光頻

公式：　

λν=c=299792458 (m/s)

頻率測量的不確定度已可達到比長度測量的不確定度小3～4個數量級。真空的不完全、衍射效應和光反射、透射鏡的不平度等也會給光的真空中波長的測量帶來附加的不確定度。因此，利用上式通過光頻測量來求得光在真空中的波長，比直接測量光在真空中的波長更為準確。1983年10月，第十七屆國際計量大會通過了米的新定義：“米是光在真空中在 1/299792458秒的時間間隔內的行程的長度”，並提出可以分別採用由甲烷（3.39微米）、碘（633 納米）、碘（612納米）、碘（576納米）、碘（515 納米）等幾條分子吸收譜線穩頻的激光波長來複現米。這樣，光頻測量就成為復現新的米定義的手段。此外，光頻測量還有助於在紅外光區和可見光區建立頻率標準。 ^[1] 

光的頻率比銫原子基準頻率高4個數量級左右，它們之間很難直接進行比較，因此光頻測量的一般方法是：採用由中介激光器(如甲醇激光器、二氧化碳激光器、色心激光器等)、內插鎖相微波源和非線性諧波混頻器（如肖特基二極管、約瑟夫遜結、金屬－氧化物－金屬二極管、非線性光學晶體等）組成的頻率鏈，將銫原子基準頻率逐級倍頻到紅外和可見光區，然後通過差頻計數的方法來求得光的頻率。 ^[2]  例如，對3.39微米甲烷吸收穩頻的氦氖激光器進行頻率測量時，其測量不確定度為3×10-11。已知f0、測出墹f1、墹f2和墹f3後，即可求得f3。

過去，由於在可見光區直接測頻的不確定度較大，有人採用外差方法把紅外激光的波長轉換到可見光區，然後用伺服激光干涉儀通過測波長比的方法來求出它的頻率。後來，又有人探索利用聚焦激光和圓軌道中電子的相互作用原理，把微波頻率一步倍頻到可見光區，以取代多級倍頻鏈。

光頻段或紅外頻段的頻率標準。早在20世紀30年代，人們就用石英晶體振盪器作為射頻段的頻率標準。40年代出現了原子（分子）頻標。這種頻標利用原子或分子的量子躍遷頻率作為基準，工作在微波頻段，頻率穩定度和準確度都大為提高(見量子頻率標準)。60年代，激光器問世後，人們把這種原理應用於紅外和可見光頻段，製成光頻標。光的頻率比微波頻率高几萬倍，因此，光頻標的相對穩定度和準確度都相應提高。

光頻標通常利用腔內飽和吸收技術。以工作在 633納米的碘穩定氦氖激光器為例。激光腔內放置一碘蒸汽吸收室。由於碘在 633納米附近有豐富的吸收譜線，根據飽和吸收原理，在激光輸出功率的調諧曲線上會出現許多窄共振峯。通過電子控制迴路，可以把激光頻率鎖定在某一共振峯的中心頻率上。控制元件是固定在腔反射鏡後的壓電晶體。當激光頻率偏離共振峯中心時便產生誤差信號，這一信號經處理後用於控制腔長，使頻率鎖定到峯的中心位置上。這樣製成的光頻標，頻率穩定度和復現性都在10量級。此後，又發展了腔外吸收穩頻技術，使光頻標的頻率穩定度和復現性進一步提高，可達10量級。 　由於光的頻率很高，過去難以直接測量，通常用干涉方法測量光頻標譜線的波長，並用波長的倍數作為長度基準。60年代末出現的光頻測量技術，能準確地直接測量光頻標的頻率。為此，必須建立一條從微波頻標（銫原子頻標）到光頻標的頻率測量鏈。鏈中包括一系列不同振盪頻率的激光器，如遠紅外激光器、CO2激光器、色心激光器和氦氖激光器等。利用倍頻、混頻和鎖相技術，把微波頻標的頻率與這些激光器的頻率互鎖起來，利用銫原子頻標測量光頻標的頻率。已有幾個國家建立了這條鏈，測量光頻的準確度已達10～10。

由於光波的頻率 f、波長 λ與真空中光速 c之間的關係為 fλ=c，既然光的頻率可以準確測量，在規定c值後就可導出準確的波長值來。1983年10月，第17屆國際計量大會通過了新的米的定義：“米是光在真空中在1/299792458秒的時間間隔內行程的長度。”同時，推薦了五條穩定激光譜線作為復現米的標準譜線（見表）。由於定義的開放性，以後還可補充其他新的譜線。同時，氪86、鎘114和汞198的光譜線波長標準值仍可使用，但精度為10量級。 　光頻標可作為光頻段的頻率或波長標準，對於各種精密的光學測量和計量具有重要意義，在其他精密測量中也得到廣泛應用。

圍繞光頻標的研製和應用，人們正在進行大量的研究工作：①研究輻射場與原子、分子的細緻的相互作用，如光子反衝效應、相對論效應等；②利用高穩定激光進行光速恆定性的研究，驗證相對論實驗和探測引力波;③研究某些原子、分子的超高分辨率光譜。

2022年4月，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院高克林研究團隊成功研製105億年偏差不到1秒的鈣離子光頻標，成為國際上第五種不確定度指標達到10^-18量級的光頻標。相關研究成果已發表於國際學術期刊《應用物理評論》。 ^[3] 

當前世界測量精度最高的物理量是光頻，最高精度已達10-18量級。其中原子光頻標是光頻精密測量的典型代表，是目前準確度最高的原子頻標。截至目前，國際上僅有鍶原子光頻標、鐿原子光頻標、鋁離子光頻標以及鐿離子光頻標等四種原子光頻標的不確定度達到了10-18量級。

精密測量院高克林研究團隊從2000年開展鈣離子光頻標的實驗研究，通過解決抑制離子運動效應、解決超窄線寬激光、實驗環境影響精確控制等一系列關鍵科學和技術問題，於2011年成功研製國內首台光頻標，不確定度為7.8×10-16， 2016年將光頻標的不確定度提升至5.1×10-17， 2019年將鈣離子光頻標的不確定度提升至1.3×10-17。經過科研攻關，研究團隊解決黑體輻射頻移、多普勒頻移、微運動效應、電四極頻移等影響鈣離子光頻標不確定度的關鍵物理問題與技術難題，最終在國際上首次實現了液氮低温鈣離子光頻標，不確定度達到3×10-18。

專家介紹，高精度光頻標有助於提高基本物理量的定義、基本物理定律檢驗等的精度，從而推進基礎物理研究，探索新物理；同時在時間基準、相對論大地測量、導航定位等方面具有廣泛的應用場景。