韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院（KRISS）成功開發(fā)出接近量子物理學(xué)理論極限的長度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在保持適合野外部署的緊湊堅(jiān)固設(shè)計(jì)同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了世界領(lǐng)先的測量精度，有望成為下一代長度計(jì)量的新基準(zhǔn)。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《激光與光子學(xué)評論》期刊。

當(dāng)前最精確的長度測量工具是定義"一米"單位的國家長度基準(zhǔn)。包括KRISS在內(nèi)的各國頂級計(jì)量機(jī)構(gòu)使用基于單波長激光的干涉儀進(jìn)行超精密測量。單波長激光具有極均勻的波分布（如同刻度均勻的尺子），可實(shí)現(xiàn)納米級（1~10納米，即十億分之一米）測量精度。

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基于光頻梳干涉測量的絕對距離測量系統(tǒng)示意圖

但這類基準(zhǔn)裝置存在測量范圍局限：由于單波長激光光譜帶寬極窄（相當(dāng)于刻度精細(xì)但尺身短小），超出激光波長范圍的距離需通過多次重復(fù)測量拼接，導(dǎo)致總測量時(shí)間大幅增加，且依賴精密機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定移動(dòng)干涉儀，存在顯著的時(shí)間與空間約束。

相比之下，絕對距離測量系統(tǒng)雖精度較低，卻能單次完成長距離測量。這類系統(tǒng)通過測量光脈沖從參考點(diǎn)到目標(biāo)的往返時(shí)間計(jì)算距離，結(jié)構(gòu)簡單可小型化，適用于快速遠(yuǎn)程測量，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但受限于現(xiàn)有技術(shù)，傳統(tǒng)絕對距離測量系統(tǒng)精度僅達(dá)微米級——要實(shí)現(xiàn)超精細(xì)的光飛行時(shí)間（ToF）分辨率仍具挑戰(zhàn)性。

KRISS長度維度計(jì)量研究組通過采用光頻梳（OFC）干涉儀，成功將絕對距離測量精度提升至國家長度基準(zhǔn)水平。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將光頻梳集成至光譜干涉絕對距離測量系統(tǒng)中。光頻梳是由數(shù)千條離散等距譜線組成的光譜（類似鋼琴琴鍵排列），兼具寬光譜帶寬與精確波長間距，能同步實(shí)現(xiàn)長距離高精度測量。

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基于光頻梳的絕對距離測量系統(tǒng)的測量原理

這項(xiàng)基于光頻梳光譜干涉的絕對距離測量系統(tǒng)，既具備國家長度基準(zhǔn)的精度，又保留了絕對測量系統(tǒng)的便捷性。其測量精度達(dá)0.34納米，逼近量子物理學(xué)定義的量子極限精度，是目前全球最精確的技術(shù)之一。系統(tǒng)以25微秒的測量速度高速穩(wěn)定運(yùn)行，適合野外部署，將為高科技產(chǎn)業(yè)精密計(jì)量帶來重大突破。

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研究人員正在檢查電光調(diào)制光頻率梳激光器

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過評估測量不確定度和優(yōu)化性能，推動(dòng)該系統(tǒng)成為下一代國家長度基準(zhǔn)。KRISS資深研究員Jang Yoon-Soo博士強(qiáng)調(diào)："AI半導(dǎo)體、量子技術(shù)等未來產(chǎn)業(yè)的競爭力取決于納米級距離的精確測控。這一成果標(biāo)志著韓國在建立下一代長度標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。"

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1002/lpor.202401995