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1、第一章 光波长和频率的测量和复现第1节长度单位“米”的定义一米定义1983年第17届国际计量大会上正式通过了新的米定义 新的米定义为“米是光在真空中1299 792 458秒 时间间隔内所经路程的长度”二米定义的复现实现米定义的途径新的米定义将两个基本物理量长度与时间利用定义的基本 物理常数真空光速值结合了起来这样长度测量便可通 过精度很高的时间测量来实现波长测量也可通过涉率测 量来实现国际计量大会在通过新的米定义的同时通过 了实现米定义的三个途径1利用光在真空中的飞行时间测量长度飞行时间法 只要精确测出光在真空中行进的时间t就可利用关系式l=ct求 出长度l,式中c是已定义的真空光速值c=2
2、99 792 458m/s在天 文与大地测量中飞行时间早已普遍采用2用频率为 f 的平面电磁波的真空波长来复现米真空波 长法这个波长是通过测量平面电磁波的频率f然后应用 关系式 c/f得到的用真空波长法复现米在实际使用中仍 可应用传统的光波干涉法3直接应用CCDM推荐的几种稳频激光器的频率值与波长 值1982年第7届国际米定义咨询委会CCDM推荐了五种 稳频激光器的频率波长值1992年第8届CCDM总结了稳频激光技术的进步改善了五种 稳频激光辐射标准谱线的标准不确定度并根据发展需要又增 加了三种新型稳频激光辐射谱线作为复现米定义的标准辐射谱 线这八种稳频激光器是甲烷稳频3.39 氦氖激光器碘稳
3、频576nm染料激光器碘稳频633nm氦氖激光器碘稳频612nm氦氖激光器碘稳频515nm氩离子激光器碘稳频543nm氦氖激光器碘稳频640nm氦氖激光器碘稳频640nm氦氖激光器钙束稳频657nm染料激光器碘稳频640nm氦氛激光器的标准辐射是由中国计量科学 研究院首创和申报的我国在长度基准研究领域已跨入 世界先进行列利用上述三种途径实现米定义必须进行以下三个影响因素 的修正1折射率的修正在地球表面按新米定义测量长度时 光总是在一定的气压下行进的并非真空条件所以必须进 行折射率的修正修正量在107数量级范围内2衍射效应的修正实现米定义的三种途径都是利用 光波建立在平面磁波exp i(kz-w
4、t) 的基础上但是在实际工作中光波总是受到光学元件几 何尺寸的限制即没有exp i(kz-wt)这样的平面电磁波所 以要进行衍射修正修正量在109范围内3引力场效应修正新的米定义仅适用于没有引力场的 空间或在恒定的引力场空间但是这样的空间是难找到的 所以要进行引力场或相对论效应的修正实验证明修正量 小于1012采用饱和吸收稳频激光辐射的优点稳频装置结构紧凑可以搬运并且可以得到较满意的 频率稳定度和复现性第2节 饱和吸收激光稳频最常用的方法是将激光频率稳定到输出功率曲线的兰姆凹 陷中心或利用外界参考作频率标准而进行稳频例如利用内 外吸收室作为外界参与频率的装置与前者相比后者虽然较 复杂一些但可以
5、得到较高的频率稳定度和复现性一饱和吸收稳频原理一吸收峰的形成饱和吸收稳频一般均采用分子气体的吸收线作参考频率 当将吸收室置于激光驻波场中时由于吸收曲线上的烧孔效应 在激光频率调谐到吸收线中心频率附近时吸收将会变小而 在激光输出功率曲线上呈现一功率的突然增加通常称为吸收 峰由于出现吸收峰的原理类似于增益管中出现的兰姆凹陷 但方向相反故也称为“反兰姆凹陷”吸收峰的形成图中曲线a为无吸收室时的增益曲线曲线b为吸收室的吸收曲 线其中央部分也出现兰姆凹陷曲线c为两者的叠加即腔内 存在吸收室时的总增益曲线采用分子气体吸收线作为参考频率的优点是当吸收能 级为基态时吸收室不用放电基态的原子能寿命较长因 此自然
6、宽度小吸收系数大可以采用低压吸收气体而减 小压力加宽这些都有利用产生带宽很窄的吸收峰以得到 较高的频率稳定度迄今为止可以采用的饱各吸收稳频并不很多碘是最常用的吸收分子127I2分子在500650nm波段内 约50000条强吸收线并且每一条谱线都有15或21个超精 细结构分量它们分布在约900MHz的宽度时其同位素 129I2分子也有几乎同样多的谱线但因核自旋不同而有不 同的超精细结构因此几乎在这一波段内的任何激光 辐射只要其频率可在约1GHz范围内调谐都可能与几 个碘超精细分量相重合CCDM推荐的五种激光波长标 准中有四种是采用磺吸收室进行稳频的此外用碘 稳定的640nm氦氖激光器也能给出很好
7、的频率稳定度和复 现性也可采用其它分子的吸收线例如甲烷稳定的3.39 um氦氖激光器饱和吸收稳频的原理与兰姆凹陷稳频类似都是将 激光频率稳定到输出功率调谐典线的极大值或极小值上 即该曲线的一阶数为零之点二稳频的一般原理利用激光输出功率曲线的稳频原理图激光稳频原理的方框图三饱和吸收稳频的三次谐波锁定对于饱和吸收稳频通常吸收线和增益线中心频率并不 完全重合吸收峰将叠加在一倾斜的功率背景曲线上这将 使吸收峰的顶点偏离吸收线中心频率而使激光频率复现性变 差三次谐波稳频伺服装置框图特点用基频f调制激光而相敏检波则在频率3f下工作第3节分子饱和吸收谱线稳定的氦氖激光系统一碘稳频612nm633nm640n
8、m激光系统的组成中国计量科学研究院腔内吸收室碘稳频612nm激光系统原理图二激光腔设计1激光腔内放置色散棱镜对3s2-2p态跃迁波长进行选 择从而获得612nm的振荡谱线2激光增益管较长以便得到612nm谱线振荡所必需的 腔内功率3选用近共焦腔腔长L550mm反射镜曲率半径R1 R21000m以便减小衍射损耗提高腔输出功率4选用高反射率的反射镜以获得最大吸收峰值三稳频技术保证有良好的隔声防震温度稳定等条件采用性能优良的伺服控制装置该系统采用三次谐波3f 锁定技术由中国计量科学研究院研制的碘稳频612nm激光器的稳定性 达到51012复现性为21011碘稳频640nm氦氖激光器的标准辐射是我国首
9、创和申报 的中华人民共和国国家技术监督局按照中华人民共和国计 量法于1986年正式批准碘127稳频640nm激光器的波长频率 值为实现米定义的国家基准并给中国计量科学研究院颁发 了基准证书第4节偏频锁定技术及其激光光谱仪虽然饱和吸收稳频激光器具有很高的频率稳定度和复现性 但由于其输出功率低并且激光辐射中存在频率调制因而 限制了饱和吸收稳频激光的作用采用偏频锁定技术可以消除这两个缺点将一台输出功率较大的无吸收室的激光器作本机振荡器 其频率偏置锁定到一台饱和吸收稳频激光器上由于跟踪准 确度提高于饱和吸收稳频激光的频率稳定度因此本机振 荡激光的频率稳定度与饱和吸收稳频激光几乎相同实际应用中往往就是本
10、机振荡激光来代替饱和吸收稳频激 光一激光的偏频锁定技术甲烷稳频激光的偏频锁定装置的方框图二偏频锁定激光光谱仪计算机控制的612nm偏频锁定激光光谱仪该光谱仪由两台几乎相同的激光系统构成一套是作为频 率标准的参考激光器其频率稳定到磺分子的某一超精细结 构的分量上另一套激光器则通过与参考激光器相拍而被偏 频锁定差频信号在一平衡混频器内与一来自程序控制的频 率综合器的信号相混混频器的输出用来控制612nm偏频激 池的频率其频率的调谐是由程序控制的频率综合器来完成 的偏置频率用频率计测量并用数字显示第5节 激光频率稳定度的测量一激光频率稳定度的表示二拍频法测量激光频率稳定度拍频方法是稳频激光研究中常用
11、的一种测量技术通过 测量两台频率相近的激光器的差拍频率及其随时间的变化 不仅可以得到两者的差频还可以计算出阿仑方差表示的激 光频率稳定度对于激光频率稳定度的测量来说拍频方法也是最有效 的方法在研究甲烷或碘稳频激光器的频率稳定度时往往 无法找到频率稳定度远高于被测激光的标准激光器这时 常采用两台相同的装置进行测量若两台激光器可以看作有 相同的频率稳定度则将所得差频的阿仑方差除以2即得每台 激光器的频率稳定度甲烷稳频激光器频率稳定度的拍频测量装置三利用鉴频典线测量激光频率漂移在用阿仑方差表示激光频率稳定时由于测量时间的限制 它不能反映出较长周期的频率变化例如需要十几分钟或几 十分钟才能显现的频率慢
12、漂移激光频率漂移可以用拍频方法观 测差频值的变化得到也可以利用鉴频曲线即S曲线进行 测量先将稳频控制系统开环在控制腔长的电压陶瓷上加一锯 齿波电压由于腔长的周期性调谐利用记录仪可以得到一个 个的输出功率线形此时压电陶瓷上仍加有调制信号因此 相敏检波器的输出呈现周期性的变化相敏检波的输出正比于 输出功率曲线上对应点的斜率即它是输出功率曲线的一阶 导数曲线也称为鉴频曲线由于其形状有如字母“S”故也 称S曲线激光的输出功率曲线及其鉴频曲线根据已知的纵模频率间隔可由谐振腔长计算出可以 得到横坐标的格值即每格对应的频率间隔利用鉴频曲线 直线段的斜率由横坐标的格值可以换算出纵坐标的格值 即相敏检波器的输出
13、信号每漂移一格所对应的频率漂移量 因此只要在闭环时记录相敏检波器输出信号的变化大小 根据纵坐标的格值就可以得到数光频率的漂移由于记录 仪的时间常数一般较大这种方法不能给出频率的快变化激光波长测量波长和频率是稳频激光辐射的两个主要参数两者是通 过真空中的光速直相联系从原则上说波长测量和频率测量是等效的但实际上 无论从测量所适用的波段范围和测量不确定度影响测量不 确定度的主要因素以及测量装置等方面来说两者相差均 甚大一用迈克尔逊扫描干涉仪测量波长一干涉条纹符合法的测量原理若此对的两种激光的真空波长分别为1和2则在干 涉测量中对于同一光程差有22221111/)(/)(nmnm+=+式中 m1m2
14、两种波长的干涉级次整数部分12两种波长相应的干涉级次小数部分n1n2 对应于两种波长的空气折射率若测量在真空中进行n1n21如果干涉仪的程差刚好使120即两波长干涉级次的小数部分均为零则 有下述简单关系1221/mm=即两波长真空波长之比等于其相应的的干涉级次之比的倒数在迈克尔逊干涉仪中若使一块反射镜连续移动则接收 器接收到的光强度即干涉条纹信号是光程差的正弦函数 当两束激光1和2同时射入干涉仪时用两个接收器分别接收 两组干涉条纹信号经过电子学处理后分别得到两组脉冲每 个脉冲都对应于正弦信号的负向过零点为使测量简化设法 使120因此选择两组脉冲正好重合时开始计数两 组干涉条纹在反射镜移动一定距
15、离例如1米以后直到两 组脉冲再次重合时终止计数这样便可由计数器得到分别对应 于两种激光的整数干涉级次m1和m2上式式即可得到两种激光 的波长比用扫描迈克尔逊干涉仪测量激光波长比的光学系统图用扫描迈克尔逊干涉仪测量激光波长比的测量装置方框图整个测量装置方框图它包括光源光束重合及准直系统 扫描迈克尔逊干涉仪会聚接收系统测量及校验装置计 数和逻辑控制等部分附加的还有真空系统及拖动部分二用频率锁定干涉仪测量激光波长一平面FP干涉仪F-P干涉仪光学系统激光和干涉仪的伺服控制系统二球面谐振腔干涉仪干涉比较原理示如图作为本机振铴器的3.39um高功率 He-Ne激光的频率通过偏频锁定系统与甲烷稳频激光相联
16、系本机振荡器的输出与谐振腔干涉仪相匹配干涉仪的 长度被锁定到红外透射峰极大值上可见633nm本机振荡 器的输出模也与谐振腔模相匹配并且其频率被锁下到 干涉透射极大值的位置最后被测的量是它与碘稳定激光 间的拍频球面谐振腔干涉仪的伺服控制系统绝对频率测量由于光频高达1014Hz量级直接测量光频过去一直无法解 决随着接收器的改进自1967年以来激光频率的绝对 测量技术有了飞速的发展1973年NBS发表了测量甲烷稳定3.39激光谱线的绝对频突 破随后英法原苏联德等国也实现了激光频率绝对测量 并将甲烷稳定激光谱线的频率测量准确度提高到23 10111982年NBS将测频范围扩展到可见光波段测量了633nm 碘稳定氦氖激光和576nm磺稳定染料激光的频率值其准确 度达1.610101993年法国计量局发表测量633nm激光频率准确度达110 11测量激光频率fL的最简单的方案是将已知微波频率fm用混 频器直接进行差拍fL的值可以用测量差拍f及其符号和谐波 阶次n来计算微波频率fM可由速调管产生速调管是工作频率为微波段 的可调谐
