梳技术装置极大地简化了光学频率测量装置，从占用一两间实验室、需要使用十几台甚至几十台设备的复杂装置简化为只有2平方米大小的装置；飞秒光梳技术扩大了光学频率测量范围，能够测量从近红外到可见光范围内的所有光学频率；飞秒光梳技术还大幅提高了光学频率测量准确度，谐波频率链的光学频率测量准确度一般为10-11到10-12，而使用飞秒光梳则可以达到10-14甚至更高。由于飞秒光梳技术给光学频率测量带来的突破，对飞秒光梳技术做出主要贡献的两位科学家共同获得了2005年的诺贝尔物理奖。

　　飞秒光梳技术的发明令全世界的计量人为之一振。但是，要实现这个技术却并不容易。

　　从零开始点滴积累

　　2001年，当方占军结束德国的学习回到中国时，国内却很少有人听说过“飞秒光梳”这个名词。“我也不例外，虽然听说过‘飞秒光梳’这个概念，但具体如何实现却一无所知。”方占军回忆道。在仔细研究国际计量科技发展趋势后，在资金极度缺乏的情况下，中国计量院敏锐地察觉到“飞秒光梳”在未来计量科研中的重要作用，决定将其列入10个“新王牌项目”之一，给予重点支持。“这是我们跟踪国际计量科技前沿最快最紧的一个项目。”中国计量院科发部主任宋淑英说。

　　2002年，项目组正式开始工作。“项目组一共8个人，好几个都是刚刚毕业的大学生，对“飞秒光梳”都很陌生。我们就是在这种几乎‘两眼一抹黑’的情况下开始研究的。”方占军说。

　　一切从零开始。从德国买回一台激光器，厂家安装完毕后，项目组成员竟然不知道如何使用。“连在外国厂家看来是基本常识的‘锁模’操作我们都不懂，也是慢慢摸索才知道的。”方占军说。不明白的就查资料、出国学习、互相讨论，弄明白了继续做。项目组就是这样边学边做，边做边学。

　　2002年项目开始时，王强还只是一名刚毕业的大学生。在项目组里，王强负责光学部分。“光纤扩谱是一个关键环节。要将几十纳米宽的光谱通过很细的光纤后扩展成几百纳米宽的光谱，难度很大。当时，我每天的工作就是反复调试光镜，不断地调试。如果调试不到位，从光纤中出来的就是红光；如果调试准确度提高了，出来的就是绿光；如果调试到最佳状态，出来的就应当是一道美丽的彩虹。那些日子里，我天天盼着自己能见到绿光，见到彩虹，甚至在大街上看见绿灯亮了都觉得格外兴奋和亲切！”王强笑着说。

　　“科研不能靠灵感，所谓的灵感也必须是在一定的积累的基础上才有可能出现。我们这4年的工作其实很简单也很枯燥，就是每天一点一点地推进，一点一点地积累。”回忆起4年的点点滴滴，方占军认为大家能够静下心来，排除一切杂念，一心一意搞研究就是留给他的最大印象。[page_break]
 

　　改写历史填补空白

　　“一心一意搞研究”是项目组所有成员的座右铭，也是所有科研工作者的座右铭。项目组4年的辛苦付出终于有了结果。项目组运用“飞秒光梳”的原理，在国内首次实现了直接溯源到铯原子微波频率基准的绝对光学频率直接测量，改写了我国长度基本单位米不能独立自主实现量值溯源的历史，填补了我国绝对光学频率直接测量能力的空白。2006年9月，在课题的鉴定会上，鉴定委员会专家一致认为：课题组在引进国外核心元器件的基础上，在国内建成了一台先进的飞秒激光光学频率梳装置，并实现了若干集成创新，主要包括：采用光子晶体光纤的伺服反馈控制技术，有效地延长了“飞秒光梳”系统频移的锁定时间；提出并实现了适用于长时间拍频测量的不锁定系统频移的激光频率测量方法等；另外，“飞秒光梳”装置在国内首次实现了以铯原子喷泉钟为参考的碘稳频532nm固体和633nm氦氖激光频率测量，测量结果达到国际先进水平；同时，专家组认为，该装置为我国开始的另一项国际前沿攻关项目光钟的研究和应用奠定了必要的基础，是保证光钟有效应用于实际时间频率测量的主要技术手段之一。

　　“飞秒光梳”测量装置的研制成功具有重要的社会意义。首先，将我国复现米定义使用的633nm He-Ne稳频激光器的频率直接溯源到国家铯原子时间频率基准，从根本上解决了长期以来我国的国家激光波长基准碘稳频633nm氦氖必须通过参加国际比对才能实现量值溯源的问题，标志着我国独立完整的几何量量值溯源体系的建立，具有特别重要的意义；其二，实现了可见光及近红外波段所有光学频率的直接精确测量，解决了在近红外和可见光范围内需要同时建立和维护多台稳频激光波长标准装置的难题，节省了人力物力。“飞秒光梳”的研制成功彻底解决了激光波长的测量问题，为半导体激光器、固体激光器、光纤激光器等相干光源在几何量干涉测量等领域中获得广泛应用提供了技术基础；其三，“飞秒光梳”是连接微波频率和光学频率、以及不同光学频率之间的桥梁，是光钟研究和应用的重要工具。“飞秒光梳”的研制成功，为国家973计划和科技支撑计划立项支持的激光冷却中性原子或单离子存储光钟的研究及应用奠定了技术基础。装置建成后3年来，通过监测国家激光波长基准碘稳频633nm氦氖激光器的绝对频率，有效保证了全国几何量量值溯源体系的量值统一准确可靠，具有重要社会意义，已经发挥并将持续发挥巨大的间接经济效益。

　　“4年来，我们不仅仅是完成了一个项目，拿了一个大奖，更重要的是我们在国际计量科技的前沿领域发出了中国自己的声音，而且还培养了一支高素质的队伍，为我们今后开展更负载更困难的光钟研究准备了条件，奠定了基础。”方占军意味深长地说。

　　新的使命已经下达，新的征途已经开始，中国计量院的科研工作者们已经启程远航。