633nm碘稳定激光器作为长度基(标)准的比对测量

　　1　长度单位米的定义及其复现方法

　　长度单位是七个计量基本单位之一,它的定义曾经历了三次变迁。1889年,首次进行的定义,是用放在巴黎国际计量局的铂铱米尺的两条刻线间的距离作为米的定义,其不确定度约橙黄谱线波长的1650 763.73倍作为米的定义,其不确定度可达4×10-9;1983年,米的定义发生了根本性的变化,其定义改为“米是光在真空中在1/299792458秒的时间间隔的行程”。这个定义在实验室内的复现方法,是用激光谱线的频率或真空波长值来实现的。自1983年以来,国际计量委员会曾于1983年、1992年和1997年三次发表了激光谱线的频率和相应的真空波长值的国际推荐值。三次发表的谱线类别分别为五种、八种和十二种[1]。从1997年发表的十二种谱线的波长范围来看,它已从10.3μm至243 nm,即从中红外波段直至紫外波段很宽的波长范围。十二种谱线频率或波长的不确定度也不尽相同,分别达到10-10至10-13量级。

　　2　作为复现米定义的实用长度基准装置

　　复现第一次米定义的长度基准装置是铂铱米尺。复现第二次米定义的长度基准装置是氪86同位素光谱灯;复现第三次米定义的长度基准究竟是什么装置,这是大家所关心的问题。对此,国际文件并未作出明确的规定,即并未针对十二种谱线中任何一种,作出倾向性的推荐。但是,就二十余年来的实际情况而言,各国的实用长度基准装置大多采用633 nm碘稳定氦氖激光器。

　　为什么各国的实用长度基准多采用它,大致有如下一些原因:

　　1)在精密测量和工业测量中使用最为广泛的激光频标或波长标准,是采用波长为633 nm的稳频氦氖激光器,例如:兰姆凹陷稳频激光器、双频激光器、横向塞曼稳频激光器、双纵模稳频激光器等等。它们的频率稳定度可达10-10量级,个别可达10-11量级,其频率复现性大致在1×10-7至1×10-8之间,它们的真空波长值及测量不确定度必须用高一级的基准来进行测量。633 nm碘稳定激光器的频率稳定度可达10-11～10-12量级,频率复现性可达(1～2)×10-11;频率或波长值的不确定度为2.5×10-11,完全可以用来作为基准,测量上述稳频氦氖激光器的频率稳定度、复现性和真空波长值。2)633 nm碘稳定氦氖激光器装置紧凑,为腔内饱和吸收的稳频激光装置,激光器的腔长约350 mm,装置便于携带,因此易于广泛开展国际和国内的比对测量。二十余年,各国和各地区同类装置的比对测量已达数百余次。比对结果表明,它们的频率复现性在多数情况下可以优于2.5×10-11。

　　3)1992年,法国时间频率基准实验室(LPTF)用激光频率链的方法,直接测量了633nm碘稳定激光器碘谱线i分量的绝对频率值,其频率fi和真空波长值λi分别为