从长度单位米到时间单位秒:稳频激光-飞秒光梳-铯原子喷泉钟-光钟

　　1　稳频激光光学波长标准———实际实施米定义

　　自Michelson时代以来,光干涉就成为长度计量准确度最高的手段。1960年激光器的发明提供了一种理想的相干光源。经稳频后的激光频率/波长的不确定度可高达10-11~10-13 [1](频率评定中常使用相对不确定度Δν/ν0,并略去相对二字,置信度1σ,下文未注均为1σ;Δν为绝对频率不确定度;ν0为名义频率)。在1983年,国际计量大会(CGPM)颁布了新的米(m)定义[2]:

式中,L为长度,c表示真空中光速,t为时间,并将c=299 792 458 m/s规定为无误差普适常数[2]

　　依照此长度定义,当测量km以上的大长度时(如使用激光调制-比相法、激光脉冲测时法或全球定位系统GPS法测距)可以获得很高的准确度,但要直接测量中小长度则很难得到比较满意的结果。通过规定真空中光速c为普适常数后,电磁波在真空中的波长λ0和频率f可用下式联系起来:

式(2)表明,频率和波长间的转换不引入不确定度。直接测量光波长的不确定度很难优于10-10,测量光频率可极大改善这一指标,并导致依照式(2)将波长溯源到频率,间接复现米定义。

　　在2000年之前,要按式(2)复现米定义非常困难,无法在实际工作中实施,为此国际上依据少数几个实验室按式(2)标定的特定辐射波长值,陆续推荐了13条谱线的真空波长值及它们的不确定度,包括碘(127I2) 633 nm和532 nm、乙炔(13C2H2) 1542 nm等[1],实际实施米定义用于光学干涉测量。1969年G.Hanes等提出以充入吸收室的127I2分子振动/转动跃迁超精细结构作为自然参考,通过电子伺服锁定激光频率[3](见图1),往返激光与吸收室中的碘分子作用,在激光功率曲线的背景上产生饱和吸收谐振峰。

　　1972年A.Walland给出“频率调制—相敏检波—微分稳频”的完整解析分析并导出结论[4]: 3次谐波稳频可消除背景斜率的影响,改善频率锁定的准确度。

　　上世纪70年代,日本的田中敬一就开展过5次谐波稳频研究[5]。80年代国际计量局组织了一次127I2饱和吸收633 nm 5次谐波稳频的He-Ne激光波长比对,结果显示,5次谐波稳频的频率值比3次谐波稳频的频率值平均高出6.3×10-11 [6]。从理论上, 5次谐波稳频可能更彻底地消除倾斜背景的频移效应,因而锁定的频率更接近饱和吸收谐振中心频率。值得注意的是,由于现行米定义是通过式(2)溯源到频率的,同时国际推荐633 nm标准波长中明确规定采用“3次谐波探测”[1]。从80年代用微波标准频率通过“谐波频率链”测量633 nm波长,到2004年利用“飞秒光学频率梳”直接将633 nm波长的频率“一步”溯源到微波标准频率,测量对象都是127I2饱和吸收3次谐波稳频的He-Ne激光[7,8]。因此国际通用的633 nm标准波长并不一定是127I2的115-5 R(127)跃迁中心频率理论值,而是可能(但不一定)残留背景频移的3次谐波实际锁定值。在计量(而不是物理)的意义上,对于上述6.3×10-11的频率差,3次谐波稳频频率值是准确的,5次稳频值是“错误”的。