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1、56 文化篇 科普长廊 长度单位米的两代量子基准比较 口广东计量协会 刘胜松 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一86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f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a=644nm为标准对国际米原 器进行了测定，、 1895年在第二届国际计
2、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 15531635个波长并有可能应用这 一数学关系定义长度单位米 这是用氪一86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 才确立了氪一86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
3、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 中国计量China Metrology 2010 10 氪-86光 谱灯的发光原 理是量子的自 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。 氪一86光谱灯 以通电方式人 为地使氪一86原予处于高能级( ) 的粒子数(2)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(E )上的粒子数(1)， NIN2
4、，)。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 科普长廊 文化篇 物质氦和氖按一定的气压比(5：1至 10：
5、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、2SflgN-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、2Pg级上积累的粒子数多(N2 1)，能够实-g3S对3P、2Pg91的“粒 子数反转” 氖原子能级3S一3P 3S一2P跃迁时
6、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 二、谱线宽度 科学上采用光的波长分布区间 来评价光色的单色性 某一辐射的 波长分布区间越窄单色性就越好 太阳光的波长覆盖到紫外至红外整 个波段所以太阳光在我们看来是 一种白光，谈不上单色性。牛顿于 1666年进行白光色散成七彩光带的 实验1,-411开始认识到太阳光是由 红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组 成的 但是这七种光并不是纯单色 光以白光为例它的波长范围是 (630760)nm 谱线宽度A： 130nm实际上是一段色带 氪一86光波长度基准发出的辐 射，波长为606n
7、m，是橙红色光其 谱线宽度AA=095x104nm 与同类 光谱灯氢灯、镉一144灯、汞灯相比 氪一86灯发出的辐射单色性最好 被誉为单色性之冠 氦氖激光器 输出的633nm红 光谱线宽度 A=210-9nm 约为氪一86光谱 灯的五万分之 一，也就是说，氦 氖激光器的 633nm红光比 氖一86的橙红光 的单色性好5万倍 用光源的单色光通过干涉仪来 测量长度时最大相干长度与谱线 宽度成反比 为了获得较长距离的 精密测量谱线宽度越窄越好 氪一 86光谱灯最大相干长度为039m检 定1支lm长的标准尺要分几段来 进行 633nm氦氖激光器以其特有 的窄谱线宽度用来检定lm长的标 准尺其相干长度就
8、显得绰绰有余， 从而大大提高了工作效率 三、特定波长 在氪一86光波长度基准中用 来复现长度单位米的光波波长界定 为“氪-86原子的2P。和5d5能级之 间所对应的辐射”波长A=606nm 这是特定元素(氪一86同位素)特定 能级(2Pl05d5)之间跃迁所对应的 波长我们称为特定波长 从两个特 定来看，这种波长是唯一的。 在633nm激光波长基准中用 来复现长度单位米的波长是由特定 频率关系A= 确定的这表明这种 1- 波长不是唯一的。1997年，国际计量 委员会向世界各国推荐了12种频率 稳定的激光辐射用于米定义的复 现，其中碘稳频633nm氦氖激光辐 射是用途最广、影响最大、作用最突 出
9、的激光谱线 我国也选其为国家 基准 与基本物理常数相联系的量子 基准最大的优越性就是：把光速c 固定下来波长值的测量准确度随 着频率v的测量准确度的提高而提 高这就可以极大地提高波长的复 现准确度 我们用计量技术的发展 加以证明 1973年美国国家标准与技术 研究院测量甲烷频率时准确度 为610 1982年美国国家标准与技术 研究院测定633nm碘稳定的激光频 率时，准确度为210 。 1997年国际计量委员会公布 的碘稳频633nm氦氖激光辐射的不 确定度为25x10 2004年我国启用激光冷却一铯 原子喷泉时间频率基准(第三代铯原 子钟)，频率准确度达到5x10 ，相当 于600万年不差1
10、秒达到世界先进 水平。 633nm碘稳定的氦氖激光对应 于氖原子能级3s_+2P之间的跃迁也 是特定元素(氖的同位素)和特定能 级之间的跃迁有很好的复现准确 度按理也可以作为新米定义的基 础。可是从普适性来讲由特定频率 关系确定的波长A= 就不受限于 王， 某一种元素、某一特定能级之间的跃 迁。这就打破了唯一性的局限，而具 有普遍l,t同时也体现了“矛盾的特 殊性寓于矛盾的普遍性之中” 201 01 0中国计量China Metrology 57 58 文化篇 科普长廊 四、创新 任何一个量子基准其研制过 程都有一系列的创新作支撑否则 无法投入运行 氪一86基准研制中的创新是对 镉红线而言的，
11、、 过去采用的镉是一种天然元 素往往是自然混合的同位素组合 成分比较复杂因此镉红线的谱线 宽度较窄 此外具有核自旋的原子 核，由于存在超精细结构，引起能级 分裂无法保证所需的谱线宽度。通 过比较研究在技术上进行创新采 用无核自旋的单一同位素氪一86作 为光源 这样氪一86光谱灯的谱线 成了同类光源的单色之冠复现准 确度达到+4x10-9 采用同样办法经过改进的 镉一144灯成为1983年国际计量委员 会推荐的五种饱和吸收稳定激光的 辐射外的三种光谱灯之一 激光新技术是由量子论催生 的本身就是一项重大的创新。将激 光技术应用于建立量子基准又进 行了许多创新其中最主要的有激 光频率的稳定、激光频率
12、的测量两 项。 首先是解决激光器作为光源输 出的波长的稳定问题 为此采用各 种不同的稳频措施 633nm氦氖激 光基准采用的是碘稳定频的氦氖激 光其要点是在谐振腔中放置碘低 中国计量China Metmlogy 201010 压吸收室 其次从A： 可知要提高波长 的复现准确度必 须不断提高频率 测量的准确度 这 就要在频率测量 上下工夫。由于激 光频率为I(W量级 与铯原子基准频率相差104倍无法 直接用通常的电子技术来完成对激 光频率的测量 必须采用逐级倍频 的办法建立起从微波区域的铯基 准到可见激光之间的频率测量链 以前这种装置很复杂且规模庞大 又一项创新成果“飞秒光 梳技术”解决了这一难
13、题 2006年 我国“飞秒激光光学频率梳”的研究 顺利通过鉴定委员会专家的鉴定 该成果成功将我国633nm氦氖国家 激光波长基准的频率直接溯源到国 家激光冷却一铯原子喷泉时间频率 基准通过飞秒光梳技术使微波频 率与光学频率得到链接实现了激 光频率的直接绝对测量 五、量子基准之间的联系 实物基准都是独立运行的相 互之间没有直接的联系 氪一86基 准和铯原子量子基准也是独立运行 的。 米的第二代量子基准由于采用 由特定频率关系确定的波长作为标 准因此为了准确测量频率就建立 了与铯原子量子基准的溯源关系 这就打破了计量基准独立运行的格 局建立了量子基准之间的联系。 六、服务 氪一86光谱灯是建立在自
14、发跃 迁基础上的普通光源而氦氖激光 器是建立在受激光辐射基础上的 特殊光源 两者相比氦氖激光辐 射的强度高、光电信号的信噪比 好、谱线宽度窄 由此可测的程差 很长可以获得很高的条纹衬度并 可直接对条纹进行光电计数 总的 来说氦氖激光基准的复现准确度 高(2510 )、自动化程度高、运行 效率高能够为量值传递提供高水 平、高质量的服务 这是氪一86基准 无法比拟的 633nm碘吸收稳频的氦氖激光 器已制成使用方便的小型装置复 现长度单位米的国际标准波长之 一已用于集成电路的线宽测量。如 德国物理技术研究院将碘稳频 633nm氦氖激光用于超大规模集成 电路的研制和生产过程控制 因为 这种电路要求在
15、lmm 面积上集成几 十万个以上的元件线条宽度只有 1txm形状和位置公差小5-0051*m。 没有高精度的稳频激光测长系统 和定位系统要研制和生产这类集 成电路是不可能的 我国也直接利用碘稳频激光器 输出的标准波长检测和控制高精密 丝杠的生产 这是当代最先进的科学技术转 化为生产力、进入产业应用的重要 课题 当年深藏于象牙塔内“唯我独 尊”的基准，脱胎换骨、轻装上阵，走 出实验室 米的第二代量子基准打 开了直接服务于基层、服务于生产 的新局面 通过长度单位米的两代量子基 准的比较我们认识到以米的第二 代量子基准为代表的新一代量子基 准的特点：基于量子物理学的规律， 设法把计量基本单位的定义与一些 基本物理常数联系起来 通过测量 频率来复现基本单位的量值 实践 证明这对于满足新的要求、大幅度 提高复现准确度是行之有效的。四
