GBT 43736-2024 精密光频测量中光学频率梳性能参数测试方法标准立项发展报告

精密光频测量中光学频率梳性能参数测试方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:TestMethodsforPerformanceParametersofOpticalFrequencyCombsinPrecisionOpticalFrequencyMeasurement摘要关键词：光学频率梳；精密光频测量；性能参数测试；国家标准；光电子学；计量标准Keywords:OpticalFrequencyComb;PrecisionOpticalFrequencyMeasurement;PerformanceParameterTesting;NationalStandard;Optoelectronics;MetrologyStandard一、引言1.1研究背景光学频率梳（OpticalFrequencyComb）是一种在频域上呈现等间距离散谱线的特殊激光光源，其谱线如同梳齿般均匀排列，能够在光学频率与微波频率之间建立精确的桥梁。自2005年诺贝尔物理学奖授予光频梳技术的先驱者——约翰·霍尔（JohnL.Hall）和特奥多尔·亨施（TheodorW.Hänsch）以来，该技术已从实验室基础研究迅速走向工程应用前沿。在精密光频测量领域，光频梳实现了光学频率的直接精密测量，将测量不确定度推至10⁻¹⁸量级，远优于传统微波频率标准。当前，光频梳技术已在以下关键领域发挥不可替代的作用：-时间频率基准：光钟的频率输出需要通过光频梳进行分频与计数，实现光学频率至微波频率的精确转换；-深空探测与卫星导航：高精度时间频率基准是深空测控、卫星导航定位系统（如北斗系统）的核心支撑；-精密光谱学：光频梳为分子光谱、原子光谱提供宽带、高精度的频率标尺；-激光雷达与测距：双光梳测距技术实现微米级甚至纳米级绝对距离测量；-量子信息处理：光频梳为量子计算、量子通信提供多波长相干光源。然而，随着光频梳产品从科研定制走向商业化量产，市场上各类产品在性能指标表达、测试方法与评价体系上存在显著差异，缺乏统一的测试标准。这种标准化缺失导致了以下问题：第一，不同厂商产品性能参数无可比性，用户难以依据统一基线进行选型评估；第二，性能指标的测试方法各异，导致同一产品在不同测试环境下的结果差异显著；第三，不利于行业监管与质量评价体系的建立。因此，制定光学频率梳性能参数测试方法国家标准具有重要的现实紧迫性。1.2标准化依据本标准的制定严格遵循《中华人民共和国标准化法》（2017年修订）和《国家标准管理办法》的规定，符合国家标准化管理委员会对光电领域标准体系建设的总体规划。同时，本标准参考了国际电信联盟（ITU）、国际标准化组织（ISO）及国际电工委员会（IEC）在光电子领域相关标准的技术框架，并充分结合我国光频梳技术发展的实际情况。二、标准编制概况2.1标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|GB/T43736-2024||标准名称|精密光频测量中光学频率梳性能参数测试方法||英文名称|TestMethodsforPerformanceParametersofOpticalFrequencyCombsinPrecisionOpticalFrequencyMeasurement||标准状态|现行||发布机构|国家标准化管理委员会||分类号|光电子学、激光设备||发布日期|2024年3月15日||实施日期|2024年10月1日||国别|中国||语种|中文（简体）|2.2编制原则本标准的编制遵循以下原则：1.科学性原则：测试方法的技术路线基于光学频率梳的工作原理与计量学溯源体系，确保测试结果的科学性、准确性和可重复性；2.实用性原则：充分考虑光频梳产品从研发到生产的全生命周期需求，测试方法力求简便易行、经济高效，兼顾实验室精密测量与工业现场测试的适用性；3.兼容性原则：标准体系框架与技术指标设置兼容国际通行做法，便于国际比对与互认，同时兼顾我国光频梳技术产业发展的阶段性特征；4.规范性原则：术语定义、符号代号、测试条件及数据处理方法均严格依据国家计量技术规范和基础标准。2.3编制过程标准编制过程经历了以下主要阶段：-预研阶段（2021年—2022年初）：由中国计量科学研究院牵头，联合国内主要光频梳研制与应用单位，开展光频梳产业现状调研与国际相关标准比对分析，形成标准立项建议书；-立项阶段（2022年）：经全国光电测量标准化技术委员会评审，国家标准化管理委员会批准立项；-起草阶段（2022年—2023年）：成立标准起草工作组，系统开展关键技术指标验证实验，完成标准草案及编制说明；-征求意见与审查阶段（2023年—2024年初）：面向全行业广泛征求意见，经过多轮技术研讨与修改完善，形成送审稿，并通过全国光电测量标准化技术委员会审查；-发布与实施（2024年）：2024年3月15日正式发布，2024年10月1日起实施。三、标准主要内容3.1范围界定本标准规定了精密光频测量中光学频率梳性能参数的测试方法，包括测试环境要求、测试设备要求、被测光频梳的预处理、各性能参数的测试步骤及数据处理方法。本标准适用于工作波长范围为可见光至近红外波段（典型覆盖700nm—2000nm）、重复频率在50MHz—10GHz范围内的光学频率梳系统。其他类型的光频梳（如中红外光频梳、太赫兹光频梳等）可参照本标准执行。3.2规范性引用文件本标准引用以下规范性文件作为技术依据：-GB/T15239-1994激光辐射安全等级分类-GB/T7247.1-2012激光产品的安全第1部分：设备分类、要求-JJF1036-2022光学频率标准校准规范-ISO/IEC17025检测和校准实验室能力的通用要求-ITU-TG.692光传输系统相关标准3.3核心性能参数及测试方法本标准系统规定了光频梳以下核心性能参数的测试方法：3.3.1重复频率及其稳定度重复频率是指光频梳相邻梳齿之间的频率间隔，是光频梳最为核心的参数之一。测试方法采用高速光电探测器将光频梳的脉冲序列转换为电信号，通过频率计数器或相位噪声分析系统测量其重复频率值及其短期稳定度（Allan方差）。对于高稳定度光频梳系统，测试中还须采用氢钟或铯钟作为外部频率参考，测量重复频率与参考频率的偏差及漂移特性。3.3.2载波包络偏移频率载波包络偏移频率（CEO频率，即f₀）反映了光频梳载波相位与包络相位之间的滑移速率，是光频梳实现自参照锁定的关键参数。标准规定采用f-2f自参照干涉法进行测量。该方法将光频梳的短波部分倍频后与长波部分进行拍频干涉，获取f₀信号。测试内容包括f₀信号的频率值、信噪比、线宽及锁定状态下的残余相位噪声。3.3.3输出功率与功率稳定性标准规定了光频梳总输出功率及各梳齿功率分布特性的测量方法。测试采用经过校准的功率计测量，要求功率计的测量不确定度优于±2%。功率稳定性测试在规定时间窗口（连续不少于8小时）内记录功率波动，以功率相对偏差的峰-峰值和均方根值量化表征。3.3.4梳齿线宽与相位噪声梳齿线宽直接影响光频梳在精密测量中的分辨能力。标准规定采用自外差法或互相关法测量梳齿线宽，测量系统的本振激光器线宽应优于被测梳齿线宽一个量级以上。相位噪声测试依据相位噪声分析仪或信号源分析仪的标准测量流程，在规定的偏移频率范围内（典型为1Hz—10MHz）记录单边带相位噪声功率谱密度。3.3.5波长覆盖范围标准规定了使用光谱分析仪（OSA）测量光频梳光谱包络的方法。针对不同波段范围，对光谱分析仪的分辨率带宽和动态范围提出了分级要求，并规范了光谱数据的采集、平滑和边界判定方法。3.3.6锁定性能与长期可靠性针对工程应用需求，标准还规定了光频梳锁定状态下的长期频率漂移、失锁恢复时间等工程化参数的测试方法，为光频梳产品在实际系统中的部署提供考核依据。3.4测试条件与不确定度评定标准对测试环境条件提出了明确要求：-温度：（23±2）℃-相对湿度：≤65%RH-洁净度：优于10000级（references标准）或采取等效防尘措施-振动：测试平台振动加速度≤0.01g同时，标准要求测试报告须包含完整的测量不确定度分析，不确定度评定方法遵循GUM（测量不确定度表示指南）框架，应明确区分A类不确定度与B类不确定度分量，并以扩展不确定度（k=2）形式给出最终评定结果。四、主要起草单位介绍本标准的制定汇聚了我国光频梳领域最具代表性的科研与产业力量，标准起草工作组核心成员由中国计量科学研究院牵头，联合中国科学院相关研究所、高校及光频梳产业化企业共同完成。中国计量科学研究院中国计量科学研究院（NationalInstituteofMetrology,NIM）是本次标准制定的牵头单位，也是我国最高计量科学研究中心和国家计量基准体系的核心技术支撑机构。该院成立于1955年，直属于国家市场监督管理总局，承担着建立、保存和维护国家计量基准、标准以及开展量值传递和溯源工作的重要使命。在光学频率计量领域，中国计量科学研究院具有深厚的研究积累和雄厚的技术实力。时间频率计量研究所建立了基于铯原子喷泉钟的秒定义复现装置，不确定度达到10⁻¹⁶量级；光学频率标准研究团队先后研制了钙离子光钟、锶光晶格光钟等先进光学频率标准装置，不确定度进入10⁻¹⁸量级，使我国成为国际少数几个具备独立研制和运行光钟能力的国家之一。在光频梳技术研发方面，该院早在2005年前后即启动了飞秒光频梳系统的自主研制工作，先后突破了锁模激光器设计、f-2f自参照锁定、光频梳与光钟的频率比对等核心技术。近年来，该院研制的光频梳系统已成功服务于国家时间频率基准的自主运行和国家授时系统的技术升级。作为本次标准编制的牵头单位，中国计量科学研究院承担了以下核心工作：-牵头组织国内光频梳领域主要研究单位和产业单位开展技术研讨，凝练标准技术需求；-依托自身在光频梳计量测试领域的丰富经验和实验条件，主导开展各项关键技术指标的验证实验；-起草标准文本框架和核心技术条款，确保标准内容的科学性和可操作性；-组织标准征求意见和技术审查工作，协调各方意见并形成最终报批稿。该院拥有的光学频率标准计量实验室、飞秒光频梳实验室以及精密光电测量实验室均为本标准的验证实验提供了重要的实验平台和技术支撑。多项验证实验结果直接转化为标准中测试方法的推荐条件和指标要求，使标准具有扎实的实验数据基础。此外，标准起草工作还汇聚了国内从事光频梳技术研究和产品开发的主要机构，包括中国科学院物理研究所、中国科学院国家授时中心、北京大学、清华大学、山西大学等科研院校，以及国内光频梳产业化代表性企业，形成了产学研用协同推进的良好局面。五、标准实施的意义与展望5.1标准实施的重要意义GB/T43736-2024《精密光频测量中光学频率梳性能参数测试方法》的发布与实施，具有以下多方面的重要意义：第一，填补标准空白，完善标准体系。本标准是我国首个针对光学频率梳性能参数测试的推荐性国家标准，填补了精密光频测量领域光频梳测试方法的标准空白，完善了光电子学与激光设备领域的标准体系。此前我国光频梳测试主要参考国外相关标准或各单位的内部规范，测试口径不统一，数据可比性差。本标准的实施有效解决了这一问题。第二，规范市场秩序，促进产业发展。标准的发布为光频梳产品的性能评测提供了统一的技术依据，有利于建立公平、透明的市场竞争环境。制造商按照统一标准进行产品性能标定，用户依据统一口径进行比较选型，有助于优质产品脱颖而出，抑制低质低价竞争，引导行业健康有序发展。第三，保障测量溯源性，提升计量能力。精密光频测量高度依赖光频梳的计量性能。本标准规定的测试方法均建立在完善的量值溯源链条之上，测试结果的准确性和可比性得到有效保障，这将有力支撑我国时间频率计量体系的建设与完善，进而服务于国家时频体系建设、北斗导航系统性能提升等重大工程。第四，促进国际合作与互认。本标准的制定充分参考了国际通行的测试规范与方法，保持了与国际接轨的技术路线。这一方面有利于我国光频梳产品和测试服务走向国际市场，另一方面也为我国参与相关国际标准制定工作提供了有力的技术支撑和话语权基础。5.2未来标准化工作展望随着光频梳技术的持续演进和应用场景的不断拓展，后续标准化工作仍有广阔空间。展望未来，以下几个方面值得重点关注：技术演进方向的标准化。当前光频梳技术正在向集成化、芯片化方向快速发展，基于薄膜铌酸锂（TFLN）、氮化硅（Si₃N₄）等平台的芯片级光频梳逐渐走向成熟。针对这类新型光频梳器件的性能参数定义、测试方法及可靠性评定，亟需制定相应标准。此外，中红外、太赫兹波段光频梳在分子光谱、安全检测等领域的应用日益广泛，其性能测试方法标准亦需适时补充。应用导向的标准制定。光频梳在卫星激光测距、深空光通信、分布式光纤传感等工程应用场景中的环境适应性要求、长期可靠性要求及现场测试方法，均有待制定专门的应用规范。这些标准将更好地支撑光频梳技术在重大工程中的落地应用。国际标准制定的参与。未来宜积极推动将我国在光频梳测试标准化方面的技术方案上升为国际标准，增强我国在该领域的国际影响力和话语权。通过标准“走出去”，带动我国光频梳产品和技术服务走向国际市场。标准实施的反馈与修订。随着技术进步和产业需求变化，适时开展本标准的实施效果评估，根据反馈信息对标准内容进行定期复审和修订，建立标准的动态完善机制，确保标准始终与技术和产业发展保持同步。六、结论GB/T43736-2024《精密光频测量中光学频率梳性能参数测试方法》是我国光频梳领域首项国家标准，它的发布与实施标志着我国光频梳技术标准化工作迈出了关键性的一步。本标准科学地规定了光频梳核心性能参数的测试条件、测试方法和数据处理要求，所推荐的测试方案兼顾了实验室精密测量与工程应用需求，具有科学性、可操作性和前瞻性。标准由中国计量科学研究院牵头，联合国内主要科研院校和产业单位共同完成，体现了我国在光频梳技