长度单位米的两代量子基准比较

　　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λ=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(E2)的粒子数(N2)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(E1)上的粒子数(N1)，即N2 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(N2>N1)。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(N2>N1)，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。