《计测技术》2025年第2期目录

原子钟技术发展与“秒”定义变革

陈伟亮^1，2，刘昆^1，2，戴少阳^1，2，郑发松^1，2，左娅妮^1，2，房芳^1，2*

（1. 中国计量科学研究院，北京 100029；2. 国家市场监管重点实验室（时间频率与重力计量基准），北京 100029）

摘  要：介绍了用作频率标准的高性能冷原子钟的发展现状，阐述了喷泉钟与光钟的基本原理、性能指标、在计量和其他领域的应用及发展趋势，分析了原子钟技术发展对“秒”定义变革的影响，探讨了“秒”定义变革的路径和现状。指出可通过提升相干作用时间、降低原子温度、优化不确定度评估策略等方式提升原子钟性能，提出通过时空一体化测量、优化引力红移评估手段、建立高水平洲际远程比对链路等方式，进一步提升原子钟的不确定度水平及扩大应用范围。

关键词：原子钟；喷泉钟；光钟；不确定度；秒定义

全文链接：

http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250201&flag=1

基于外腔半导体激光器的微型原子钟

廉吉庆^1，2，3，潘多^2*，赵天^2，4，黄鹏翔⁵，陈景标^2，6

（1.西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安 710071；2.北京大学电子学院量子电子学研究所光子传输与通信全国重点实验室，北京 100871；3.兰州空间技术物理研究所，甘肃兰州 730000； 4.国测量子科技（浙江）有限公司，浙江湖州 313098；5.温州大学电气与电子工程学院，浙江温州 325035；6.合肥国家实验室，安徽合肥 230088）

摘  要：为了解决传统微型和芯片级相干布居囚禁（Coherent Population Trapping，CPT）原子钟使用的垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser， VCSEL）线宽大的问题，采用自研的激光芯片和毫米量级尺寸的光学元件，设计了一种适用于微型CPT铷原子钟、波长为795 nm的微型外腔半导体激光器（External Cavity Diode Laser，ECDL），该激光器尺寸小于1 cm³，且具有线宽窄、直接调制特性好的特点。基于该ECDL，首次实现了非VCSEL光源的微型原子钟设计验证，短期频率稳定度达到3.70 × 10^-11@1 s，1.35 × 10^-12@1 000 s，对后续研制高性能微型甚至芯片级原子钟产品具有重要意义。

关键词：外腔半导体激光器；相干布居囚禁；微型原子钟；窄线宽激光器

全文链接：

http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250202&flag=1

用于原子干涉仪激光频率锁定的集成化系统

许云鹏，赵远，汪子楷，鲍莹莹，胡栋，王宇*

（中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

摘  要：为提升原子干涉仪的小型化程度和稳定性，研发用于原子干涉仪激光频率锁定的集成化系统。采用集成化电路系统进行稳频光谱信号采集、调制与解调，利用ZYNQ型全可编程片上系统完成数字比例微分积分（Proportion Integration Differentiation，PID）功能，实现激光频率的低噪声快速锁定。集成后的调制解调模块电路面积仅为77 mm × 113 mm，能够满足激光器锁定在大多数碱性原子能级的使用需求。开展实验对用于原子干涉仪激光频率锁定的集成化系统的性能进行验证，结果表明：激光器频率锁定后频率波动为98.81 kHz@7 h；激光频率的重新锁定时间为600 μs@100 MHz；在100 h的长期测量中未产生脱锁情况。该系统为推动原子干涉仪在地质研究和资源勘探等复杂环境下的应用提供了有力支撑。

关键词：原子干涉仪；激光频率锁定；集成化系统；调制转移光谱；小型化

全文链接：

http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250203&flag=1

基于三维牵引力显微镜的力学测量研究

祁航，章帅华，王艳艳*

（天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器全国重点实验室，天津 300072）

摘  要：细胞通过细胞外基质感知微环境的硬度、弹性和拓扑结构等物理特性，并借助力学敏感蛋白响应机械刺激来调控其增殖、分化和迁移等行为。因此，精确测量细胞与基质间的机械力对研究力学感知和信号转导至关重要。为测量肿瘤细胞迁移时对基质所施加的牵引力，本文利用牵引力显微镜（Traction Force Microscopy，TFM）技术，通过实时监测嵌入基质中的荧光微球位移，并结合基质的力学特性，利用正演法和反演法实现了亚细胞尺度的高精度牵引力测量。测量结果显示肿瘤细胞在所构建的基质上迁移时突触区域产生了约431.9 Pa的牵引力，胞体区域产生了约153.9 Pa的牵引力。该技术凭借其高分辨力、非侵入性以及实时原位检测等优势，为微纳尺度的力学测量提供了新的研究思路。

关键词：牵引力显微镜；细胞外基质；细胞力学；乳腺癌细胞

全文链接：

http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250204&flag=1

六自由度机器人末端位姿校准误差链路分析

江文松¹，王妍¹，罗哉^1*，冯思琪¹，杨力^1*，张鹏浩²

（1.中国计量大学计量测试与仪器学院，浙江杭州 310018； 2.中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

摘  要：为研究校准误差对机器人末端定位精度的非线性影响，开展六自由度机器人末端位姿校准误差链路分析。采用修正的DH模型（Modified Denavit⁃Hartenberg Model， MDH）约束条件建立六自由度机器人的运动学参数模型，分析末端位姿变换的空间几何特征关系；分析机器人校准误差的来源，得到测量系统各坐标系之间的函数关系，构建机器人末端位姿校准误差传递链路模型。搭建六自由度机器人校准系统开展实验，结果表明：机器人末端校准误差主要来源包括连杆长度误差、关节偏移误差、关节扭转角误差和零位误差等，合成后的校准误差为2.66 mm；机器人末端x、y、z方向的相对不确定度分别为0.09%、0.37%、0.46%。研究成果为机器人末端精准定位控制提供了技术参考。

关键词：几何量计量；机器人；末端定位；校准；误差链路分析

全文链接：

http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250205&flag=1

大视场双通道Micro-LED晶圆缺陷光学检测系统设计

张义博，贺文俊*，洪惠敏

（长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022）

摘  要：为满足微型发光二极体（Micro Light Emitting Diode，Micro⁃LED）芯片制造过程中多种晶圆缺陷的高精度自动检测需求，设计了一种大视场偏振双通道Micro⁃LED晶圆缺陷自动光学检测系统。该系统将显微成像技术与偏振成像技术相结合，增强Micro⁃LED晶圆缺陷图像的对比度，提升检测准确性；通过无限共轭显微物镜和筒镜的组合使用，扩大单次曝光中采集到的晶圆样品图像面积，提高检测效率。开展实验验证大视场双通道Micro⁃LED晶圆缺陷光学检测系统的性能，结果表明：该系统放大倍率为20，照明均匀性可达91.6%，最大像方视场为33 mm；该系统的调制传递函数（Modulation Transfer Function， MTF）曲线在奈奎斯特频率31 lp / mm处接近衍射极限，可满足0.8 μm的物方分辨力；该系统测量得到的偏振度图像的信息熵、边缘强度、标准差和平均梯度相较传统灰度图像的平均提升率分别为25.6%、24.9%、33%、173.3%。大视场双通道Micro⁃LED晶圆缺陷光学检测系统可实时捕获不同类型缺陷的特征信息，具有识别效率高、漏检率低等优势，为Micro⁃LED晶圆生产质量高精度检测提供了有力支撑。

关键词：微型发光二极体；缺陷检测；光学设计；偏振

全文链接：

http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250206&flag=1

基于电光强度相位级联调制的激光扫频干涉测距方法

邓忠文¹，刘传锋¹，张恒康²，孙海峰^1*，张树威¹，李小平¹

（1. 西安电子科技大学空间科学与技术学院，陕西西安 710071； 2. 北京控制工程研究所空间光电测量与感知实验室，北京 100190）

摘  要：激光扫频干涉（Frequency Scanning Interferometry，FSI）绝对测距技术在高端装备制造和空天科技领域展现出广阔的应用前景和重要的技术潜力。针对传统FSI在高动态测量场景下测距误差显著增大的问题，提出了一种基于电光强度⁃相位级联调制的FSI测距方法。在对传统FSI系统中光程差变化放大效应进行理论推导的基础上，设计了一种电光强度⁃相位级联调制的双边带FSI测距系统。该系统通过单光电探测器对扫频干涉光进行光电检测，并采用全相位快速傅里叶变换（All⁃Phase Fast Fourier Transform，APFFT）高精度提取干涉信号的相位信息，实现了对待测目标绝对距离和相对位移的同步高精度测量。仿真结果表明：该方法的绝对距离测量标准差在10 µm以下，相对位移测量标准差在10 nm以下，有效验证了所提方法的可行性和准确性。

关键词：激光扫频干涉；电光边带调制；绝对测距；全相位快速傅里叶变换；高动态测量

全文链接：

http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250207&flag=1

基于电光采样的飞秒激光精密测距及应用

邱志锋，孙世超，李波瑶，古楚芳，孙敬华*

（东莞理工学院电信工程与智能化学院超快光物理与光信息研究所，广东东莞 523808）

摘  要：为探索高精度、高速度激光精密测量，研究了基于电光采样定时检测技术的飞秒光频梳精密测距，该光频梳测距系统结合了光纤Sagnac干涉环、动态相位偏置的电光调制器、非互易静态相位偏置单元以及光脉冲飞行时间探测，具备高精度和高速度的优点。研究表明：该系统在26 ms积分时间内可实现45 nm的单点测距不确定度，通过结合二维扫描平移台，实现了量块台阶高度和硬币表面形貌的精密测量；并对3 m外受附近扬声器声波振动的漫反射金属薄膜进行了动态检测，还原了所播放的音乐声信号。本研究展示了电光采样定时检测技术在高精度、高速度距离测量中的巨大潜力，为促进精密测距领域的发展起到重要作用。

关键词：激光测距；台阶测量；电光采样；光学频率梳

全文链接：

http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250208&flag=1

芯片级腔光力传感器谐振腔中的可控光机械耦合

李喆¹，鲜承伟² ，张怀英³，匡鹏举²，陈凯¹，黄勇军^2*

（1.电子科技大学自动化学院，四川成都 611731；2.电子科技大学
信息与通信工程学院，四川成都 611731； 3.陕西宝成航空仪表有限责任公司，陕西宝鸡 721006）

摘  要：腔光力传感器作为科技交叉领域的研究热点，其测量分辨力的提升对多种应用场景至关重要。本研究通过调节腔光力传感器中耦合光纤状态来改变腔内光场模态体积，实现光机械耦合的可控性，进而达到光机械耦合的强互锁状态。在二维光子晶体构成的芯片级腔光力传感器谐振腔系统中，成功实现了可控光机械耦合诱导的机械品质因数（Q值）提升和系统底噪的抑制。实验结果表明，在光机械耦合实现强互锁状态下，机械Q值相较弱互锁阶段提升了约10倍，系统底噪显著降低了约26 dB。此外，基于该方案的腔光力加速度传感器在6 kHz的加速度驱动下，实现了高达126.58 mV / g的灵敏度。这一成果不仅证实了可控光机械耦合在增强机械Q值和降低系统底噪方面的潜力，而且为腔光力系统的设计和应用提供了新思路，对光子学和微纳机械系统领域的发展具有重要的推动作用。

关键词：腔光力系统；光机械耦合；二维光子晶体；腔光力传感器；机械品质因数

全文链接：

http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250209&flag=1

高压电缆悬垂差动互感式非接触位移检测系统

刘国庆¹，宋玉环²，江嘉琪²，张子强²，徐金田³，徐淼淼^2*

（1.中天智能装备有限公司，江苏南通 226010；2.南通大学信息科学技术学院，江苏南通 226019；3.江苏中天科技股份有限公司，江苏南通 226400）

摘  要：为解决电缆传统接触式传感器精度低、可靠性差等问题，运用电磁感应原理，采用差动互感测量技术，通过发射电路和接收电路的协同工作，研制了一种高压电缆悬垂差动互感式非接触位移检测系统，实现电缆线芯位置的高精度检测。发射电路通过增强85 kHz的正弦信号驱动发射线圈，接收电路将接收到的信号转换为± 5 V的直流电压信号和4 ~ 20 mA电流信号。为了有效抑制主要集中在接收线圈及其传输路径上的辐射干扰，采用了屏蔽传输线与带通滤波器相结合的方式来减小噪声影响。实验结果表明：在± 30 mm位移范围内的传感器线性度和灵敏度性能最佳，线性度高达97.49%，灵敏度达到35.93 mV / mm。该系统显著提高了高压电缆的位移检测精度，克服了传统检测方法的局限性，展现出良好的稳定性和可靠性。

关键词：传感器设计；非接触位移检测；差动互感技术；抗干扰；静态标定

全文链接：

http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250210&flag=1