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在科研的天空探险
——访《测长方法创新及固体密度基准的建立》项目组负责人罗志勇
■文/本刊记者 施京京
人物简介
浩瀚苍穹，斗转星移。在人们思索已知和探求未知的过程中，科研工作者无疑担当了其中开拓者的角色，他们用勇气和智慧去挑战极限、寻找答案，怀着满腔热情浇灌出妍丽的创新之花。前不久，记者来到中国计量科学研究院，采访了获得2011年度国家科学技术进步奖二等奖的《测长方法创新及固体密度基准的建立》项目负责人罗志勇。“我们的研究目标，就是建立我国的新一代国家密度基准和实现测长技术实质性创新。”极温和平实的一句话，却是他和他的团队历经多年努力后达成的现实，并成为他们继续探索的新起点。谈着自己的研究课题，他的眼中充满热忱和光芒。
向极限发起挑战
在国际计量单位制(SI)的7个基本物理量中，长度的单位“米”、时间的单位“秒”、电流的单位“安培”等6个已由量子基准复现，目前只有质量的单位“千克”仍由实物基准标准——千克砝码原器来进行复现。而阿伏伽德罗常数（NA）不仅是定义质量基准最有前途的方法之一，还用于定义另一个基本量——物质量的单位“摩尔”，对于在原子、分子和量子水平上研究和解决计量基标准问题十分重要。单晶硅球密度测量是NA测量最重要的关键技术，同时也是固体密度基准的核心。在此之前，我国基于纯水的国家密度基准最高准确度仅可达到5×10-6，已不能适应科学研究和精密工业对密度测量的需要，因此，建立以绝对测量为基础、具有超高准确度的固体密度基准迫在眉睫。
罗志勇介绍说，20世纪70年代以来，以建立固体密度基准、测量阿伏伽德罗常数为目标的研究一直是国际计量领域的研究热点。2000年以后，由于频率调制技术的发展，各先进国家都进入“激光变频”时代，但每种方案都有其自身的局限性。2002年，我国启动了重大基础研究专项——固体密度基准研究。“项目的核心技术是实现对硅球直径亚纳米级准确度测量，这几乎是长度测量的极限，具有极高的技术难度，因此必须立足新的技术原理和方法，实现关键技术的实质突破。”为此，担任项目组负责人的罗志勇带着他的团队，满怀热情地对这一“极限”难题发起了挑战。
寻找新的答案
“方案决定着课题的成败，我们最开始有两种选择，一是按照国际上的现有方法，难度会小很多，第二种是寻求新的方案、技术原理和方法。我们选择了后者，因为这样才会有新的突破。”在罗志勇看来，科研过程本身就充满着“风险”，并不是每一次尝试都能有结果，但作为科研工作者，更要有挑战风险的勇气。
在国外多年的技术积累基础上，课题组经过两年多的调研并筛选了20多种方案，而为了确定新的方案，无数次讨论、实验、推翻、筛选一直贯穿其间。在课题组里不仅有热血青年，也有热心的老专家陈允昌，经验丰富、头脑灵活的他和大家一起集思广益，也会迅速地指出各种方案的优缺点。直到2004年，课题组提出“机械扫描”相移干涉法测长方法，当罗志勇将这一新方案的构思说给陈老师听时，他眼中一亮，再也没有提出任何反驳意见。
在反复的实验论证中，各种难点层出不穷，而这也促使罗志勇他们继续深掘和坚持下去。如罗志勇所说，在科研工作中，敢面对不确定的风险，就更要敢于投入，用踏实的行动和努力来增强把握。也许在旁人看来，这群人整天埋首实验室，工作十分枯燥，但在兴趣的世界里，他们其乐无穷。“人的精力和智力是有限的，如果分散出去，势必会影响到工作质量，只有绝对投入，研究才能有深度。”
一分耕耘，一分收获，各种难点和问题渐渐有了答案。他们利用弹性材料微小角变形及自身恢复的特点，巧妙消除了移动和恢复过程中的空程和摩擦，获得超高的位移分辨率，形成了结构紧凑、刚度极强的单体结构。基于超高Q因素的弹性铰链结构在单体石英装置上实现了3倍于国际上“激光变频法”的相移周期，大幅提高了测量准确度；他们不落窠臼，导出一种具备传统五幅算法优点，而几乎完全消除其缺点的“新五幅算法”，实现了相位解算准确度优于0.03nm的重大理论突破。通过引入“相移控制偏差”将传统算法理论在技术上难以实现的绝对步长控制转变成易于实现且准确度更高的步长测量，提出“迭代逼近”算法实现将双光束理论成果用于多光束相位解算，几乎完全消除了解算误差……
“机械扫描”相移干涉技术实现了一种具有独立知识产权的超高准确度测长方法，技术潜力高出国际现有“激光变频”方法近1个数量级，填补了国际该领域空白，突破了NA测量技术瓶颈;利用该项技术在国际上首次以“激光变频”之外的方法建立了硅球直径精密测量系统，首次在我国实现了对单晶硅球密度的绝对测量，建立了固体密度基准，准确度达2×10-7（k=2），处于国际先进水平前列。
在研究过程中，课题组还首次利用拓扑分析方法和“复值马尔科夫”随机场函数快速、有效地衰减了信号采集中的随机噪声，大幅提高了信号测量准确度；利用温度补偿效应和相位叠加效应，研制出温度稳定性优于国际同行的精密绝热控温系统；对于关键量氧化层厚度测量，首次提出了理论算法与光阑滤波相结合的技术方案，成功消除偏振混叠效应所导致的膜层厚度数学模型缺陷。此外，项目还实现了测量全变量仿真，以理论结果指导实验研究，在密度量传装置的负载切换技术、干涉系统的最佳可视化、环心定位技术和硅球位置的准确控制等方面均有新的设计思想和重要创新点。
研究成果发表后，得到国际同行的广泛认可。国际NA工作组主席Becker博士专程到访罗志勇的实验室，对项目的技术创新给予高度评价：“目前体积测量已成为阿伏伽德罗常数测量最主要的误差源，这套基于新颖技术路线的硅球直径测量干涉仪对于支撑以硅球方案定义千克的下一步工作框架是非常重要的。基于独具特色的技术原理，该项工作实现了硅球直径不确定度的高可靠性评估，是一项杰出的科学成就。”2010年，课题组加入国际NA工作组，参与国际阿伏伽德罗常数项目中单晶硅球直径测量研究。
迎接广阔前景
罗志勇介绍，利用项目的科研成果，建成了我国绝对密度测量系统包括硅球直径测量、密度量值传递和氧化硅层厚度测量3套大型装置。2010年，主体装置被批准为“固体密度基准”，将我国密度基准在（500～10000）kg/m3范围内的准确度，从5×10-6提高至2×10-7，结束了我国密度量值溯源长期依赖纯水密度的历史，测量能力跃居国际先进水平的前列。2010年，国家质检总局又批准建立“密度副基准”并颁发了我国新“密度量传系统表”，研究成果又直接促使我国密度量传体系的彻底变革。
同时，项目研究成果已在我国NA测量研究、国际合作研究、“压浮”测量研究及“可调谐激光移相干涉系统研制”等多项科学研究中得到实质性应用。特别是在NA测量研究中，“机械扫描”相移干涉技术已成为其支撑技术，并有进一步提高的潜力，为建立摩尔基准积累了核心技术。此外，精密加工、精密制造和装配等属于我国工业领域中较为薄弱的环节，研究成果中的亚纳米级测长准确度，高出长度基准2个数量级，特别适用于这些领域的小尺寸样件或工件的微小变形、材料或工件热胀系数的精确测量，对于提高我国特种工业领域国际竞争力，推动整体科技能力提升具有重要意义。
“在研究过程中，我们的各种尝试都陆续找到了答案，这使我感到欣慰，也鼓励我们继续尝试下去，开发更多的潜力。”罗志勇认真地说道，语气中有再次出发、继续探险的兴奋，更有面对广阔科研天空的沉稳。
《中国质量技术监督》2012年5月刊
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