原文發表于《科技導報》2025 年第12 期 《量子真空測量技術研究進展》

基于光學方法的量子真空測量技術憑借其在測量量程拓展與不確定度突破方面的顯著優勢，成為支撐深空探測、半導體制造、新型裝備研發等戰略領域創新發展的關鍵技術。《科技導報》邀請蘭州空間技術物理研究所研究員成永軍等撰文，介紹了量子光學方法反演真空參數的理論模型創新與實驗裝置突破，系統綜述了國際研究機構在該領域的最新發展態勢，揭示了現有量子真空測量技術體系存在的瓶頸問題，進而展望了量子真空測量技術的演進發展方向。

真空計量作為支撐現代高新技術發展的核心基礎技術，在國際單位制（SI）革新、計量體系向量子化轉型的時代背景下正經歷深刻變革。依托光學方法與物質本征特性相結合的新一代量子計量技術，正逐步取代依賴經典物理原理的傳統真空測量模式，標志著真空計量領域已邁入以第一性原理為基礎的量子精密測量新紀元。

基于量子光學理論的真空精密測量技術在半導體與集成電路制造、航天與空間科學、高能物理與核聚變、光學與鍍膜工業、新能源與材料研究等領域展現出廣闊應用價值。

1 基本原理

1.1 基于諧振腔光學干涉的低真空測量

基于諧振腔光學干涉測量真空的核心理念是密度較大的同種氣體折射率更強，將其與實際氣體定律相結合，可得到考慮多體相互作用后測量真空度

p

式（1）中取

i

p

即可通過光學干涉法測量法布里?珀羅諧振腔（Fabry?Perot，F?P）中的氣體折射率進而反演得到低真空壓力。

1.2 基于囚禁態冷原子碰撞損失的超高/極高真空測量

基于冷原子碰撞損失特性測量真空的基本機理是中性氣體碰撞勢壘囚禁態冷原子后，其損失率與真空度有關。冷原子裝載和損耗的動力學方程可表示為：

當勢阱中原子的損耗與裝載達到動態平衡時，關閉激光停止裝載，則

R

式中，N0為穩態t=0時刻的初始原子數。通過指數擬合損耗曲線提取

n

U

v

式中，

U

v

p

最后，在綜合考慮量子衍射效應、馬約拉納（Majorana）自旋反轉損失、原子基態和激發態混合能態效應等非理想損失機制后，真空度p可修正為：

1.3 基于吸收光譜的真空分壓力測量

基于吸收光譜法測量真空分壓力的基本原理是依據朗伯?比爾定律，即中性氣體介質與激光束相互作用后，光強衰減與氣體吸收強度、氣體分子數密度

n

對式（8）取對數，并在整個頻譜范圍內進行積分可得到吸收量

A

最后，結合理想氣體定律可得到測量真空分壓力

p

2 研究進展

國際單位制的重新定義促進真空計量測試技術進入量子化時代。

2.1 國外研究進展

2.1.1 基于囚禁態冷原子碰撞損失的超高/極高真空測量

目前，國際上開展冷原子超高/極高真空測量最具代表性的研究機構為美國NIST。2017年，NIST首次提出建立新一代超高/極高真空（UHV/XHV）標準——冷原子真空測量標準。自此，美國NIST聯合美國馬里蘭大學從冷原子真空測量理論研究和實驗驗證兩方面開展了深入研究。在實驗研究方面，NIST已建立了基于7Li和85Rb雙原子的實驗室大型超高真空測量裝置（圖1）。

圖1 美國NIST冷原子真空測量系統結構

測量裝置主要由原子源、二維磁光阱（2D MOT）、三維磁光阱（3D MOT）、真空抽氣機組等組成。該裝置的主要創新點是：3D MOT的磁場系統采用約飛?普里查德Ioffe?Pritchard）磁阱（圖2）代替傳統的反赫姆霍茲四極磁阱，目的是有效抑制勢阱中心冷原子Majorana自旋反轉非理想損失，提高真空測量的精度。

圖2 Ioffe?Pritchard磁阱結構

NIST的目標是開發2類冷原子真空標準裝置：一種是用于實現最低不確定度和極限真空度的實驗室冷原子超高真空標準裝置，另一種是可替代傳統B?A電離規的便攜式冷原子真空測量儀。目前NIST已研制出2臺小型化7Li冷原子真空測量儀器（圖3），并開展了實驗比對驗證。

圖3 小型化冷原子真空測量儀器構成

加拿大英屬哥倫比亞大學提出了在磁阱中基于量子衍射統一性原理測量真空度的新方法。為進一步驗證不同傳感原子與背景氣體碰撞是否遵循量子衍射碰撞的普適性規律，團隊基于雙原子交叉校準方法開展了量子衍射碰撞普適性在輕粒子碰撞中的偏離研究，實驗裝置如圖4所示。

圖4 基于87Rb原子（a）和7Li原子（b）交叉校準的冷原子真空測量裝置原理

2023年以來，德國PTB聯合德國布萊梅大學開展基于87Rb和41K的集成式可便攜冷原子真空測量儀研制工作，圖5為內置于真空系統的磁場系統。該裝置支持在20 ms內快速切換磁場梯度，滿足從磁光阱加載到磁阱捕獲的多階段需求。該設備的物理傳感部分如圖6所示。

圖5 內置于真空系統的磁場系統

圖6 冷原子真空測量儀物理傳感部分

總之，德國PTB開展了雙冷原子壓力標準的初步設計，通過緊湊的磁線圈、模塊化真空系統和自動化控制流程，推動冷原子傳感器向商業化邁進。未來需通過實驗驗證系統性能，并優化熱管理與軟件架構以實現最終目標。

2.1.2 基于諧振腔光學干涉的低真空測量

在基于諧振腔光學干涉法的低真空測量方面，美國NIST率先開展了基于固定腔長（FLOC）和可變腔長（VLOC）的光學干涉真空壓力測量技術研究，測量原理如圖7所示。

圖7 基于FLOC的光學干涉真空測量裝置與汞柱壓力基準比對測量原理

2024年，NIST在前期研究基礎上研制出集成化一體式光學干涉低真空測量儀（圖8），該儀器通過測量氣體折射率變化計算真空壓力，該儀器的頻率穩定性（標準偏差143 Hz，漂移率<0.006 Hz/s）和重復性表現突出，尤其在低壓區域（<100 Pa）顯著優于傳統測量技術。

圖8 集成化一體式光學干涉低真空測量儀結構

2023年以來，瑞典于默奧大學聯合瑞典研究院（RISE）研制了基于雙F?P腔結構的光學折射率測量儀（DFPC），并在此基礎上提出了基于氣體調制的折射率測量方法（GAMOR），完成了低真空壓力量子化測量，具體測量原理如圖9所示。

圖9 DFPC?GAMOR低真空測量原理

該研究通過系統性改進儀器設計、真空系統和測量方法，顯著提升了光學干涉法真空測量系統在低壓區域的性能，為高精度量子化帕斯卡標準提供了技術基礎。在此基礎上，為進一步提高低真空壓力測量精度，研究團隊提出了一種對空腔模式頻率進行不確定度自動評估的程序方法，實驗裝置原理如圖10所示。

該方法尤其適用于工業環境便攜式光學干涉真空測量，為低氣壓（如1 mPa）提供了一種高可靠、低成本的測量方案。這一方法不僅突破了傳統激光頻率測量儀器的限制，還為量子光學壓力標準的實際應用鋪平了道路。

圖10 GAMOR改進實驗裝置原理

2023年，意大利INRiM提出了一種基于邁克爾遜干涉儀結構的多次反射光學干涉壓力標準（UINT），替代基于F?P腔的光學干涉真空測量系統。通過非平衡零差干涉儀測量氣體折射率，利用多反射雙鏡裝置在緊湊結構中實現了超過6 m的光程差，顯著提升了測量靈敏度。測量裝置原理如圖11所示。該裝置通過雙級溫控系統（鋁真空腔和外部鋁盒），實現了±1 mK的溫度穩定性，確保熱環境對測量的影響降至最低。

圖11 UINT光學壓力標準原理示意

2022年以來，日本NMIJ在前期工作基礎上，聯合日本先進技術研究院（AIST）開發一種基于F?P腔的光學壓力測量系統（OPS），測量裝置實驗原理如圖12所示。目前的關鍵技術挑戰主要體現在：

（1）熱膨脹影響。

（2）腔體老化。

（3）放氣效應。

圖12 基于F?P腔的光學壓力標準原理

2023年以來，法國國家計量院（LNE）開發的單腔F?P干涉儀可在100 Pa~100 kPa范圍內實現高精度熱力學壓力測量，測量裝置原理如圖13所示。

圖13 單腔光學干涉法真空測量系統原理

為突破諧振腔光學干涉法真空壓力測量技術從實驗室走向實際應用的關鍵技術，實現下一代量子真空壓力標準的全球化推廣應用，瑞典于默奧大學聯合瑞典研究院研制了便攜式光學干涉真空測量儀（TOP），如圖14所示。

圖14 便攜式光學干涉真空測量儀實物照片

上述測量裝置在歐洲4國計量技術機構（RISE、PTB、INRiM、LNE）開展了環形比對實驗，證明其具備運輸后快速部署與穩定運行的能力。比對結果表明，在10~90 kPa壓力范圍內，TOP測量結果與各實驗室參考壓力平衡器（圖15）的數據高度一致，驗證了其可靠性。該項研究首次實現光學干涉低真空測量儀在跨國運輸中的性能保持，為光學真空壓力標準在半導體、航空航天等高精度低壓力測量領域的工業應用奠定了基礎。作為“量子帕斯卡”的實現工具，TOP的推廣將推動國際真空壓力計量體系向光學定義轉型，減少對傳統機械標準的依賴。

圖15 各國際計量技術機構參考壓力平衡器實物照片

2.1.3 基于吸收光譜的真空分壓力測量

在基于激光吸收光譜的氣體分壓力測量方面，德國PTB率先應用可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）進行了真空分壓力測量實驗，依據朗伯?比爾定律，通過測量目標氣體對光輻射的吸收損耗，結合理想氣體定律確定真空分壓力，測量原理如圖16所示。

圖16 基于TDLAS的真空分壓力測量裝置結構

隨著腔增強吸收光譜技術（CEAS）和光學頻率梳的快速發展，基于雙光梳外差吸收光譜的真空分壓力測量技術逐步成為主流的真空分壓力量子測量方法，該方法不僅可以有效延長檢測激光與被測氣體吸收作用路徑長度（最高可達百km量級），進一步提升氣體激光吸收光譜的測量精度，具體測量裝置如圖17所示。

圖17 基于雙光梳外差吸收光譜的真空分壓力測量裝置結構

此后，為進一步拓展真空分壓力測量下限，美國NIST提出了基于光腔衰蕩吸收光譜（CRDS）的真空分壓力測量新方法，測量原理如圖18所示。

圖18 光腔衰蕩吸收光譜真空分壓力測量原理

2.2 國內研究進展

在基于超冷原子碰撞逃逸損失特性的真空測量技術研究方面，蘭州空間技術物理研究所分析國際真空測量前沿科技發展趨勢，2020年率先布局基于超冷鋰原子碰撞量子特性的真空測量創新研究。經過持續4年的系統性技術突破，項目團隊聯合華東師范大學成功研建國內首個基于激光冷卻鋰原子的超高/極高真空測量原理樣機，其核心參數指標可達到國際先進水平，標志著中國在超高/極高真空量子精密測量領域實現重大技術突破。測量裝置原理樣機實物如圖19所示。

圖19 7Li冷原子超高/極高真空測量裝置實物

基于偏振梯度冷卻和反赫姆霍茲四極磁阱俘獲技術，在3D MOT真空腔中獲得了108個溫度為270 μK的7Li冷原子團（圖20）。利用7Li冷原子真空測量裝置在磁光阱和四極磁阱中開展實驗驗證研究，測試氣體選擇高純N2和Ar時，圖21為磁光阱和磁阱中測量的7Li冷原子的損失率曲線。

圖20 3D MOT真空腔體中拍攝的7Li冷原子團

圖21 磁光阱和磁阱中冷原子損失率測量曲線

在諧振腔光學干涉低真空測量方面，近年來，中國計量科學研究院（NIM）研建了一套諧振腔光學干涉法低真空測量裝置，主要由光學系統、溫度控制系統和雙F?P腔組成，工作原理如圖22所示。該研究通過創新性地利用ZTE溫度優化諧振腔的熱穩定性，為光學真空壓力標準在低壓（1~105 Pa）范圍內的精確測量提供了重要技術突破，推動了量子真空壓力計量標準的實際應用。

圖22 雙F?P腔光學干涉低真空測量裝置工作原理

2018年以來，蘭州空間技術物理研究所研建了一套光學干涉法中低真空測量裝置，主要由激光諧振系統、激光穩頻系統、真空系統和溫度控制系統組成，整體可分為參考模塊和檢測模塊兩部分，具體實物如圖23所示。

圖23 光學干涉法真空測量裝置實物

在光譜吸收法真空分壓力測量方面，蘭州空間技術物理研究所研制了基于雙光梳激光吸收譜的真空分壓力測量裝置。相比傳統基于可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）波段窄、測量耗時、分辨率較低、實時性差的缺陷，雙光梳真空分壓力測量方法具有多譜線同時測量、超靈敏、高分辨、非侵入、寬量程、高精度、低耗時的優點，測量原理如圖24所示。

圖24 雙光梳真空分壓力測量原理

3 存在問題

當前的理論建模與實驗研究仍面臨多重制約：由于量子計算精度不足、氣體熱力學行為及電磁特性研究尚不充分等因素，該技術尚存若干亟需突破的關鍵科學問題，具體可歸納為以下核心挑戰。

1）當前計算在復雜分子系統（如Ne、Ar）中仍受限于電子數增加帶來的計算復雜度，其精度尚未全面超越實驗。

2）在光學干涉式低真空測量技術領域，F?P諧振腔的精密制造工藝仍需突破氣體折射率精確標定、腔體材料氣體吸附脫附效應控制等核心難題；對于冷原子超高/極高真空測量，磁場與光場的協同作用機制、多元同位素原子在復合場中的量子特性差異對測量的影響規律，以及冷原子團非理想損耗機制（包括量子衍射碰撞和Majorana躍遷等）的作用機理仍需開展進一步的理論實驗研究。

3）光譜吸收法真空分壓力測量技術面臨吸收光程優化、光譜獲取效率提升及檢測波段擴展等關鍵技術瓶頸。

4）現行光量子真空測量設備普遍存在系統集成度低、光學架構復雜、制造成本高昂等問題，難以適應航天深空探測及裝備領域對微型化、高可靠量子真空傳感器的迫切需求。

4 發展方向

從全球量子真空精密測量技術演進路徑看，光學量子真空測量技術發展呈現雙重突破方向：

• 其一通過深化量子測量理論研究，推動國際計量組織建立具備超穩定性、超高精度與強抗擾能力的新型量子真空基準體系，逐步取代傳統基于氣體分子動力學的計量基準；

• 其二結合微納光子學與集成光子芯片技術，開發微型化量子真空傳感系統，突破現有電離規等傳統真空計的技術局限。

5 結論

量子真空光學測量技術作為突破傳統測量極限的革命性手段，在空間科學探測、粒子加速器大科學裝置、半導體超精密高端制造等前沿領域展現出變革性應用前景。

1）針對光學干涉法低真空測量，通過F?P腔測量氣體折射率反演真空度，在低真空（1 Pa~100 kPa）范圍實現高精度（不確定度低至0.0008%），并逐步向小型化和便攜化發展。

2）針對冷原子超高/極高真空測量，利用冷原子損失率與背景氣體密度的關系測量超高/極高真空（10?10~10?6 Pa），精度達6%。美國NIST通過改進磁阱設計（如Ioffe?Pritchard阱）抑制Majorana損失，提升測量可靠性。

3）針對光譜吸收法真空分壓力測量，基于朗伯?比爾定律檢測氣體分壓力，CRDS技術可測量至10?9 Pa量級，但受限于吸收譜線匹配和極性氣體限制。國外美國NIST、德國PTB等在冷原子和光學干涉技術領先，已開發實驗室級高精度設備和便攜式原型機。面對國際計量體系量子化轉型趨勢，中國正構建產學研協同創新平臺，通過多輪次技術迭代加速推進真空量值傳遞體系的量子化重構。

本文作者：成永軍，孫雯君，董猛，賈文杰，范棟

作者簡介：成永軍，蘭州空間技術物理研究所，真空技術與物理全國重點實驗室，研究員，研究方向為真空計量測試技術與儀器。

文章來 源 ： 成永軍, 孫雯君, 董猛, 等. 量子真空測量技術研究進展[J]. 科技導報, 2025, 43(12): 65?79 .

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