633nm激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)/副基準(zhǔn)比對(duì)報(bào)告

633nm激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)/副基準(zhǔn)比對(duì)報(bào)告

633nm激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)/副基準(zhǔn) 比對(duì)報(bào)告 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院（100013） 中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院（610021） 中國(guó)第一航空集團(tuán)公司第304研究所（100095） 2007.3.23 北京 1            概述 1983年, 國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）推薦將碘穩(wěn)定的633nm He-Ne激光輻射波長(zhǎng)作為復(fù)現(xiàn)米定義的標(biāo)準(zhǔn)[1]。此后，根據(jù)國(guó)際上各實(shí)驗(yàn)室的研究和測(cè)量結(jié)果，1992年CIPM更嚴(yán)格地規(guī)定了激光系統(tǒng)的運(yùn)行條件和主要技術(shù)參數(shù)，同時(shí)重新給出了其頻率值、波長(zhǎng)值及其不確定度標(biāo)準(zhǔn)[2]。在此基礎(chǔ)上，2001年，CIPM向世界各國(guó)推薦了現(xiàn)行的技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行條件[3]。 長(zhǎng)度單位米是SI單位制中7個(gè)基本單位之一，也是較早以自然基準(zhǔn)的方式復(fù)現(xiàn)的基本單位之一。在國(guó)際計(jì)量組織推薦的復(fù)現(xiàn)米定義的若干標(biāo)準(zhǔn)譜線中，碘穩(wěn)定的633nm激光波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)是目前世界上實(shí)用性最強(qiáng)、影響面最大、應(yīng)用面最廣、最受重視的長(zhǎng)度基準(zhǔn)。碘穩(wěn)定激光系統(tǒng)的制作工藝特殊，裝置組成較為復(fù)雜，即使是基本滿足CIPM推薦的技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行條件，也不能完全保證達(dá)到國(guó)際頻率（波長(zhǎng)）值的不確定度標(biāo)準(zhǔn)。所以，不同國(guó)家的基準(zhǔn)裝置之間需要定期進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，確定不同裝置間的系統(tǒng)偏差以及造成偏差的技術(shù)原因，以保證國(guó)際間的長(zhǎng)度量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一。 自1983年新米定義實(shí)施以來，在世界范圍內(nèi)，圍繞633nm激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)裝置的復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)，在國(guó)際計(jì)量局和地區(qū)計(jì)量組織的倡導(dǎo)和組織下，各國(guó)或地區(qū)之間已經(jīng)進(jìn)行了無數(shù)次的多邊或雙邊比對(duì)。通過比對(duì)實(shí)驗(yàn)，一方面保證了各國(guó)或地區(qū)之間的長(zhǎng)度量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，為世界各國(guó)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程提供了有力的技術(shù)保障；另一方面也極大地促進(jìn)了參加比對(duì)的國(guó)家和地區(qū)的計(jì)量技術(shù)水平的提高。在過去20多年的時(shí)間里，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院就曾經(jīng)代表中國(guó)多次參加這種比對(duì)實(shí)驗(yàn)。通過比對(duì)，不僅對(duì)外展示了中國(guó)長(zhǎng)度計(jì)量基準(zhǔn)的技術(shù)水平，而且利用比對(duì)期間與國(guó)外同行面對(duì)面的技術(shù)交流機(jī)會(huì)，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)長(zhǎng)度基準(zhǔn)裝置技術(shù)水平的提高。 中國(guó)是較早開展碘穩(wěn)定633nm He-Ne激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)裝置研究和應(yīng)用的國(guó)家之一。經(jīng)過近30年的不懈努力，不僅研制并建立了波長(zhǎng)基標(biāo)準(zhǔn)裝置系列，而且大體上完成了長(zhǎng)度量值溯源體系的基本建設(shè)。這些工作的開展為中國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和產(chǎn)品質(zhì)量的控制奠定了技術(shù)保障基礎(chǔ)。可以毫不夸張的說，這一切源自于633nm波長(zhǎng)基準(zhǔn)裝置的建立。目前我國(guó)現(xiàn)行有效的633nm國(guó)家長(zhǎng)度基準(zhǔn)和副基準(zhǔn)裝置共有3套，其中基準(zhǔn)裝置保存在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，副基準(zhǔn)裝置分別保存在中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院和中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所。3套裝置的運(yùn)行條件和相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)都應(yīng)滿足國(guó)際計(jì)量組織規(guī)定的技術(shù)要求，并且各自在不同的領(lǐng)域和地域履行長(zhǎng)度量值溯源的職責(zé)。國(guó)家長(zhǎng)度基準(zhǔn)和副基準(zhǔn)，擔(dān)負(fù)著統(tǒng)一全國(guó)長(zhǎng)度量值的大任，因此定期比對(duì)不僅是必要的，而且是必須的。然而，由于種種原因，自1983年新米定義開始實(shí)施以來，在三家單位的基準(zhǔn)或副基準(zhǔn)裝置之間，從未進(jìn)行過正式的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，成為國(guó)內(nèi)長(zhǎng)度量值溯源體系建設(shè)和實(shí)施過程中的一大缺憾，勢(shì)必危及長(zhǎng)度量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一。針對(duì)這種情況，受國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局的委托，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院于2006年在國(guó)內(nèi)組織了633nm 127I2穩(wěn)定激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)、副基準(zhǔn)的比對(duì)工作。比對(duì)實(shí)驗(yàn)的負(fù)責(zé)單位是全國(guó)幾何量長(zhǎng)度委員會(huì)，主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室是中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。參加比對(duì)實(shí)驗(yàn)單位的相關(guān)信息見表1。 表1  比對(duì)實(shí)驗(yàn)單位的相關(guān)信息 基準(zhǔn)或副基準(zhǔn)保管單位 聯(lián)系人 地址 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱計(jì)量院）/基準(zhǔn) 錢進(jìn) 電話：010-64211631-3320 傳真：010-64211631-3320 電子信箱：qianjin1000@yahoo.com.cn 通信地址：北京北三環(huán)東路18號(hào) 郵政編碼： 100013 中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱測(cè)試院）/副基準(zhǔn) 黃曉榮 電話：028-84404885 傳真：028-84404885 電子信箱： 通信地址：成都市玉雙路10號(hào) 郵政編碼：610021 中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱304所）/副基準(zhǔn) 張志權(quán) 電話：010-62457119 傳真：010-62462965 電子:zhangzhiquan0112@sina.com.cn 通信地址：北京1066信箱6分箱 郵政編碼：100095 表1中的三個(gè)單位，共有四套裝置參加了比對(duì)實(shí)驗(yàn)。其中計(jì)量院兩套，測(cè)試院和304所各一套。由于裝置技術(shù)條件和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件的限制，比對(duì)實(shí)驗(yàn)在北京和成都分三次進(jìn)行。比對(duì)時(shí)間等信息見表2。 表2  比對(duì)時(shí)間和地點(diǎn)安排 實(shí)驗(yàn)序號(hào) 基準(zhǔn)裝置編號(hào) 所屬單位 比對(duì)時(shí)間 比對(duì)地點(diǎn) 1 D1/NO.02 計(jì)量院/304所 06.03.02 -03.09 計(jì)量院 2 D1/C4 計(jì)量院/計(jì)量院 06.11.08 -11.14 計(jì)量院 3 C4/NIMTT-1 計(jì)量院/測(cè)試院 06.12.14-12.18 測(cè)試院 2.  實(shí)驗(yàn)條件 在此次實(shí)驗(yàn)中，參加比對(duì)的所有基準(zhǔn)裝置均采用三次諧波（以下簡(jiǎn)稱3f）鎖定技術(shù)將激光頻率穩(wěn)定到127I2分子吸收譜線的11-5帶R(127)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收分量上。按照要求，有關(guān)參數(shù)和運(yùn)行條件應(yīng)與CIPM所推薦的條件相一致，即 碘吸收室室壁溫度                                    （25±5）℃ 碘吸收室冷指溫度                                 （15.0±0.2）℃ 頻率調(diào)制寬度（峰-峰值）                          （6.0±0.3）MHz 諧振腔內(nèi)單程光束的光功率                           （10±5）mW 實(shí)際情況是，由于比對(duì)實(shí)驗(yàn)中基準(zhǔn)裝置（以下簡(jiǎn)稱激光系統(tǒng)）建立的年代和研制的單位不同，它們?cè)谙嚓P(guān)技術(shù)參數(shù)和組成的細(xì)節(jié)方面存在較大差異，其中的一些技術(shù)參數(shù)與上述要求有一定出入。為了使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，比對(duì)實(shí)驗(yàn)在實(shí)施過程中采取了比較靈活的做法。表3中列出了這些激光系統(tǒng)的主要工作參數(shù)。 表3  激光系統(tǒng)的主要工作參數(shù) 單位 激光 系統(tǒng) 腔長(zhǎng)/mm 腔鏡曲率半徑及透過率 碘室 調(diào)制頻率/kHz mm % mm* %* 長(zhǎng)度/mm 氣壓/Pa 計(jì)量院 D1 300 500 0.5 1000 1.3 100 400 1.04 計(jì)量院 C4 260 600 1.1 ? 1.8 90 400 1.04 304所 NO.02 230 600 0.4 ? 1.2 90 400 1.04 測(cè)試院 NIMTT-1 365 ― － ― ― 110 ― 0.406 *為碘室一側(cè)的反射鏡的參數(shù) 3.        測(cè)量原理和測(cè)量方法 當(dāng)參考激光和被測(cè)激光的頻率相近、兩束光波前重合，且彼此間光的振動(dòng)方向不完全垂直時(shí)，即形成拍。對(duì)兩束光的頻率差進(jìn)行的測(cè)量，得到的頻率值即是拍頻值。其中，三次比對(duì)實(shí)驗(yàn)中的參考激光分別為D1和C4，輻射激光的頻率值由國(guó)際比對(duì)確定，由此可以得到被測(cè)激光的頻率值。 測(cè)量實(shí)驗(yàn)的原理和裝置如圖1所示。激光波長(zhǎng)拍頻測(cè)量系統(tǒng)主要由相應(yīng)的光學(xué)元器件、寬帶前置光電放大器、頻率計(jì)數(shù)器、頻譜分析儀以及計(jì)算機(jī)軟硬件等組成。其頻率響應(yīng)范圍：0.1 MHz＜ f ＜ 1.5 GHz，能夠完成激光頻率的阿倫方差和對(duì)應(yīng)真空波長(zhǎng)的測(cè)量等功能。 圖1. 拍頻測(cè)量原理 4.        實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 4.1 頻率穩(wěn)定度測(cè)量                                        參照?qǐng)D1所示測(cè)量原理，對(duì)激光系統(tǒng)進(jìn)行了頻率穩(wěn)定度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。由于每次頻率穩(wěn)定度測(cè)量需要3小時(shí)以上，所以這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)安排在中午或晚上進(jìn)行。 測(cè)量結(jié)果分別用取樣時(shí)間為0.1s、1s、10s、100s和1000s的阿倫方差表示。 4.2 頻差測(cè)量 對(duì)127I2分子吸收譜線的11-5帶R(127)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收分量，有關(guān)國(guó)際組織共推薦了20條譜線，其中常用的是d、e、f、g、h、i、j七個(gè)分量，此次比對(duì)只涉及其中的前四個(gè)分量。為了得到每?jī)蓚€(gè)激光系統(tǒng)之間的平均頻差值和它的變化情況，采取4階矩陣測(cè)量的方式。 圖2. 被測(cè)量的矩陣元素示意圖 測(cè)量矩陣如圖2所示。每個(gè)矩陣元代表兩個(gè)激光系統(tǒng)不同分量之間的頻差。依據(jù)矩陣中各元素的排列順序，依次將參與拍頻的激光系統(tǒng)的頻率鎖定在對(duì)應(yīng)的吸收峰上。測(cè)量時(shí)，每個(gè)拍頻測(cè)量值讀數(shù)的取樣時(shí)間為10秒，取五次讀數(shù)的平均值作為一個(gè)矩陣元，由此直到求得每個(gè)矩陣元。測(cè)量中為了避免零拍現(xiàn)象，位于主對(duì)角線上的元素Mdd 、Mee 、Mff 、Mgg不在所測(cè)之列。根據(jù)矩陣元的測(cè)量結(jié)果，由公式（1）可求得兩個(gè)激光系統(tǒng)之間的平均頻差值為                              （1） 式中，當(dāng)i = j時(shí)，令Mij = 0；其標(biāo)準(zhǔn)偏差可由貝塞爾公式得到。 4.3 實(shí)驗(yàn)安排 比對(duì)實(shí)驗(yàn)共計(jì)為15天，先后在北京和成都完成。D1與C4和NO.02的比對(duì)在北京中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行，C4和 NIMTT-1的比對(duì)在成都中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院進(jìn)行。分別以D1和C4作為參考激光，NO. 02和NIMTT-1作為被測(cè)激光。比對(duì)過程中，除了對(duì)相關(guān)激光系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度和平均頻差進(jìn)行測(cè)量外，還對(duì)影響光頻絕對(duì)值的功率位移和調(diào)制位移參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)。其中每?jī)蓚€(gè)激光系統(tǒng)之間的平均頻差測(cè)量每天完成2組，上、下午各進(jìn)行一次。 作為參考激光的D1，其光頻的絕對(duì)值源于BIPM組織的國(guó)際比對(duì)[4]。 5.        比對(duì)結(jié)果 5.1  頻率穩(wěn)定度 穩(wěn)定激光的頻率穩(wěn)定度用阿倫方差進(jìn)行評(píng)估。阿倫方差的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：                              （2） 式中：s   —相對(duì)頻率穩(wěn)定度；      n   —總的測(cè)量次數(shù)；                f  —在測(cè)量時(shí)間內(nèi)的平均頻率； Dfi   —一定采樣時(shí)間內(nèi)，兩臺(tái)比對(duì)激光在第i次測(cè)量時(shí)的平均頻差。 根據(jù)拍頻測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別選取采樣時(shí)間為0.1秒、1秒、10秒、100秒和1000秒，得到的不同采樣時(shí)間的頻率穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果見表4。 表4  不同采樣時(shí)間的頻率穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果 激光系統(tǒng) 0.1s 1s 10s 100s 1000s D1/C4 2.7×10-11 7.7×10-12 2.4×10-12 7.8×10-13 2.5×10-13 D1/NO.02 3.3×10-11 1.1×10-11 3.4×10-12 1.1×10-12 3.6×10-13 C4/NIMTT-1 2.2×10-10 4.2×10-11 1.2×10-11 4.9×10-12 2.5×10-12 5.2  位移參數(shù)測(cè)量 對(duì)于一個(gè)碘穩(wěn)定的He-Ne激光系統(tǒng)而言，激光頻率的調(diào)制寬度、碘室的冷指溫度以及腔內(nèi)單程功率的改變都會(huì)引起輸出激光頻率的變化。這三個(gè)參數(shù)分別被稱為調(diào)制位移參數(shù)、溫度位移參數(shù)和功率位移參數(shù)。位移參數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)就是為了確定這些參數(shù)而設(shè)置的。本次比對(duì)未進(jìn)行溫度位移參數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。 位移參數(shù)的測(cè)量原理及基本過程與平均頻差測(cè)量類似。不同的是，在測(cè)量過程中需要通過相關(guān)參數(shù)的改變，得到被測(cè)激光的頻率變化。將二者的變化量進(jìn)行比較，就可確定該位移參數(shù)。 以調(diào)制位移參數(shù)測(cè)量為例，按圖1所示原理調(diào)整光路，其中激光系統(tǒng)A作為參考激光，激光系統(tǒng)B作為被測(cè)激光。前者的各項(xiàng)參數(shù)固定不變，依次選擇后者的調(diào)制寬度為4MHz、5MHz、6MHz、7MHz和8MHz，按照與上述頻差測(cè)量完全相同方法和步驟，得到對(duì)應(yīng)于不同調(diào)制寬度的平均頻差。將頻差的變化量與調(diào)制寬度的變化量進(jìn)行比較，最終得到被測(cè)激光系統(tǒng)的調(diào)制位移參數(shù)。測(cè)量結(jié)果見表5。 表5  激光系統(tǒng)位移參數(shù)            激光系統(tǒng) 位移參數(shù) D1 C4 NO.02 NIMTT-1 溫度位移(kHz/K) -11.39 ― — ― 調(diào)制位移(kHz/MHzP-P) -8.55 -8.89 -7.4 ― 功率位移(kHz/mW) -0.20 -0.15 -0.10 ― 因?yàn)镹IMTT-1的調(diào)制信號(hào)寬度和冷指溫度均不可調(diào)并且輸出激光功率只有15μW，未對(duì)其進(jìn)行上述位移參數(shù)的測(cè)量。 5.3  激光系統(tǒng)間的平均頻差及其標(biāo)準(zhǔn)偏差 為了考察激光系統(tǒng)的光頻復(fù)現(xiàn)性，頻差測(cè)量實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行5天。由于NIMTT-1激光輸出功率偏小，系統(tǒng)鎖定困難，實(shí)驗(yàn)中其調(diào)制信號(hào)寬度設(shè)定為10MHz左右。并且，由于該激光系統(tǒng)的碘室冷指的控溫環(huán)節(jié)采用被動(dòng)控溫的方式，溫度變化范圍較大，與國(guó)際推薦條件有一定出入。除此之外，其他激光系統(tǒng)的運(yùn)行條件均符合國(guó)際推薦條件的要求。測(cè)量結(jié)果見表6。 表6  激光系統(tǒng)之間的平均頻差（fA - fB）及其標(biāo)準(zhǔn)偏差σ           單位kHz fA- fB D1（A） NIMTT-1（A） C4(B) -7.4 σ=1.7 11.3 σ=4.6 NO.02(B) -4.8 σ=1.6 ---- ---- 表中所列平均頻差及其標(biāo)準(zhǔn)偏差結(jié)果由10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值得到。表中數(shù)據(jù)欄的第1行為平均頻差值（單位kHz）；第2行為平均頻差的標(biāo)準(zhǔn)偏差（單位kHz）。 根據(jù)D1與國(guó)際計(jì)量局的飛秒光梳裝置BIPMC1得到絕對(duì)頻率比推薦值低8.9kHz的頻差關(guān)系[4]，得出各個(gè)激光系統(tǒng)與國(guó)際計(jì)量局比推薦值的頻差值結(jié)果表7所示。 表7  各激光系統(tǒng)頻差的最終比對(duì)結(jié)果 激光器 D1 C4 NO.02 NIMTT-1 Df＝測(cè)量結(jié)果－推薦值 s -8.9kHz 1.9 kHz －1.5kHz 1.7 kHz -4.1 kHz 1.6 kHz ＋9.8kHz 4.6 kHz 6.        結(jié)論 在15天內(nèi)，共進(jìn)行了30次平均頻差的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。圖3是根據(jù)平均頻差測(cè)量的原始數(shù)據(jù)繪制的折線圖，橫坐標(biāo)表示測(cè)量實(shí)驗(yàn)先后順序的序列號(hào)，縱坐標(biāo)為激光系統(tǒng)輸出激光頻率與國(guó)際推薦頻率值的差值。 圖3. 以國(guó)際推薦值為參考，各激光系統(tǒng)輸出激光頻率的測(cè)量結(jié)果。因D1輸出激光的頻率值直接溯源于國(guó)際計(jì)量局，圖中未列出。 圖3顯示，。參加比對(duì)的激光系統(tǒng)，C4和NO.02，其輸出激光頻率的不確定度范圍在5×10-11之內(nèi)。在多數(shù)情況下，激光系統(tǒng)NIMTT-1也能滿足此項(xiàng)要求。綜合上述情況可以得出如下結(jié)論，參加比對(duì)的激光系統(tǒng)的總體不確定度水平在5.0×10-11范圍內(nèi)。 由比對(duì)結(jié)果，各裝置激光輻射平均頻率相對(duì)國(guó)際推薦值的分布如圖4所示。目前，被測(cè)激光器最高相對(duì)擴(kuò)展不確定度為5×10-10（k=2）[5]。因此，現(xiàn)有的國(guó)家長(zhǎng)度基準(zhǔn)、副基準(zhǔn)裝置在量值的準(zhǔn)確度方面，可以勝任統(tǒng)一全國(guó)長(zhǎng)度量值的工作。 相比較而言，NIMTT-1無論是在單次測(cè)量的發(fā)散性上，還是在不同天數(shù)的測(cè) 圖4.  各激光系統(tǒng)相對(duì)國(guó)際推薦值的比對(duì)結(jié)果 量數(shù)據(jù)的變化量上都比其它激光系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的不確定性大得多。這在一定程度上反映了該系統(tǒng)存在的問題。事實(shí)上，由于NIMTT-1的若干技術(shù)參數(shù)，比如，輸出激光功率、冷指溫度和調(diào)制寬度等在比對(duì)實(shí)驗(yàn)中不能得到有效控制，出現(xiàn)上述情況也是十分正常的。綜上所述，NIMTT-1與其它參加比對(duì)的激光系統(tǒng)在技術(shù)性能上存在的差距比較突出，這種差距從表4中所示的頻率穩(wěn)定度的測(cè)量結(jié)果也能明顯看到。 7.  感謝 此次比對(duì)實(shí)驗(yàn)從準(zhǔn)備到完成歷時(shí)一年，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。其間得到了各部門領(lǐng)導(dǎo)和同志們以及全國(guó)幾何量長(zhǎng)度計(jì)量技術(shù)委員會(huì)的大力支持，同時(shí)，在很多方面也得到了參加比對(duì)單位領(lǐng)導(dǎo)的幫助和關(guān)心，在此謹(jǐn)表謝意。 參考文獻(xiàn)： [1]  Documents Concerning the New Definition of the Meter, Metrologia, 19 (1984) 163. 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