在光波和微波之間搭起一座“橋”

　　——訪國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)獲得者、中國(guó)計(jì)量院電學(xué)與量子科學(xué)研究所副所長(zhǎng)方占軍

　　□ 中國(guó)質(zhì)量報(bào)記者 楊 蕾/文

　　那是一個(gè)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(biāo)語，把站在主席臺(tái)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(huì)堂召開的2009年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院電學(xué)與量子科學(xué)研究所副所長(zhǎng)方占軍臉上依然洋溢著燦爛的笑容。他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)完成的“飛秒激光光學(xué)頻率梳”項(xiàng)目榮獲2009年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，這也是中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院連續(xù)4年榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)。那天，方占軍作為項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人，應(yīng)邀參加了在北京舉行的獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)，并作為獲獎(jiǎng)代表上臺(tái)領(lǐng)獎(jiǎng)。

　　一個(gè)平均年齡只有30多歲的團(tuán)隊(duì)攻克重重難關(guān)，研制完成了我國(guó)第一臺(tái)飛秒光梳測(cè)量裝置，改寫了我國(guó)長(zhǎng)度基本單位“米”不能獨(dú)立自主實(shí)現(xiàn)量值溯源的歷史，填補(bǔ)了我國(guó)絕對(duì)光學(xué)頻率直接測(cè)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(tuán)隊(duì)卻用了整整4年的時(shí)間。

　　計(jì)量科技全新突破

　　米和秒是國(guó)際單位制7個(gè)基本單位中的兩個(gè)，它們分別是幾何量計(jì)量體系和時(shí)間頻率計(jì)量體系的基礎(chǔ)。1983年第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)將光速C定義為一個(gè)無誤差的常數(shù)，將米定義為光在真空中在1/299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)傳輸?shù)木嚯x。自此而始，通過測(cè)量激光輻射的絕對(duì)頻率來復(fù)現(xiàn)米定義成為國(guó)際上普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)方法。世界上大多數(shù)國(guó)家使用碘穩(wěn)頻633nm氦氖激光器作為國(guó)家激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)。米定義復(fù)現(xiàn)的核心工作就是測(cè)量碘穩(wěn)頻633nm氦氖激光器的絕對(duì)頻率。在以前的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，諧波頻率鏈?zhǔn)侵苯訙y(cè)量絕對(duì)光學(xué)頻率的唯一方法。“諧波頻率鏈成本高、裝置極其復(fù)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(cè)量一個(gè)目標(biāo)光學(xué)頻率。”方占軍說。光學(xué)頻率的絕對(duì)測(cè)量是一件十分艱巨的工作，世界上只有美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的計(jì)量院研制建成了諧波頻率鏈測(cè)量裝置。包括中國(guó)在內(nèi)，大多數(shù)不具有絕對(duì)光學(xué)頻率直接測(cè)量能力的國(guó)家，只能通過參加國(guó)際計(jì)量局組織的碘穩(wěn)頻633nm氦氖激光器的定期比對(duì)，實(shí)現(xiàn)本國(guó)激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)的量值溯源。

　　“由于我國(guó)沒有自己獨(dú)立的諧波頻率鏈測(cè)量裝置，長(zhǎng)度基本單位‘米’就不能獨(dú)立自主實(shí)現(xiàn)量值溯源，也就無法保證國(guó)家?guī)缀瘟坑?jì)量體系的獨(dú)立完整性。這不僅僅是科研技術(shù)落后的問題，而且還涉及國(guó)家的技術(shù)主權(quán)。所以，建設(shè)我國(guó)獨(dú)立的絕對(duì)光學(xué)頻率測(cè)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(jì)90年代出現(xiàn)了新的轉(zhuǎn)機(jī)。由德國(guó)科學(xué)家和美國(guó)科學(xué)家發(fā)明的飛秒光梳技術(shù)給光學(xué)頻率測(cè)量研究帶來了革命性的突破。飛秒光梳用一臺(tái)鎖模飛秒脈沖激光器建立了微波頻率和光學(xué)頻率之間的橋梁，是實(shí)現(xiàn)米定義復(fù)現(xiàn)、在幾何量計(jì)量體系和時(shí)間頻率計(jì)量體系中居重要地位的關(guān)鍵裝置。與之前的諧波頻率鏈裝置相比，飛秒光梳技術(shù)裝置極大地簡(jiǎn)化了光學(xué)頻率測(cè)量裝置，從占用一兩間實(shí)驗(yàn)室、需要使用十幾臺(tái)甚至幾十臺(tái)設(shè)備的復(fù)雜裝置簡(jiǎn)化為只有2平方米大小的裝置；飛秒光梳技術(shù)擴(kuò)大了光學(xué)頻率測(cè)量范圍，能夠測(cè)量從近紅外到可見光范圍內(nèi)的所有光學(xué)頻率；飛秒光梳技術(shù)還大幅提高了光學(xué)頻率測(cè)量準(zhǔn)確度，諧波頻率鏈的光學(xué)頻率測(cè)量準(zhǔn)確度一般為10-11到10-12，而使用飛秒光梳則可以達(dá)到10-14甚至更高。由于飛秒光梳技術(shù)給光學(xué)頻率測(cè)量帶來的突破，對(duì)飛秒光梳技術(shù)做出主要貢獻(xiàn)的兩位科學(xué)家共同獲得了2005年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

　　飛秒光梳技術(shù)的發(fā)明令全世界的計(jì)量人為之一振。但是，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)技術(shù)卻并不容易。

　　從零開始點(diǎn)滴積累

　　2001年，當(dāng)方占軍結(jié)束德國(guó)的學(xué)習(xí)回到中國(guó)時(shí)，國(guó)內(nèi)卻很少有人聽說過“飛秒光梳”這個(gè)名詞。“我也不例外，雖然聽說過‘飛秒光梳’這個(gè)概念，但具體如何實(shí)現(xiàn)卻一無所知。”方占軍回憶道。在仔細(xì)研究國(guó)際計(jì)量科技發(fā)展趨勢(shì)后，在資金極度缺乏的情況下，中國(guó)計(jì)量院敏銳地察覺到“飛秒光梳”在未來計(jì)量科研中的重要作用，決定將其列入10個(gè)“新王牌項(xiàng)目”之一，給予重點(diǎn)支持。“這是我們跟蹤國(guó)際計(jì)量科技前沿最快最緊的一個(gè)項(xiàng)目。”中國(guó)計(jì)量院科發(fā)部主任宋淑英說。

　　2002年，項(xiàng)目組正式開始工作。“項(xiàng)目組一共8個(gè)人，好幾個(gè)都是剛剛畢業(yè)的大學(xué)生，對(duì)“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(guó)買回一臺(tái)激光器，廠家安裝完畢后，項(xiàng)目組成員竟然不知道如何使用。“連在外國(guó)廠家看來是基本常識(shí)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(guó)學(xué)習(xí)、互相討論，弄明白了繼續(xù)做。項(xiàng)目組就是這樣邊學(xué)邊做，邊做邊學(xué)。

　　2002年項(xiàng)目開始時(shí)，王強(qiáng)還只是一名剛畢業(yè)的大學(xué)生。在項(xiàng)目組里，王強(qiáng)負(fù)責(zé)光學(xué)部分。“光纖擴(kuò)譜是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要將幾十納米寬的光譜通過很細(xì)的光纖后擴(kuò)展成幾百納米寬的光譜，難度很大。當(dāng)時(shí)，我每天的工作就是反復(fù)調(diào)試光鏡，不斷地調(diào)試。如果調(diào)試不到位，從光纖中出來的就是紅光；如果調(diào)試準(zhǔn)確度提高了，出來的就是綠光；如果調(diào)試到最佳狀態(tài)，出來的就應(yīng)當(dāng)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(qiáng)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(chǔ)上才有可能出現(xiàn)。我們這4年的工作其實(shí)很簡(jiǎn)單也很枯燥，就是每天一點(diǎn)一點(diǎn)地推進(jìn)，一點(diǎn)一點(diǎn)地積累。”回憶起4年的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，方占軍認(rèn)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(bǔ)空白

　　“一心一意搞研究”是項(xiàng)目組所有成員的座右銘，也是所有科研工作者的座右銘。項(xiàng)目組4年的辛苦付出終于有了結(jié)果。項(xiàng)目組運(yùn)用“飛秒光梳”的原理，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了直接溯源到銫原子微波頻率基準(zhǔn)的絕對(duì)光學(xué)頻率直接測(cè)量，改寫了我國(guó)長(zhǎng)度基本單位米不能獨(dú)立自主實(shí)現(xiàn)量值溯源的歷史，填補(bǔ)了我國(guó)絕對(duì)光學(xué)頻率直接測(cè)量能力的空白。2006年9月，在課題的鑒定會(huì)上，鑒定委員會(huì)專家一致認(rèn)為：課題組在引進(jìn)國(guó)外核心元器件的基礎(chǔ)上，在國(guó)內(nèi)建成了一臺(tái)先進(jìn)的飛秒激光光學(xué)頻率梳裝置，并實(shí)現(xiàn)了若干集成創(chuàng)新，主要包括：采用光子晶體光纖的伺服反饋控制技術(shù)，有效地延長(zhǎng)了“飛秒光梳”系統(tǒng)頻移的鎖定時(shí)間；提出并實(shí)現(xiàn)了適用于長(zhǎng)時(shí)間拍頻測(cè)量的不鎖定系統(tǒng)頻移的激光頻率測(cè)量方法等；另外，“飛秒光梳”裝置在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了以銫原子噴泉鐘為參考的碘穩(wěn)頻532nm固體和633nm氦氖激光頻率測(cè)量，測(cè)量結(jié)果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；同時(shí)，專家組認(rèn)為，該裝置為我國(guó)開始的另一項(xiàng)國(guó)際前沿攻關(guān)項(xiàng)目光鐘的研究和應(yīng)用奠定了必要的基礎(chǔ)，是保證光鐘有效應(yīng)用于實(shí)際時(shí)間頻率測(cè)量的主要技術(shù)手段之一。

　　“飛秒光梳”測(cè)量裝置的研制成功具有重要的社會(huì)意義。首先，將我國(guó)復(fù)現(xiàn)米定義使用的633nm He-Ne穩(wěn)頻激光器的頻率直接溯源到國(guó)家銫原子時(shí)間頻率基準(zhǔn)，從根本上解決了長(zhǎng)期以來我國(guó)的國(guó)家激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)碘穩(wěn)頻633nm氦氖必須通過參加國(guó)際比對(duì)才能實(shí)現(xiàn)量值溯源的問題，標(biāo)志著我國(guó)獨(dú)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(shí)現(xiàn)了可見光及近紅外波段所有光學(xué)頻率的直接精確測(cè)量，解決了在近紅外和可見光范圍內(nèi)需要同時(shí)建立和維護(hù)多臺(tái)穩(wěn)頻激光波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的難題，節(jié)省了人力物力。“飛秒光梳”的研制成功徹底解決了激光波長(zhǎng)的測(cè)量問題，為半導(dǎo)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(cè)量等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)；其三，“飛秒光梳”是連接微波頻率和光學(xué)頻率、以及不同光學(xué)頻率之間的橋梁，是光鐘研究和應(yīng)用的重要工具。“飛秒光梳”的研制成功，為國(guó)家973計(jì)劃和科技支撐計(jì)劃立項(xiàng)支持的激光冷卻中性原子或單離子存儲(chǔ)光鐘的研究及應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。裝置建成后3年來，通過監(jiān)測(cè)國(guó)家激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)碘穩(wěn)頻633nm氦氖激光器的絕對(duì)頻率，有效保證了全國(guó)幾何量量值溯源體系的量值統(tǒng)一準(zhǔn)確可靠，具有重要社會(huì)意義，已經(jīng)發(fā)揮并將持續(xù)發(fā)揮巨大的間接經(jīng)濟(jì)效益。

　　“4年來，我們不僅僅是完成了一個(gè)項(xiàng)目，拿了一個(gè)大獎(jiǎng)，更重要的是我們?cè)趪?guó)際計(jì)量科技的前沿領(lǐng)域發(fā)出了中國(guó)自己的聲音，而且還培養(yǎng)了一支高素質(zhì)的隊(duì)伍，為我們今后開展更負(fù)載更困難的光鐘研究準(zhǔn)備了條件，奠定了基礎(chǔ)。”方占軍意味深長(zhǎng)地說。

　　新的使命已經(jīng)下達(dá)，新的征途已經(jīng)開始，中國(guó)計(jì)量院的科研工作者們已經(jīng)啟程遠(yuǎn)航。