杜曉爽 胡毅飛 馮英強(qiáng) 楊 軍 何 巍 費(fèi) 豐 劉原棟 蔡 靜 林 敏 吳愛華 郝新友 諶 貝 劉 杰

（1.北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039；2.計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100039；3.中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東青島266555；4.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，山東濟(jì)南250031；5.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095；6.中國原子能科學(xué)研究院，北京102413；7.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051；8.國防科技工業(yè)顆粒度一級(jí)計(jì)量站，河南新鄉(xiāng)453019）

1 引 言

計(jì)量是國家質(zhì)量基礎(chǔ)的重要組成部分，產(chǎn)品質(zhì)量的提升離不開科學(xué)、精準(zhǔn)的計(jì)量。工業(yè)發(fā)達(dá)國家極為重視計(jì)量測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。分析國外先進(jìn)計(jì)量測(cè)試技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)與趨勢(shì)，可為我國計(jì)量技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

自2019年5月20日起，國際單位制（SI）發(fā)生重大變革，7 個(gè)基本單位全部由基本物理常數(shù)定義，從而以更高穩(wěn)定性、復(fù)現(xiàn)不受時(shí)空約束等優(yōu)勢(shì)，滿足人類在科學(xué)探索、技術(shù)發(fā)展等方面長遠(yuǎn)需求。國際單位制重新定義將導(dǎo)致“計(jì)量單位量子化”和“量值傳遞扁平化”，使全球測(cè)量體系發(fā)生重構(gòu)，形成扁平化的溯源體系，對(duì)國家治理體系和人們的傳統(tǒng)觀念帶來重大影響和挑戰(zhàn)。

基于量子效應(yīng)開展單電子隧道效應(yīng)電流、石墨烯芯片電阻等計(jì)量研究，新概念核子鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性有望超越現(xiàn)有原子鐘水平；碳納米溫度計(jì)趨于實(shí)用化，多層納米膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片研究取得新進(jìn)展；太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量、無線傳輸、通信質(zhì)量評(píng)價(jià)以及散射參數(shù)校準(zhǔn)等技術(shù)取得新突破；飛秒激光技術(shù)廣泛應(yīng)用于電場(chǎng)高精度時(shí)域測(cè)量、空間精密時(shí)頻傳遞等計(jì)量領(lǐng)域，飛秒激光窄脈沖噪聲特性計(jì)量技術(shù)得到發(fā)展；光鐘芯片化研究進(jìn)展迅速，芯片級(jí)計(jì)量技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域向熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等專業(yè)擴(kuò)展；石墨烯材料、紅外探測(cè)技術(shù)在物理分離和成分測(cè)試應(yīng)用方面取得進(jìn)展；復(fù)雜電磁環(huán)境模擬、多域融合、空間環(huán)境等計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究促進(jìn)綜合、現(xiàn)場(chǎng)、動(dòng)態(tài)、特殊環(huán)境計(jì)量測(cè)試準(zhǔn)確度的提升與測(cè)量效率的提高。

2 基于量子效應(yīng)的計(jì)量技術(shù)發(fā)展迅速

美國是最早將量子技術(shù)列為國防與安全研發(fā)計(jì)劃的國家。早在2002年，DARPA 就制定了《量子信息科學(xué)與技術(shù)規(guī)劃》，并于2004年發(fā)布2.0 版。2007年，DARPA 將量子技術(shù)作為核心技術(shù)基礎(chǔ)列入戰(zhàn)略規(guī)劃。2009年，美國國家科學(xué)與技術(shù)委員會(huì)（NSTC）發(fā)布出版了《量子信息科學(xué)的聯(lián)邦愿景》，建議聯(lián)邦政府加強(qiáng)對(duì)量子技術(shù)的控制和利用。為此，美國國家科學(xué)基金會(huì)專門建立了《量子信息科學(xué)跨學(xué)科研究計(jì)劃》。2016年7月，美國NSTC 發(fā)布《推進(jìn)量子信息科學(xué)發(fā)展:美國的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》報(bào)告，分析美國在該領(lǐng)域發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)措施、以及聯(lián)邦政府主要機(jī)構(gòu)在量子信息科技發(fā)展領(lǐng)域的投資重點(diǎn)。作為NSTC 報(bào)告的補(bǔ)充，之后美國能源部發(fā)布了《與基礎(chǔ)科學(xué)、量子信息科學(xué)和計(jì)算交匯的量子傳感器》報(bào)告。2018年6月，美國眾議院科學(xué)委員會(huì)高票通過《國家量子倡議法案》，計(jì)劃在10年內(nèi)撥給美國能源部、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所以及美國國家科學(xué)基金會(huì)12.75 億美元，全力推動(dòng)量子科學(xué)發(fā)展。

歐洲作為量子理論的發(fā)源地，高度重視量子技術(shù)對(duì)國家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面的影響。2005年，歐盟發(fā)布《歐洲研究與發(fā)展框架計(jì)劃》（第七框架計(jì)劃）并提出《歐洲量子科學(xué)技術(shù)》計(jì)劃和《歐洲量子信息處理與通信》計(jì)劃。2016年3月，歐盟發(fā)布《量子宣言》，旨在培育形成具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的量子工業(yè)，確保歐洲在未來全球產(chǎn)業(yè)藍(lán)圖中的領(lǐng)導(dǎo)地位。2018年，歐盟啟動(dòng)了斥資10 億歐元的量子技術(shù)旗艦計(jì)劃，聚焦量子通信、量子傳感器、量子模擬器和量子計(jì)算機(jī)4 個(gè)細(xì)分領(lǐng)域。

英國也高度重視量子科學(xué)的基礎(chǔ)研究工作。2015年，英國政府發(fā)布了《量子技術(shù)國家戰(zhàn)略》和《英國量子技術(shù)路線圖》，將量子技術(shù)發(fā)展提升至影響未來國家創(chuàng)新力和國際競(jìng)爭(zhēng)力的重要戰(zhàn)略地位。此外，日本、韓國、新加坡等科技強(qiáng)國均發(fā)布了自己的“量子科學(xué)發(fā)展計(jì)劃”，并將研究重點(diǎn)放在了量子通信、量子計(jì)算等領(lǐng)域。

量子計(jì)量技術(shù)是基于微觀粒子量子態(tài)的精密測(cè)量，完成被測(cè)物理量的變換和信息輸出，在測(cè)量精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面與傳統(tǒng)計(jì)量技術(shù)相比有明顯優(yōu)勢(shì)［1］。量子計(jì)量具有精度高、溯源性好、易實(shí)現(xiàn)芯片化等特點(diǎn)。隨著量子計(jì)量技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，直接嵌入到裝備中的“芯片化”量子傳感器已經(jīng)顯現(xiàn)了基本雛形，具有體積小、精度高、免標(biāo)定等特點(diǎn)的量子傳感器，可大幅提升整體裝備性能。

以量子技術(shù)和基本物理常數(shù)為基礎(chǔ)建立量子計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)，將大幅提高測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。量子技術(shù)不斷推動(dòng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，冷原子技術(shù)應(yīng)用從時(shí)頻延伸到加速度和真空測(cè)量等領(lǐng)域；新概念核子鐘將在準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性方面超越現(xiàn)有的原子鐘水平；單電子隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了電流單位自然基準(zhǔn)；石墨烯霍爾效應(yīng)芯片應(yīng)用于基標(biāo)準(zhǔn)成為國際熱點(diǎn)。

2.1 核子鐘研究獲得突破

為了更深入開展暗物質(zhì)探測(cè)、大地測(cè)量等基礎(chǔ)及應(yīng)用物理研究，科學(xué)家們提出了一種新型時(shí)鐘，即基于原子核的新型核子鐘。傳統(tǒng)原子鐘基于電子能級(jí)變換來準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間，而新型核子鐘基于229Th 原子核的新型核子鐘，利用原子核能量狀態(tài)的變換來準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間。相比于原子中的電子，原子核質(zhì)量大、體積?。s為原子體積十萬分之一），結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，幾乎不受外部因素的影響，遠(yuǎn)優(yōu)于電子結(jié)構(gòu)。根據(jù)預(yù)測(cè)，這種新型核子鐘的頻率準(zhǔn)確度可達(dá)到1.5E-19。日本岡山大學(xué)（Okayama University）Masuda 所在團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了229Th 的激發(fā)及同質(zhì)異能態(tài)229mTh 的產(chǎn)生［2］；德國科學(xué)家Seiferle 所在團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了同質(zhì)異能態(tài)229mTh 到基態(tài)躍遷能量的測(cè)量，突破了對(duì)同質(zhì)異能態(tài)的光學(xué)激發(fā)及測(cè)量研究，解決了同質(zhì)異能態(tài)狀態(tài)不明確難題［3］，為核子鐘的進(jìn)一步研發(fā)奠定基礎(chǔ)。新型核子鐘原理及實(shí)物如圖1 和圖2 所示。

圖1 新型核子鐘原理圖Fig.1 Principle of new nuclear clock

圖2 新型核子鐘實(shí)物圖Fig.2 Picture of new nuclear clock

2.2 汞離子微波頻標(biāo)搭載升空

2019年6月，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制的深空原子鐘（DSAC），即汞離子微波頻標(biāo)，利用SpaceX 的獵鷹重型火箭成功發(fā)射。此次發(fā)射主要目的是為驗(yàn)證汞離子微波頻標(biāo)的空間特性及確認(rèn)其對(duì)深空探測(cè)的有效性。美國國家航空航天局（NASA）將監(jiān)測(cè)它在離地球720km 高空環(huán)繞運(yùn)行的情況，以期徹底改變深空旅行。汞離子微波頻標(biāo)比GPS 星載原子鐘準(zhǔn)確度提高了50 倍，有望應(yīng)用于火星或者其他行星等遙遠(yuǎn)目的地的探測(cè)任務(wù)［4］。汞離子微波頻標(biāo)搭載實(shí)物如圖3 所示。

圖3 美國JPL 研制的汞離子微波頻標(biāo)搭載實(shí)物圖Fig.3 Picture of mercury ion microwave frequency standard（DSAC） by JPL

2.3 量子電流標(biāo)準(zhǔn)研究取得新進(jìn)展

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）開展了Si基單電子隧道效應(yīng)（SET）電流標(biāo)準(zhǔn)芯片的研究，目前處于試驗(yàn)階段； 歐洲國家計(jì)量機(jī)構(gòu)協(xié)會(huì)（EURAMET）啟動(dòng)了新型量子電流標(biāo)準(zhǔn)的研制項(xiàng)目（SIB07），成功研制了量子電流標(biāo)準(zhǔn)裝置，電流下限擴(kuò)展至100pA，標(biāo)準(zhǔn)不確定度A 類分量達(dá)到1E-7量級(jí)［5］。項(xiàng)目研制的單電子源示意如圖4 所示。

圖4 EURAMET 量子電流項(xiàng)目的單電子源示意圖Fig.4 Sketch diagram of single-electron by SIB07

2.4 碳化硅上的石墨烯芯片將應(yīng)用于量子化電阻標(biāo)準(zhǔn)

美國NIST 和英國國家物理研究室（NPL）等科研機(jī)構(gòu)基于石墨烯技術(shù)被新一代量子電阻標(biāo)準(zhǔn)被成功研制［6］，在碳化硅上制作石墨烯霍爾效應(yīng)芯片，放寬了工作溫度范圍，利用小型制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)無液氦低溫技術(shù)，解決了傳統(tǒng)材料被低溫和振動(dòng)指標(biāo)所限的問題。復(fù)現(xiàn)電阻不確定度達(dá)到2E-8（100Ω～1kΩ），同時(shí)降低了量子化電阻標(biāo)準(zhǔn)裝置的使用復(fù)雜度和限制條件。新一代量子電阻計(jì)量基準(zhǔn)及兩個(gè)位于碳化硅上的石墨烯芯片如圖5 和圖6 所示［7］。

圖5 新一代量子電阻計(jì)量基準(zhǔn)實(shí)物圖Fig.5 Picture of new resistance metrology main standard

圖6 制作在碳化硅上的石墨烯芯片實(shí)物圖Fig.6 Picture of Carbon Si graphene on-chip

圖6 中，上方是16 個(gè)小量子霍爾器件的陣列組合，下方只是一個(gè)器件。這些器件由無引線的芯片載體固定，可以安裝在電路板上，便于使用。

2.5 室溫下可預(yù)測(cè)量子效率探測(cè)器

德國物理研究院（PTB）聯(lián)合芬蘭、捷克和新西蘭研究人員研制出一種工作于室溫下的可預(yù)測(cè)量子效率探測(cè)器（RT-PQED），并經(jīng)過線性、溫度特性、入射角度、光譜、偏振依賴性和帶寬依賴性等方面的測(cè)試。在可見光范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)范圍覆蓋70μW/m2～40W/m2，噪聲等效功率優(yōu)于1E-10A/Hz1/2（@10℃）、相對(duì)擴(kuò)展不確定度0.01%。與當(dāng)前國際上廣泛使用的低溫輻射計(jì)為量值源頭的傳遞鏈相比，是一種成本更為低廉、操作簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)裝置。RT-PQED 結(jié)構(gòu)示意如圖7 所示［8］。

圖7 RT-PQED 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Sketch diagram of structure of RT-PQED

2.6 突破基于超導(dǎo)量子干涉儀的高分辨γ 譜測(cè)量技術(shù)

德國海德堡大學(xué)（Heidelberg University）、美國勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore）開發(fā)基于超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）的X 射線、γ 射線能譜測(cè)量裝置，突破mK 水平制冷、基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）制造的Au:Er 順磁材料合成的傳感器制備等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)約100keV 低能γ 射線的測(cè)量，能量分辨力優(yōu)于0.1%，較傳統(tǒng)高純鍺γ 譜儀提高近10 倍［9-13］?？捎糜诤瞬牧虾瞬?、中微子或暗物質(zhì)測(cè)量等前沿基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。高分辨γ 譜儀探測(cè)器探頭測(cè)量原理如圖8 所示。

3 芯片級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)研究成為熱點(diǎn)

隨著美歐等發(fā)達(dá)國家持續(xù)推進(jìn)新一輪工業(yè)革命，量子效應(yīng)結(jié)合微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的測(cè)量。芯片計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)為新一輪以信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能為特征的工業(yè)革命插上飛翔的“翅膀”。通過嵌入芯片級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，把最高測(cè)量準(zhǔn)確度直接賦予制造設(shè)備并保持長期穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品制造過程的準(zhǔn)確感知和最佳控制，有力支持流程再造、節(jié)能減排和質(zhì)量提升等。芯片級(jí)計(jì)量技術(shù)在頻率標(biāo)準(zhǔn)、膜厚標(biāo)準(zhǔn)等領(lǐng)域取得較大進(jìn)展。

圖8 高分辨γ 譜儀探測(cè)器的探頭測(cè)量原理圖Fig.8 Principle of high resolution probe for γ spectrometer detector

微納尺度計(jì)量技術(shù)在科學(xué)研究、精密測(cè)量、智能制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。微納尺度測(cè)量技術(shù)除納米顆粒尺寸、定位領(lǐng)域外，在多層納米膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片領(lǐng)域取得較大進(jìn)展。

3.1 光鐘芯片化研究進(jìn)展迅速

為提高原子鐘集成度，推進(jìn)光鐘和新型微波鐘的實(shí)用化水平，激光光路、原子氣室芯片化研究正在積極開展。由美國NIST 牽頭、多個(gè)科研機(jī)構(gòu)參與的原子鐘光子集成研究項(xiàng)目組，于2019年5月提出了一個(gè)光子集成的光鐘架構(gòu)，成功研制了778nm DBR 激光器、微加工銣泡及2 套微加工光梳，并做了初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（由DARPA Atomic clock with Enhanced Stability（ACES）項(xiàng)目支持）。該實(shí)驗(yàn)利用銣原子雙光子躍遷實(shí)現(xiàn)778nm 激光頻率的鎖定，通過光梳頻率轉(zhuǎn)換獲得22GHz 微波信號(hào)，1s 頻率穩(wěn)定度達(dá)到4.4E-12，10 000s 頻率穩(wěn)定度達(dá)到2E-13［14］。芯片式光學(xué)頻率梳原理及光子集成光鐘系統(tǒng)如圖9 和圖10 所示［15］。

圖9 芯片式光學(xué)頻率梳原理圖Fig.9 Principle of chip-scale optical frequency comb

圖10 光子集成光鐘系統(tǒng)圖Fig.10 Photonic integrated optical clock system

3.2 平面型芯片級(jí)超導(dǎo)光輻射探測(cè)器研制成功

美國NIST 利用碳納米管與硅微加工技術(shù)研制出一種平面型芯片級(jí)超導(dǎo)光輻射探測(cè)器，建立了結(jié)構(gòu)緊湊、易于使用的光輻射校準(zhǔn)系統(tǒng)，在單個(gè)探測(cè)器中實(shí)現(xiàn)了從紫外到太赫茲波段的輻射校準(zhǔn)，波長范圍覆蓋（406～1 625）nm，光功率相對(duì)擴(kuò)展不確定度達(dá)到0.012%@633nm。該新型平面型探測(cè)器可作為光功率標(biāo)準(zhǔn)，未來還將發(fā)展陣列型和面陣型超導(dǎo)探測(cè)器，用于光譜和成像應(yīng)用［16］，其實(shí)物如圖11所示。

圖11 平面型芯片級(jí)超導(dǎo)光輻射探測(cè)器Fig.11 Picture of planar chip-scale superconductive optical detector

3.3 應(yīng)用于光學(xué)傳感的寬調(diào)諧硅上集成激光器

芬蘭等國家相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種工作在2.35μm 波段的寬調(diào)諧硅上集成激光器，通過磷化銦（InP）基的二類量子阱外延結(jié)構(gòu)被鍵合到硅基光波導(dǎo)上來實(shí)現(xiàn)片上集成的半導(dǎo)體光放大器，激光器的工作波長可以通過調(diào)節(jié)兩個(gè)硅基微環(huán)濾波器的重合共振峰來控制，在連續(xù)波條件下具有超過30nm的可調(diào)諧波長范圍，而在脈沖條件下可以實(shí)現(xiàn)50nm的調(diào)諧范圍。該激光器基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)，可用于在不同的吸收峰探測(cè)CO 氣體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫非常吻合，這表明該激光器適合在較寬波長范圍內(nèi)進(jìn)行光學(xué)傳感探測(cè)，另外還實(shí)現(xiàn)了中紅外硅基光電子傳感器所需的其他元件，如硅上集成的光電探測(cè)器和光譜儀。在未來的研究中，將采用硅上集成的中紅外激光器進(jìn)行多種痕量氣體的同時(shí)探測(cè)。寬調(diào)諧硅上集成激光器原理如圖12 所示［17］。

圖12 寬調(diào)諧硅上集成激光器原理圖Fig.12 Principle of widely tunable integrated laser on Si

3.4 半導(dǎo)體多層納米膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片取得突破

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速更新發(fā)展及新型高性能材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)新型材料多層薄膜厚度的測(cè)量準(zhǔn)確度要求越來越高，而薄膜的厚度直接影響器件的性能指標(biāo)。美國NIST 開展了多層納米膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的研究工作，采用多層膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片對(duì)膜厚測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確性進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而保證工藝過程中多層薄膜厚度的準(zhǔn)確，標(biāo)準(zhǔn)樣片鉻層的標(biāo)稱厚度達(dá)到53nm，鎳層的標(biāo)稱厚度達(dá)到64nm，膜厚相對(duì)擴(kuò)展不確定度達(dá)到3.3%，可用于對(duì)膜厚測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)價(jià)。多層薄膜標(biāo)準(zhǔn)樣片截面如圖13 所示［18］。

圖13 多層薄膜標(biāo)準(zhǔn)樣片截面示意圖Fig.13 Sectional schematic diagram of multilayered thin film standard sample

4 太赫茲計(jì)量技術(shù)取得新進(jìn)展

太赫茲技術(shù)在通信、安檢、雷達(dá)、遙感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，隨著太赫茲傳輸、通信、芯片等技術(shù)的不斷成熟，相關(guān)評(píng)價(jià)、測(cè)量和校準(zhǔn)技術(shù)研究與應(yīng)用結(jié)合愈加緊密，太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量、太赫茲場(chǎng)時(shí)域測(cè)量、太赫茲無線傳輸、太赫茲通信質(zhì)量評(píng)價(jià)以及太赫茲散射參數(shù)校準(zhǔn)等技術(shù)取得新突破。

4.1 基于新原理的太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量方法不斷涌現(xiàn)

太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量系統(tǒng)是最為常用的太赫茲測(cè)量設(shè)備，常規(guī)實(shí)現(xiàn)方法有兩種:一是使用鎖模激光器與外部延時(shí)線，二是使用具有固定頻差的兩個(gè)鎖模激光器。德國弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)研究所（ITWM）提出了一種基于新原理的太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量方法，該方法采用單激光偏振控制光采樣技術(shù)（SLAPCOPS），利用偏振復(fù)用的單激光器產(chǎn)生不同重復(fù)頻率的脈沖序列，并結(jié)合常規(guī)的光纖耦合太赫茲裝置，實(shí)現(xiàn)頻譜寬度2.5THz、動(dòng)態(tài)范圍50dB 的時(shí)域光譜測(cè)量能力。該系統(tǒng)原理框圖如圖14 所示［19］。

圖14 基于SLAPCOPS 技術(shù)的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)框圖Fig.14 Block diagram of SLAPCOPS-based terahertz TDS system

4.2 基于電光取樣的太赫茲場(chǎng)時(shí)域測(cè)量技術(shù)日趨完善

德國康斯坦茨大學(xué)（University of Konstanz）研究人員提出了一種電場(chǎng)共軛變量的時(shí)域測(cè)量方法。通過偏振橢球的變化，實(shí)現(xiàn)了由探測(cè)光和太赫茲場(chǎng)的非線性混頻引起的偏振態(tài)測(cè)量，并利用空間分辨測(cè)量方法，深入分析了和頻與差頻過程對(duì)電光取樣信號(hào)的影響。該方法結(jié)合λ/4 和λ/2 波片可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)及其共軛變量的實(shí)時(shí)精密測(cè)量。電場(chǎng)時(shí)域波形與電場(chǎng)變化測(cè)量結(jié)果如圖15 所示［20］。

圖15 基于電光取樣的測(cè)量結(jié)果Fig.15 Measurement results based on electro-optic sampling

4.3 基于無線與光纖鏈路的太赫茲傳輸技術(shù)不斷發(fā)展

高速數(shù)據(jù)傳輸需求推動(dòng)太赫茲無線傳輸技術(shù)不斷快速發(fā)展。日本大阪大學(xué)（Osaka University）提出一種太赫茲無線傳輸鏈路，能夠直接與太赫茲光纖鏈路匹配，實(shí)現(xiàn)8Gbit/s 的零誤碼傳輸，并在載波頻率0.33THz 實(shí)現(xiàn)高清無壓縮4K 視頻傳輸。該技術(shù)將為下一代通信系統(tǒng)的研制提供借鑒，同時(shí)在遙感、生物醫(yī)學(xué)和安全等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。太赫茲無線與光線鏈路原理及基于該原理的4K 視頻傳輸系統(tǒng)如圖16 和圖17 所示［21］。

圖16 THz 無線與光纖鏈路原理圖Fig.16 Principle of terahertz communications with wireless and fiber links

圖17 基于太赫茲無線與光纖鏈路的4K 視頻傳輸系統(tǒng)圖Fig.17 4K video transmission system based on terahertz communications with wireless and fiber links

4.4 太赫茲通信質(zhì)量評(píng)價(jià)取得新進(jìn)展

捷克計(jì)量研究院（CMI）和德國PTB 對(duì)300GHz數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)的通信質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。常用方法是使用矢量信號(hào)分析儀對(duì)系統(tǒng)輸出調(diào)制信號(hào)的誤差矢量幅度（EVM）進(jìn)行測(cè)量，但受到儀器本身帶寬的限制，結(jié)合數(shù)字實(shí)時(shí)示波器和數(shù)學(xué)處理技術(shù)，使對(duì)通信信號(hào)的分析能力超過了當(dāng)前已有的矢量信號(hào)分析儀。該系統(tǒng)理論上傳輸帶寬可達(dá)10GHz，除了對(duì)BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，64QAM，256QAM 等不同調(diào)制方式和信號(hào)符號(hào)速率進(jìn)行評(píng)價(jià)之外，還對(duì)實(shí)時(shí)示波器測(cè)量得到的EVM 進(jìn)行了測(cè)量不確定度分析評(píng)定。300GHz 通信系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)如圖18 所示［22］。

圖18 300GHz 通信系統(tǒng)調(diào)制誤差測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig.18 Measurement setup for the measurement of modulation error parameters in the 300GHz transmission system

4.5 S 參數(shù)計(jì)量技術(shù)在太赫茲等研究發(fā)展方向不斷擴(kuò)展

國際上S 參數(shù)計(jì)量技術(shù)主要沿著太赫茲、片上、非線性等方向發(fā)展。在太赫茲方向，主要開展校準(zhǔn)方法和測(cè)量不確定度分析等研究，頻率達(dá)到1.1THz；在片上方向，主要開展在片校準(zhǔn)和在片負(fù)載牽引等技術(shù)研究，頻率達(dá)到500GHz；在非線性方向，主要開展應(yīng)用多諧波失真（PHD）模型、CM+模型提取非線性參數(shù)等技術(shù)研究，使放大器等非線性器件的測(cè)量建模更加精準(zhǔn)，為芯片設(shè)計(jì)制造行業(yè)提供計(jì)量保障。在片S 參數(shù)散射校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖19 所示［23］。

圖19 在片S 參數(shù)校準(zhǔn)系統(tǒng)圖Fig.19 Picture of on-chip S parameter calibration system

5 先進(jìn)材料分析技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬

先進(jìn)材料研制生產(chǎn)是先進(jìn)工業(yè)發(fā)展的重要基石之一，其測(cè)試分析對(duì)于高性能材料的研制生產(chǎn)質(zhì)量控制具有關(guān)鍵作用，發(fā)達(dá)國家高度重視對(duì)先進(jìn)材料測(cè)試分析方面的投入，石墨烯、頻率梳等研究已成為重點(diǎn)。近期國外科學(xué)家不斷挖掘石墨烯材料、紅外探測(cè)技術(shù)在其它非傳統(tǒng)領(lǐng)域中的應(yīng)用，在新材料物理分離和成分測(cè)試方面進(jìn)行了有益嘗試。

5.1 石墨烯用于離子物化特性測(cè)量

美國NIST 研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過特殊處理后的石墨烯，可以形成一種具有冠醚微孔的石墨烯篩，此石墨烯篩具有高度的離子選擇性和機(jī)械敏感性，可作為可調(diào)諧離子過濾器用于液體中的離子物化特性計(jì)量，未來還將應(yīng)用于納米級(jí)機(jī)械傳感器、納米級(jí)藥物遞送、前沿武器裝備微處理器等尖端應(yīng)用。其原理示意如圖20 所示［24］。

圖20 石墨烯用于離子計(jì)量原理示意圖Fig.20 Principle of ion metrology based on grapheneembedded

5.2 利用紅外頻率梳測(cè)量生物特征

美國NIST 研制了一種緊湊型頻率梳裝置，可以快速測(cè)量整個(gè)紅外光譜，以測(cè)量物質(zhì)的生物、化學(xué)和物理特性［25］。研究人員采用雙光梳采樣法，通過近紅外激光頻率梳快速采樣紅外電場(chǎng)來實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)，對(duì)單克隆抗體參考物質(zhì)（一種超過20 000 個(gè)原子組成的蛋白質(zhì)）進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量示意圖如圖21 所示［26］。

圖21 紅外與近紅外雙光梳光譜儀測(cè)量生物分子特征示意圖Fig.21 An MIR electric field induces a nonlinear polarization rotation（Infrared dual frequency comb electric field sampling）

5.3 成功研制寬分布單分散顆粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

美國Duke 科技公司采用聚苯乙烯與對(duì)苯二烯共聚的方法，在世界上首次成功研制了寬分布單分散顆粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其顆粒尺寸范圍（5 ～40）μm，顆粒尺寸分布CV 值5. 7% ～12%，擴(kuò)展不確定度（0.3 ～1.5）μm，可解決激光散射顆粒測(cè)量?jī)x器分辨力較差、誤差較大等問題，將用于校準(zhǔn)基于光散射、聲學(xué)成像、電荷位移等測(cè)量原理的顆粒度測(cè)量?jī)x器。Duke 2000 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)如圖22 所示［27］。

圖22 寬分布單分散顆粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)示意圖Fig.22 Particulate reference material of broad distribution monodisperse

5.4 光粒子陷阱技術(shù)可實(shí)時(shí)偵檢毒劑

美國國防威脅降低局（DTRA）開發(fā)了光粒子陷阱（OPT）技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）和美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（SNL）成功研制OPT 裝置，利用光輻射壓力和光波力在粒子穿過裝置時(shí)穩(wěn)定粒子，并對(duì)單束激光捕獲的空氣懸浮微?？焖俪上瘛Ｔ诓东@和測(cè)量過程中，反向散射隨著粒子的大小、形狀、表面粗糙度和運(yùn)動(dòng)方向而改變，彈性光散射對(duì)單個(gè)氣溶膠顆粒復(fù)雜折射率和表面粗糙度等特性敏感，顆粒尺寸下限達(dá)到（10 ～15）μm，目前仍在測(cè)試階段。在不同環(huán)境因素（如高濕度和大氣中的有機(jī)碳濃度）對(duì)特定類型氣溶膠粒子影響的分析研究也在進(jìn)行中。將應(yīng)用于空氣中快速捕獲和識(shí)別單種有毒粒子，特定類型氣溶膠的實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別［28］。光粒子陷阱技術(shù)示意圖如圖23 所示［29］。

6 結(jié)束語

圖23 光粒子陷阱技術(shù)示意圖Fig.23 Sketch diagram of optical particle trap

本文通過搜集、整理量子效應(yīng)計(jì)量、芯片級(jí)計(jì)量、太赫茲計(jì)量、先進(jìn)材料分析技術(shù)等方面國內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料，以目前高速發(fā)展的量子效應(yīng)及芯片級(jí)計(jì)量為側(cè)重點(diǎn)，歸納并分析了國外先進(jìn)計(jì)量技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)與趨勢(shì)，可為我國計(jì)量技術(shù)發(fā)展提供借鑒。