访“飞秒激光光学频率梳”项目负责人方占军

——访“飞秒激光光学频率梳”项目负责人方占军

   方占军，1965年生，清华大学无线电电子学系硕士，德国哈雷-维滕贝格大学物理系博士，卡尔斯鲁厄大学材料工程学院博士后，现为中国计量科学研究院电学与量子所副所长，研究员。2002年1月至2006年9月，他作为负责人率课题组完成了科技部科技基础性工作专项资金项目“飞秒激光光学频率梳研究”，在国内第一次实现了以铯原子喷泉钟微波频标为参考的激光频率的绝对测量。该项目获得2009年度国家科技进步二等奖。

   2010年1月11日，人民大会堂里掌声雷动，2009年度国家科学技术奖励大会正在这里举行。科研工作者们的辛勤耕耘和汗水结成了一枚枚闪光的果实，这种闪光是不懈的努力，是对科学的热情，是对挑战的勇气，也是对信念的坚持。会上，中国计量科学研究院“飞秒激光光学频率梳”项目荣获国家科技进步二等奖。此时的台下，课题组负责人方占军心里感到了兴奋和鼓舞，但他也明白，前面还有很长的路要走。

   “飞秒激光光学频率梳”项目是由方占军等研究人员从2002年到2006年历时四年研制完成的我国第一台飞秒光梳测量装置，研究成果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，彻底改变国家长度基准必须依赖国际比对实现量值溯源的现状，实现了光频和微波的高精度直接链接和不同光学频率标准之间的高精度链接，在健康诊断、环境监测等领域有重要应用前景。

   在科技的征途中，要想坚持并一路开拓下去，不仅需要充沛的能量与坚强的毅力，更需要不断探索的热情。在接受访问时，方占军话语平静，思路敏捷而清晰，谈到专业用语时，声音就会不由自主兴奋起来，他感叹地说了句：“一个研究人员如果对自己的课题没有兴趣和热情，是不可能坚持那么久的，因为很多时候我们需要三年、五年甚至上十年的时间去磨，这是一个不断发现和解决问题，一步一步向前进的过程，我们终于做到了，做懂了。”

   新技术旋风

   从20世纪70年代开始，国际上优秀的科学家们用了20多年的宝贵时间研究出了将光频和微波链接起来的方法——谐波频率链，直至20世纪90年代中，谐波频率链是直接测量绝对光学频率的唯一方法，但谐波频率链成本高、装置极其复杂，庞大的系统能占据近150平方米的空间，而且一条频率链通常只能测量一个目标光学频率。当时，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装置。我国从20世纪80年代初也开始投入这项研究，但难度非常大，与其他不具有绝对光学频率测量能力的国家一样，我国的国家激光波长基准碘稳频633nm氦氖激光器只能通过参加国际计量局组织的比对，才能实现量值溯源。

   1983年，第17届国际计量大会将米定义为光在真空中在1/299792458秒时间间隔内传输的距离，并将真空光速C定义为无误差普适常数。自此而始，以微波频率基准为参考测量激光辐射的绝对频率，通过公式=C/f换算出波长，成为国际上复现米定义的标准方法。绝对光学频率的精密测量技术在物理、天文、测地等基础科学研究中有重要应用，是下一代时间频率基准光钟实现与微波频段链接的唯一方法。绝对光学频率测量能力的建设也关系到国家几何量量值溯源体系的独立完整，涉及国家技术主权。

   1999年，飞秒光梳技术的发明给光学频率测量研究带来了革命性的突破，获得了2005年诺贝尔物理奖。飞秒光梳使用一台锁模飞秒激光器建立了微波频率和光学频率，以及不同光学频段之间的相关链接，极大地简化了测量装置，扩大了测量范围，大幅提高了测量准确度。原来需要150平方米的装置缩小到2.25平方米。

   新技术的旋风迅速在世界上扩展开来，这项技术有着很大的实际应用价值，在化学分析，生命科学、长度计量等各种方面有非常广阔的前景。而最重要的是，如果我国掌握这项技术，建立起自己的装置，就再也不需要把激光器送到巴黎的国际计量局和别国的激光器进行比对，依赖国际比对来实现量值溯源。“这个任务是我们一定要做的。”这是在开始投入这个项目时，方占军和他的课题组成员的心声。

   彩虹出现了

   在德国留学时，方占军就完成了核磁共振VACSY实验系统的建立、理论分析、VACSY谱图计算机模拟、实验测量并分析了液晶高分子材料的分子排向特性。采用MagicEchoSPI核磁共振成像技术对固体高分子材料的三维空间微结构进行了实验研究。但在开始负责课题组后，他感觉自己进入了一个全新的领域。“飞秒光梳技术出来以后，我们最开始听着也不明白，因为这是计量科学里很特殊的分支，我们整个组没有人用过或了解过飞秒脉冲激光器的原理，忽然要做，难度可想而知，这也是整个装置的核心，我们要去理解它，操作它，优化它，还要把以前的各种知识与之结合起来。”

   很快，方占军和他的组员通过积极的学习摸清了门路，在不断地调试中思考着更适合实际情况，更为优化的方法。为了让光路不受环境影响，他们专门建了个洁净室来保持状态的稳定。为了让锁模激光器“听话”，他们拿出弯曲的棍子敲它，给它一个震动和干扰，让其进入需要的状态。但这时又出现了新的问题：敲完之后锁没有锁上？“培训的时候，外国专家看来很简单的问题，对于我们来说可能会很复杂，几乎每天都会有各种问题出现，这是一个漫长的过程，天天都会想着怎么去解决。在国外上学的时候，有问题可以找导师，但在这里需要我们一步步探索，而不是靠一次偶然或者灵机一动。”

   在整个装置中，有一条特殊的光纤，把光纤架好后，当激光器的光打到光纤里，让原本很窄的脉冲出现特别宽的光谱，形成七色“彩虹”，才能进行后面的操作，这也是整个技术中关键的一步。“虽然在现在看起来这个步骤挺简单，但当时我们做了半年的时间。”方占军回忆说，他们在不断的调试时，映照的纸上不断呈现着各种颜色，“到400纳米是蓝色，到530纳米是绿色，到800纳米还是不太鲜艳的红色，我们现在呈现的光谱是短波长550纳米，长波长1100纳米，当2004年5月那条彩虹忽然出现时，我们大家都盯着看了很久，高兴得不得了！”说到这里，他不禁豪爽地笑了起来。

   “彩虹”的出现无疑给整个项目带来了成功的曙光，2006年，项目通过鉴定，不仅在国内首次实现了溯源到铯原子微波频率基准的绝对光学频率直接测量，还首次标定了国家激光波长基准碘稳频633nm氦氖激光器和532nmNd:YAG（掺钕元素的钇铝石榴石）激光器的绝对频率。该装置的测量不确定度为，达到了世界先进水平。飞秒光梳装置建成三年来，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。

   再踏征途

   “飞秒激光光学频率梳”的研究成果标志着我国独立完整的激光波长量值溯源体系的建成，也为光钟的研究和应用奠定了必要的基础。从2005年开始，方占军和他的课题组已经投入到意义重大的光钟项目中，在“飞秒激光光学频率梳”装置完成后，仍然在进行不断地调试和改进。“通过飞秒激光光学频率梳的研究，我们自己掌握了技术，建立了装置，也培养了新人，增加了经验，如果让我们接着做其他研究，我们会更有信心，也会更快。”

   积极探索，分秒必争，对于科研工作者来说，他们一直行走在路上。