像素锁定偏差

记者25日从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、陈宇翱、戴汉宁等组成的研究团队，成功研制了万秒稳定度和不确定度均优于5×10-18（相当于数十亿年的误差不超过一秒）锶原子光晶格钟。据公开发表的数据，该系统不仅是当前国内综合指标最好的光钟，也使得我国成为继美国之后第二个达到上述综合指标的国家。相关成果日前发表于国际计量领域重要学术期刊《计量学》。目前，最先进的光钟比国际上用于秒定义的微波喷泉钟的精度高出了两个数量级以上。正是基于量子精密测量技术的发展，第二十七届国际计量大会通过了“关于秒的未来重新定义”的决议，计划于2026年提出关于利用光钟重新定义国际单位制（SI）“秒”的具体路线，并将在2030年做出最终决定。为了推动基于光钟的新一代秒定义，要求至少3个不同实验室的光钟不确定度优于2×10-18，并通过光学链路或移动光钟实现优于5×10-18的频率比对精度。在前期工作的基础上，研究团队实现了锶原子（87Sr）的激光冷却，并将其束缚在长寿命的一维光晶格中，利用一束预先锁定到超稳腔的超稳激光来探寻锶原子钟态跃迁，并实现了光钟闭环运行。通过两套独立的锶原子光晶格钟进行了频率比对测量，得到单套光钟的稳定度在10000秒积分时间被达到了4×10-18，在47000秒达到了2.1×10-18。在此基础上，研究团队还对Sr 1光钟的系统频移因素开展了逐项评定，最终得到其系统不确定度为4.4×10-18，相当于72亿年仅偏差1秒。上述性能指标表明该光钟系统已部分满足“秒”重新定义的要求。该成果对未来实现远距离光钟比对、建立超高精度的光频标基准和全球性光钟网络奠定了重要的技术基础，对未来构建新一代全球时间基准乃至提供引力波探测、暗物质搜索的新方法等具有重要价值。

在老化测试标准中通常明确规定的测试条件，并允许正负范围内的波动偏差，比如在ISO 4892-2测试标准中，包含了以下测试条件辐照度：0.51 ± 0.02 W/(m2 nm)黑标温度：65±3℃在大量的测试过程中，经常有客户错误的理解这些正负范围内的波动偏差，每年我们都会收到客户的咨询，他们认为这描述的是试验箱内的均匀性。然而，事实上并非如此。有时，ISO 17025审核员会犯这个错误，并在实验室审核期间测量试验箱内条件的均匀性。这些误解大部分情况下是因为未能阅读有关标准的全文所造成的。本文将介绍几个标准，并讨论这些设定条件正负偏差的真正含义。Q-SUN氙灯耐候老化试验箱运行波动不等于均匀性少部分人将这些公差解释为老化试验箱的均匀性要求。这意味着暴露在测量区域内的所有点都在公差范围内。事实上在所有的耐候和腐蚀测试标准中，这些公差都不是均匀性的表征。这些公差的真正含义是，辐照度、温度或湿度控制系统，必须能够在设定点内保持稳定的条件。ASTM 将其定义为“运行波动”。运行波动，n-在实验室加速老化箱中，在传感器均衡点的正偏差和负偏差。通常情况下，测试参数由一个安装在老化试验箱中的传感器进行测量和控制。这些公差主要描述的是在加速老化测试和盐雾腐蚀测试过程中，设定点上的稳定性。以上述ISO 4892-2为例。一旦实验条件达到稳定状态，温度在任意时间内都不应该超过68℃或者下降到62℃以下。因此这些标准偏差不代表均匀性的要求，更不是指用户可把温度设定在62℃-68℃范围内。ASTM,ISO和OEM标准中关于偏差的描述在描述运行波动的要求这一点上，有些标准比其他标准做得更好。在大多数情况下，美国材料试验协会标准的语言更清晰，更容易理解。这主要是因为ASTM有一个专门的耐候老化技术委员会仔细考虑这些问题。在大多数主要的ASTM耐候老化测试标准中都可以找到运行波动的介绍。例如，ASTM G154包含一个题为“暴露条件下的运行波动”的表格。做了如下描述“稳定性控制以校准传感器读数的最大允许偏差为指标。”ASTM G151包含一个类似的表格，并在附件A3中有几个段落讨论了运行波动。G151还表示，在喷水过程中，运行波动要求不适用。在盐雾腐蚀测试标准中，也有相似的情况。ASTM B117有以下描述“温度-盐雾试验箱中的暴露区域应该保持在35±2℃(95±3°F)”。每个设定点及偏差，表示试验箱中设定条件的稳定性控制，不代表整个盐雾试验箱中条件的一致性。ISO 老化测试标准在这个问题上没有一致的描述，因为每个老化测试标准都是由不同的委员会编写的，但他们使用了不同的术语来描述运行波动。ISO 4892-2在注释中规定了以下内容：“辐照度、黑标设定温度的正负偏差是在设定条件下，有关参数允许波动范围，而不是指在设定范围内的任意温度。”换言之，65±3°C并不意味着您可以把温度设定在62°C和68°C之间。不幸的是，ISO 9227中没有详细解释正负偏差的含义，这有可能在下一次标准修订中有所改变。然而，尽管表述方式不同，ISO 16701和类似的Ford & Volvo 循环盐雾腐蚀测试中描述了这个问题。以下是ISO 16701中描述的试验箱的温度和湿度性能要求：“在35℃条件中，湿度从50%上升到95%，相对湿度偏差最大允许±4%，对应温度偏差要求为±0.8℃。在7到8小时的稳定条件中，应采用±2%的相对湿度偏差精度。对应温度的偏差要求为±0.4℃”在上述描述中，“瞬时最大偏差”与“操作波动”是相同的概念，有一个附加的要求不包含在其他标准中，即“精度”这个术语的使用，这个概念类似于运行波动。它指的是随着时间的推移，盐雾试验箱能够将温度和相对湿度控制在所需点上。在上述描述中，“±2%表示的是精度”。例如，如果相对湿度控制要求为50%，则试验期间相对湿度必须控制在48%和52%之间。那关于均匀性呢?既然我们已经讨论了设定点范围内的运行波动的，那关于均匀性呢?需要注意的是，在标准世界中仍然存在一些均匀性性要求。但这些数字是针对老化试验箱的性能而指定的，而不是针对要使用的特定设定值。例如，ASTM G151规定了要求的辐照度均匀性，但与特定试验条件无关。因此，当客户询问统一性时，重要的是询问他们在哪里阅读要求。如果它与一个设定点相关，它可能是一个运行波动要求，而不是一致性要求!

近期，中国科学院上海光机所空间激光信息传输与探测技术重点实验室研究团队联合张江实验室提出光反馈强度可调的自注入锁定窄线宽可调谐片上激光器，理论及实验研究了不同光反馈强度下激光器动态演变过程，表明优化光反馈强度可以有效提升自注入锁定的稳定性、优化噪声抑制效果、扩展锁定调谐范围。相关研究成果以“A Self-Injection Locked Laser Based on High-Q Micro-Ring Resonator with Adjustable Feedback”为题发表于Journal of Lightwave Technology。目前，硅基光电子芯片系统级集成迅速发展，在相干激光通信、相干探测激光雷达、精密计量传感、光计算等应用场景中扮演着重要角色，芯片系统级集成对前端低噪声激光光源的体积、重量、功耗同样提出了严格要求。高品质因子氮化硅微环谐振腔可提供积累的背向瑞利散射光反馈，将其与分布式反馈半导体激光器进行混合集成可获得高集成度的自注入锁定片上窄线宽光源。但由于反馈回激光器的背向瑞利散射强度与微环谐振腔波导加工工艺以及芯片间耦合封装损耗相关，通常强度较低且难以精确调控，自注入锁定片上激光器存在稳定性不高、调谐范围受限的问题。 　　研究团队提出一种基于高Q值微环谐振腔的光反馈强度可调片上自注入锁定窄线宽激光器(如图1所示)，通过引入由马赫曾德尔干涉仪和萨格纳克环形镜构成的反射率可调后腔镜，通过调节MZI两臂相位差调整反馈光强，在保证输出激光频率处于微环谐振腔谐振中心的同时，解决了微环谐振腔光反馈强度不可控的难题。反馈光强度经过优化的自注入锁定激光器具有更低的频率噪声和更大的锁定带宽，本征线宽压低至60 Hz,锁定调谐范围拓展到6.3 GHz(如图2、图3所示)。相关工作在FMCW激光雷达、高精度光纤传感等相干探测和精密计量领域具有重要的应用价值。图 1. 混合集成自注入锁定窄线宽激光器结构示意图、封装成品图 2. 不同光反馈强度下激光器频率噪声、线宽测试结果。(a)激光器频率噪声功率谱密度；(b) 激光器本征线宽、1ms 积分线宽图 3. 优化光反馈强度前后激光器调谐范围对比。(a) 后反射腔镜反射率为 0% 时调频结果；(c) 后反射腔镜反射率为 32% 时调频结果