有關(guān)光波長的詳細內(nèi)容分析

上述長度測量用標準器均為實物標準器，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準則具有精度高、易復(fù)現(xiàn)、易比對的優(yōu)點。

實際上，在現(xiàn)有米定義之前，1960年計量大會通過的以86Kr (氪86同位素）波長 為基準的米定義同樣是自然基準，它克服了實物米原器的所有缺點，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 準確度僅為1×10-8。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，86Kr波長基準已不能滿足要求，米定義又一 次到了非更改不可的時候。

I960年激光的誕生引起物理學家和計量學家們的興趣，因為激光具有高亮度和很好的 單色性，從1961年起，激光應(yīng)用于計量的研究工作便著手進行了。經(jīng)研究，激光的性能遠 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)達到1 ×10-11， 比86Ki作為米定義的精度還高100倍以上。在實際精密測量中，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)的兩個超精細能級之間躍遷所對應(yīng)輻射的9192631770 個周期的持續(xù)時間"。1969年以后，科學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固定不變的物理常數(shù)確定下 來，光速值從此不再是一個物理學中可測量的量，而成為一個換算常數(shù)；長度測量可通過時 間或頻率測量導出，從而使長度單位和時間單位結(jié)合起來。

新的米定義具有三個實現(xiàn)途徑：

1) 利用光在真空中的飛行時間測量長度，即飛行時間法。只要測出光在真空中行 進的時間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，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)上述實現(xiàn)途徑，利用穩(wěn)頻激光搭建干涉儀，則可實現(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，需要進行波長的校準。同時，由于在地球表面實施上述途徑時總存在不符合理想條件的 因素，所以還需要對測量結(jié)果進行修正。

波長的校準主要通過干涉法實現(xiàn)，即利用邁克爾遜掃描干涉儀或法布里-珀羅干涉儀測 量待測激光與標準激光的波長比，之后確定待測激光的真實波長。這一過程往往需要在計量 院等具有標準激光器的研究單位進行。而對測量結(jié)果的修正主要從以下三個影響因素來 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的，并非真空條件，所以必 須進行折射率的修正。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 在實際工作中，光波總是受到光學元件幾何尺寸的限制，需要進行衍射修正。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，上述三項修正都是*的，但在實際操作中，由于精度要求的限制，第2)、3)項效應(yīng)的影響是可以忽略不計的。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，對激光波長進行比對和測定， 并對測量結(jié)果進行折射率、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進行長度測量以外，也廣泛應(yīng)用于其他標準器的校準中。

標準器是計量類光電儀器*的組成部分，為實現(xiàn)單位制規(guī)定的計量標準到工 廠、實驗室等計量現(xiàn)場的傳遞，各種不同精度的標準器發(fā)揮著重要的作用。標尺和度盤是zui 常用、zui基礎(chǔ)的長度和角度計量標準器，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準器的前提。計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，利用電子細分可以極 大地提高測量分辨率。計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，完成標準器的單元設(shè)計。光波長是精度zui高的標準器，利用干涉原理 進行長度測量是應(yīng)用光波長復(fù)現(xiàn)米定義的有效手段。