建立复现准确度高、长期稳定、具有普适性的量子基准是计量学在新世纪的新追求。长度单位米的计量基准随着计量科学技术的发展，经历了由实物基准——氪-86光波长度基准(米的第一代量子基准)——与基本物理常数相联系的633nm氦氖激光波长基准(米的第二代量子基准)的变革过程。米的两代量子基准各有特点，从不同角度加以比较是一件很有意义的工作。

一、光源

1892年，美国物理学家迈克尔逊第一次采用镉光谱灯作为光源(一种人造电光源)，以镉红线光波波长<I>λ</I>=644nm为标准，对国际米原器进行了测定。

1895年，在第二届国际计量大会上，迈克尔逊报告了他同贝努瓦合作研究的成果:经过测量，建立了镉红线光波波长与国际米尺的比例关系，即国际标准米等于镉红线的1553163.5个波长，并有可能应用这一数学关系定义长度单位——米。

这是用氪-86光波长度定义米的前奏曲。只是由于当时的复现准确度不高，不足以取代实物米定义。经过65年的不断探索，直到1960年，才确立了氪-86光波长度的基准地位。这是第一次以自然光波基准取代实物基准，也是第一个付诸使用的量子基准。

1960年，人工制造光源历史上出现了辉煌的一章:制成一种特殊性能的光源——激光器。它与普通光源相比，具有许多优异性能，突出的是亮度高、单色性好、方向性强等。其中，由于单色性好符合精密测长的要求，经过23年的研发、创新，1983年确立了由特定频率关系确定的633nm氦氖激光波长的基准地位。这也从一个侧面反映了计量科学技术的飞速发展。

我们称激光器为特殊性能的光源，激光器特殊性能就在其发光原理上的受激辐射。

氪-86光谱灯的发光原理是量子的自发跃迁。这种跃迁与1913年波尔创立的氢原子理论有关，波尔称为量子跃迁。氪-86光谱灯以通电方式人为地使氪-86原子处于高能级(<I>E</I>2)的粒子数(<I>N</I>2)大大增加。但是这种粒子数的增加是有限的，一般不会超过低能级(<I>E</I>1)上的粒子数(<I>N</I>1)，即<I>N</I>2<<I>N</I>1。因此，氪-86光谱灯的发光能力是有限的，是一种普通光源。

1917年，爱因斯坦在研究黑体辐射过程中，发现粒子从高能级向低能级跃迁有两种可能的方式:第一种是上述的自发跃迁；第二种是在一个频率为<I>ν</I>的入射光子激励下，高能级上的粒子跃迁到低能级并放出两个频率为<I>ν</I>的光子，这种跃迁称为受激辐射。

光源发射激光而不是普通光的关键是，发光原子中粒子在高能级的数目比低能级的多(<I>N</I>2><I>N</I>1)。然而，按自然规律在低能级上的粒子数要比高能级的多。如何实现“粒子数反转”是问题的焦点。经过近半个世纪的探索，进行了一系列理论和技术上的创新，实现了“粒子数反转”，制成了一种全新的光源——激光器。
自发跃迁和受激辐射都是量子跃迁，是一种量子现象，还有其他类似的量子现象。用量子现象复现量值的计量基准统称为量子基准。

我们以氦氖激光器为例来说明受激发射原理。由于红宝石一类的固体激光器产生的激光谱线宽度较宽，不适于用作精密测长，经反复研究发现气体激光器具有极窄的谱线宽度，能满足精密测长的要求。氦氖激光器属于原子气体激光器。工作物质氦和氖按一定的气压比(5∶1至10∶1)混合而成。由于氦原子比氖原子多许多倍，所以气体放电时，电子与气氦原子碰撞的几率就比较大，氦原子被电子碰撞激发到高能级23S、21S上去。由于这两个能级与氖原子的3S、2S等能级很接近而且符合能量共振转移条件，所以处在激发态的氦原子与氖原子碰撞后，很容易把它的能量转移给氖原子，即把基态的氖原子激发到3S、3P、2P等高能级上去。又由于3S、2S能级平均寿命比2P能级的长，所以通过气体放电产生上述碰撞的过程中，氖原子在3S能级上积累的粒子数比在3P、2P能级上积累的粒子数多(<I>N</I>2><I>N</I>1)，能够实现3S对3P、2P能级的“粒子数反转”。氖原子能级3S→3P，3S→2P跃迁时所产生的辐射为氦氖激光器的两条重要波长:3390nm和633nm。其中，633nm激光波长被选为国家激光波长基准。

二、谱线宽度

科学上采用光的波长分布区间来评价光色的单色性。某一辐射的波长分布区间越窄，单色性就越好。太阳光的波长覆盖到紫外至红外整个波段，所以太阳光在我们看来是一种白光，谈不上单色性。牛顿于1666年进行白光色散成七彩光带的实验，人们开始认识到太阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的。但是这七种光并不是纯单色光，以白光为例，它的波长范围是(630～760)nm，谱线宽度Δ<I>λ</I>=130nm，实际上是一段色带。

氪-86光波长度基准发出的辐射，波长为606nm，是橙红色光，其谱线宽度Δ<I>λ</I>=0.95×10-5nm。与同类光谱灯氢灯、镉-144灯、汞灯相比，氪-86灯发出的辐射单色性最好，被誉为单色性之冠。

氦氖激光器输出的633nm红光，谱线宽度Δ<I>λ</I>=2×10-9nm，约为氪-86光谱灯的五万分之一，也就是说，氦氖激光器的633nm红光比氖-86的橙红光的单色性好5万倍。

用光源的单色光通过干涉仪来测量长度时，最大相干长度与谱线宽度成反比。为了获得较长距离的精密测量，谱线宽度越窄越好。氪-86光谱灯最大相干长度为0.39m，检定1支1m长的标准尺，要分几段来进行。633nm氦氖激光器以其特有的窄谱线宽度，用来检定1m长的标准尺，其相干长度就显得绰绰有余，从而大大提高了工作效率。

三、特定波长

在氪-86光波长度基准中，用来复现长度单位米的光波波长界定为“氪-86原子的2P10和5d5能级之间所对应的辐射”，波长<I>λ</I>=606nm。这是特定元素(氪-86同位素)特定能级(2P10-5d5)之间跃迁所对应的波长，我们称为特定波长。从两个特定来看，这种波长是唯一的。

在633nm激光波长基准中，用来复现长度单位米的波长是由特定频率关系确定的，这表明这种波长不是唯一的。1997年，国际计量委员会向世界各国推荐了12种频率稳定的激光辐射用于米定义的复现，其中，碘稳频633nm氦氖激光辐射是用途最广、影响最大、作用最突出的激光谱线。我国也选其为国家基准。

与基本物理常数相联系的量子基准，最大的优越性就是:把光速<I>c</I>固定下来，波长值的测量准确度随着频率<I>ν</I>的测量准确度的提高而提高，这就可以极大地提高波长的复现准确度。我们用计量技术的发展加以证明。

1973年，美国国家标准与技术研究院测量甲烷频率时，准确度为±6×10-10。

1982年，美国国家标准与技术研究院测定633nm碘稳定的激光频率时，准确度为2×10-10。

1997年，国际计量委员会公布的碘稳频633nm氦氖激光辐射的不确定度为2.5×10-11。

2004年，我国启用激光冷却-铯原子喷泉时间频率基准(第三代铯原子钟)，频率准确度达到5×10-15，相当于600万年不差1秒，达到世界先进水平。

633nm碘稳定的氦氖激光，对应于氖原子能级3S→2P之间的跃迁，也是特定元素(氖的同位素)和特定能级之间的跃迁，有很好的复现准确度，按理也可以作为新米定义的基础。可是从普适性来讲，由特定频率关系确定的波长，就不受限于某一种元素、某一特定能级之间的跃迁。这就打破了唯一性的局限，而具有普遍性，同时也体现了“矛盾的特殊性寓于矛盾的普遍性之中”。

四、创新

任何一个量子基准，其研制过程都有一系列的创新作支撑，否则无法投入运行。

氪-86基准研制中的创新是对镉红线而言的。

过去采用的镉是一种天然元素，往往是自然混合的同位素组合，成分比较复杂，因此镉红线的谱线宽度较窄。此外，具有核自旋的原子核，由于存在超精细结构，引起能级分裂，无法保证所需的谱线宽度。通过比较研究，在技术上进行创新，采用无核自旋的单一同位素氪-86作为光源。这样氪-86光谱灯的谱线成了同类光源的单色之冠，复现准确度达到±4×10-9。

采用同样办法，经过改进的镉-144灯成为1983年国际计量委员会推荐的五种饱和吸收稳定激光的辐射外的三种光谱灯之一。
激光新技术是由量子论催生的，本身就是一项重大的创新。将激光技术应用于建立量子基准，又进行了许多创新，其中最主要的有激光频率的稳定、激光频率的测量两项。
首先是解决激光器作为光源输出的波长的稳定问题。为此，采用各种不同的稳频措施。633nm氦氖激光基准采用的是碘稳定频的氦氖激光，其要点是在谐振腔中放置碘低压吸收室。

其次，从可知，要提高波长的复现准确度，必须不断提高频率测量的准确度。这就要在频率测量上下工夫。由于激光频率为1014量级与铯原子基准频率相差104倍，无法直接用通常的电子技术来完成对激光频率的测量。必须采用逐级倍频的办法，建立起从微波区域的铯基准到可见激光之间的频率测量链。以前这种装置很复杂且规模庞大。

又一项创新成果——“飞秒光梳技术”解决了这一难题。2006年，我国“飞秒激光光学频率梳”的研究顺利通过鉴定委员会专家的鉴定。该成果成功将我国633nm氦氖国家激光波长基准的频率直接溯源到国家激光冷却-铯原子喷泉时间频率基准，通过飞秒光梳技术使微波频率与光学频率得到链接，实现了激光频率的直接绝对测量。

五、量子基准之间的联系

实物基准都是独立运行的，相互之间没有直接的联系。氪-86基准和铯原子量子基准也是独立运行的。

米的第二代量子基准由于采用由特定频率关系确定的波长作为标准，因此为了准确测量频率就建立了与铯原子量子基准的溯源关系。这就打破了计量基准独立运行的格局，建立了量子基准之间的联系。

六、服务

氪-86光谱灯是建立在自发跃迁基础上的普通光源，而氦氖激光器是建立在受激光辐射基础上的特殊光源。两者相比，氦氖激光辐射的强度高、光电信号的信噪比好、谱线宽度窄。由此可测的程差很长，可以获得很高的条纹衬度并可直接对条纹进行光电计数。总的来说，氦氖激光基准的复现准确度高(2.5×10-11)、自动化程度高、运行效率高，能够为量值传递提供高水平、高质量的服务。这是氪-86基准无法比拟的。

633nm碘吸收稳频的氦氖激光器已制成使用方便的小型装置，复现长度单位米的国际标准波长之一，已用于集成电路的线宽测量。如德国物理技术研究院将碘稳频633nm氦氖激光用于超大规模集成电路的研制和生产过程控制。因为这种电路要求在1mm2面积上集成几十万个以上的元件，线条宽度只有1μm，形状和位置公差小于0.05μm。没有高精度的稳频激光测长系统和定位系统，要研制和生产这类集成电路是不可能的。

我国也直接利用碘稳频激光器输出的标准波长检测和控制高精密丝杠的生产。

这是当代最先进的科学技术转化为生产力、进入产业应用的重要课题。

当年深藏于象牙塔内“唯我独尊”的基准，脱胎换骨、轻装上阵，走出实验室。米的第二代量子基准打开了直接服务于基层、服务于生产的新局面。

通过长度单位米的两代量子基准的比较，我们认识到以米的第二代量子基准为代表的新一代量子基准的特点:基于量子物理学的规律，设法把计量基本单位的定义与一些基本物理常数联系起来。通过测量频率来复现基本单位的量值。实践证明，这对于满足新的要求、大幅度提高复现准确度是行之有效的。