有關(guān)光波長的詳細(xì)內(nèi)容分析

上述長度測量用標(biāo)準(zhǔn)器均為實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器，存在易破壞、相對精度較低、需定期比對溯源 等問題，采用光波長這一物理量作為標(biāo)準(zhǔn)則具有精度高、易復(fù)現(xiàn)、易比對的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)際上，在現(xiàn)有米定義之前，1960年計(jì)量大會通過的以86Kr (氪86同位素）波長 為基準(zhǔn)的米定義同樣是自然基準(zhǔn)，它克服了實(shí)物米原器的所有缺點(diǎn)，使得各國復(fù)現(xiàn)米定義變 得相對容易，復(fù)現(xiàn)精度也有所提高。然而86Kr原子輻射譜線不夠窄，相對譜線寬度為8×10-7,亮度低（輸出功率約0. luW)，相干長度僅為800mm，在所推薦的使用條件下，波長 準(zhǔn)確度僅為1×10-8。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，86Kr波長基準(zhǔn)已不能滿足要求，米定義又一 次到了非更改不可的時(shí)候。

I960年激光的誕生引起物理學(xué)家和計(jì)量學(xué)家們的興趣，因?yàn)榧す饩哂懈吡炼群秃芎玫?單色性，從1961年起，激光應(yīng)用于計(jì)量的研究工作便著手進(jìn)行了。經(jīng)研究，激光的性能遠(yuǎn) 比86Kr燈*，采取特殊穩(wěn)頻措施，某些激光頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性已經(jīng)達(dá)到1 ×10-11， 比86Ki作為米定義的精度還高100倍以上。在實(shí)際精密測量中，激光早已取代86Kr，獲得廣 泛的應(yīng)用。

在此基礎(chǔ)之上，1967年時(shí)間“秒"的定義由“地球自轉(zhuǎn)一周的八萬六千四百分之一" 改為“秒是133Cs (銫133)原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)輻射的9192631770 個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間"。1969年以后，科學(xué)家們成功地測定了甲烷穩(wěn)頻3. 39um激光器輸出頻 率的值，又以86Kr波長為基準(zhǔn)測定了該激光的真空波長值。再經(jīng)過間平均與核對， 得到新的真空光速值C=299792458m/S，此值不受精度限制。1983年第17屆計(jì)量大會 上正式通過了新的米定義。這一定義把真空中的光速值作為一個(gè)固定不變的物理常數(shù)確定下 來，光速值從此不再是一個(gè)物理學(xué)中可測量的量，而成為一個(gè)換算常數(shù)；長度測量可通過時(shí) 間或頻率測量導(dǎo)出，從而使長度單位和時(shí)間單位結(jié)合起來。

新的米定義具有三個(gè)實(shí)現(xiàn)途徑：

1) 利用光在真空中的飛行時(shí)間測量長度，即飛行時(shí)間法。只要測出光在真空中行 進(jìn)的時(shí)間t，就可利用關(guān)系式L=ct求出長度L，式中c是已定義的真空光速值，c = 299792458m/S.在天文與大地測量中，飛行時(shí)間法早已普遍采用。

2) 用頻率為f的平面電磁波的真空波長來復(fù)現(xiàn)米，即真空波長法。這個(gè)波長λ是通過 測量平面電磁波的頻率f，然后應(yīng)用關(guān)系式λ=c/f得到的。用真空波長法復(fù)現(xiàn)米，在實(shí)際使 用中仍可應(yīng)用傳統(tǒng)的光波干涉法，即通過對干涉條紋數(shù)目或數(shù)目變化的統(tǒng)計(jì)，獲得以光的波 長為單位的對光程差的測量，通過折射率、光波長等參數(shù)換算到長度測量上。具體原理將在 本書第九章中描述。

3)直接應(yīng)用米定義咨詢委員會推薦的八種穩(wěn)頻激光器的頻率和波長值。這八種穩(wěn)頻激 光器是：甲烷穩(wěn)頻3. 39m氦氖激光器、碘穩(wěn)頻576mn染料激光器、碘穩(wěn)頻633mn氦氖激光 器、碘穩(wěn)頻612nm氦氖激光器、碘穩(wěn)頻515nni氬離子激光器、碘穩(wěn)頻543mn氦氖激光器、 碘穩(wěn)頻640mn氦氖激光器、鈣束穩(wěn)頻657nm染料激光器。

根據(jù)上述實(shí)現(xiàn)途徑，利用穩(wěn)頻激光搭建干涉儀，則可實(shí)現(xiàn)可溯源的高精度長度測量。需 要注意的是，只有上述八種穩(wěn)頓激光器的波長和頻率是可査的參考值，使用其他類型的激光 時(shí)，需要進(jìn)行波長的校準(zhǔn)。同時(shí)，由于在地球表面實(shí)施上述途徑時(shí)總存在不符合理想條件的 因素，所以還需要對測量結(jié)果進(jìn)行修正。

波長的校準(zhǔn)主要通過干涉法實(shí)現(xiàn)，即利用邁克爾遜掃描干涉儀或法布里-珀羅干涉儀測 量待測激光與標(biāo)準(zhǔn)激光的波長比，之后確定待測激光的真實(shí)波長。這一過程往往需要在計(jì)量 院等具有標(biāo)準(zhǔn)激光器的研究單位進(jìn)行。而對測量結(jié)果的修正主要從以下三個(gè)影響因素來 考慮： 

1) 折射率的修正：在地球表面，光總是在一定氣壓下行進(jìn)的，并非真空條件，所以必 須進(jìn)行折射率的修正。修正量在±10-7數(shù)量級范圍內(nèi)。

2) 衍射效應(yīng)的修正：理想的激光干涉測量都是建立在光波為平面電磁波的基礎(chǔ)上，但 在實(shí)際工作中，光波總是受到光學(xué)元件幾何尺寸的限制，需要進(jìn)行衍射修正。修正量在 ±10-9數(shù)量級范圍內(nèi)。

3) 引力場效應(yīng)修正：新的米定義適用于沒有引力場的空間或在恒定的引力場空間，但 這樣的空間是難以找到的，所以要進(jìn)行引力場或相對論效應(yīng)的修正。修正量在±10-12數(shù)量 級范圍內(nèi)。

理論上說，上述三項(xiàng)修正都是*的，但在實(shí)際操作中，由于精度要求的限制，第2)、3)項(xiàng)效應(yīng)的影響是可以忽略不計(jì)的。所以，利用激光干涉測量長度是zui常用的以光波長為基準(zhǔn)的長度測量，而保持激光波長（頻率）的穩(wěn)定性，對激光波長進(jìn)行比對和測定， 并對測量結(jié)果進(jìn)行折射率、衍射效應(yīng)、引力場效應(yīng)修正，是保持測量結(jié)果高精度、可溯源性 的重要手段。

光波長除了直接作為基準(zhǔn)進(jìn)行長度測量以外，也廣泛應(yīng)用于其他標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)中。

標(biāo)準(zhǔn)器是計(jì)量類光電儀器*的組成部分，為實(shí)現(xiàn)單位制規(guī)定的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)到工 廠、實(shí)驗(yàn)室等計(jì)量現(xiàn)場的傳遞，各種不同精度的標(biāo)準(zhǔn)器發(fā)揮著重要的作用。標(biāo)尺和度盤是zui 常用、zui基礎(chǔ)的長度和角度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，其工作原理簡單，技術(shù)成熟，合理選擇工作參數(shù)并 避免各類讀數(shù)誤差是正確使用這兩樣標(biāo)準(zhǔn)器的前提。計(jì)量光柵和光電編碼度盤適用于自動化 程度、精度要求較高的儀器，其將位移或角位移轉(zhuǎn)化為光電信號之后，利用電子細(xì)分可以極 大地提高測量分辨率。計(jì)量光柵及光電編碼度盤同樣已經(jīng)商品化，可以在了解其工作原理基 礎(chǔ)上選擇合適的產(chǎn)品，完成標(biāo)準(zhǔn)器的單元設(shè)計(jì)。光波長是精度zui高的標(biāo)準(zhǔn)器，利用干涉原理 進(jìn)行長度測量是應(yīng)用光波長復(fù)現(xiàn)米定義的有效手段。