时间/频率单位是七个基本单位中精度最高的，因此许多追求超高精度、超高灵敏度的测量研究都将被测量转化成对频率的测量，从而获得更高的测量精度和灵敏度，比如通过测量不同原子跃迁频率比值相对变化可以探测超轻暗物质或者研究常数是否随时间变化，通过测量不同地点、不同时刻光钟的频率变化来验证局部位置不变性、引力红移等理论的正确性。
时间/频率测量的本质是测量被测对象与频率标准之间的频率比值，因此频率测量的精度和灵敏度取决于频率标准以及频率比值测量装置的性能。近年来基于原子在光学波段的电子能级跃迁研制的光钟发展迅猛：目前不确定度最小的光钟已进入10-19量级，长期频率不稳定度也已经进入10-19量级，研究人员已经开始探索使光钟的性能逐步达到10-21量级的有效途径。在光频比值测量方面，目前精度最高的结果是华东师大精密光谱国家重点实验室在2016年达到的：利用频率精密锁相于超稳窄线宽激光的钛宝石飞秒光梳，并结合光梳传输振荡器技术和光频自参考微波频率标准技术，进一步消除光梳频率噪声、微波频率标准性能对光学分频或频率比值测量的影响，从而使频率比值测量引入的额外噪声在6´10-19（1秒平均时间）和4´10-21（104秒平均时间），频率比值测量不确定度在1.4´10-21 ，远小于目前光钟的频率不稳定度和不确定度，因此可以满足当前光钟的应用需求。
为了满足未来10-21不确定度光钟的应用以及实现精度达到10-21的频率测量，为此，华东师大精密光谱国家重点实验室提高了系统机械结构稳定性、有效光程稳定性，并采用频率锁定于氢钟的钛宝石飞秒光梳，从而实现系统长期稳定运行，克服环境产生周期性变化带来的频率比值测量的影响，并同样采用光梳传输振荡器技术和光频自参考微波频率标准技术来减小光梳频率噪声和微波频标频率噪声的影响，从而验证了光学分频器在光频比值测量过程中引入的噪声可达到4×10−18（1秒平均时间）和6×10−22 (105秒平均时间)，光频比值测量不确定度达到3×10−22，保持在该研究方向的世界领先地位。在该装置中，他们采用秒稳10-13的高噪声光梳实现了高精度、低噪声的光学分频，为后续利用芯片光梳实现高精度光学分频提供了思路。
该研究成果以华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一单位发表于APL Photonics 8, 100802 (2023)。在该文章的基础上，他们也研制了高精度可搬运的光频比值测量装置，用于不同光钟频率比值测量研究。
原文链接：
https://pubs.aip.org/aip/app/article/8/10/100802/2917007/Optical-frequency-divider-Capable-of-measuring
图1： 光学分频器示意图
