633nm激光波長基準/副基準
比對報告
中國計量科學研究院（100013）
中國測試技術研究院（610021）
中國第一航空集團公司第304研究所（100095）
2007.3.23 北京
1 概述
1983年, 國際計量委員會（CIPM）推薦將碘穩定的633nm He-Ne激光輻射波長作為復現米定義的標準[1]。此后，根據國際上各實驗室的研究和測量結果，1992年CIPM更嚴格地規定了激光系統的運行條件和主要技術參數，同時重新給出了其頻率值、波長值及其不確定度標準[2]。在此基礎上，2001年，CIPM向世界各國推薦了現行的技術參數和運行條件[3]。
長度單位米是SI單位制中7個基本單位之一，也是較早以自然基準的方式復現的基本單位之一。在國際計量組織推薦的復現米定義的若干標準譜線中，碘穩定的633nm激光波長標準是目前世界上實用性最強、影響面最大、應用面最廣、最受重視的長度基準。碘穩定激光系統的制作工藝特殊，裝置組成較為復雜，即使是基本滿足CIPM推薦的技術參數和運行條件，也不能完全保證達到國際頻率（波長）值的不確定度標準。所以，不同國家的基準裝置之間需要定期進行比對實驗，確定不同裝置間的系統偏差以及造成偏差的技術原因，以保證國際間的長度量值的準確和統一。
自1983年新米定義實施以來，在世界范圍內，圍繞633nm激光波長基準裝置的復現數據，在國際計量局和地區計量組織的倡導和組織下，各國或地區之間已經進行了無數次的多邊或雙邊比對。通過比對實驗，一方面保證了各國或地區之間的長度量值的準確和統一，為世界各國的工業標準化進程提供了有力的技術保障；另一方面也極大地促進了參加比對的國家和地區的計量技術水平的提高。在過去20多年的時間里，中國計量科學研究院就曾經代表中國多次參加這種比對實驗。通過比對，不僅對外展示了中國長度計量基準的技術水平，而且利用比對期間與國外同行面對面的技術交流機會，促進了國內長度基準裝置技術水平的提高。
中國是較早開展碘穩定633nm He-Ne激光波長基準裝置研究和應用的國家之一。經過近30年的不懈努力，不僅研制并建立了波長基標準裝置系列，而且大體上完成了長度量值溯源體系的基本建設。這些工作的開展為中國的國民經濟建設和產品質量的控制奠定了技術保障基礎。可以毫不夸張的說，這一切源自于633nm波長基準裝置的建立。目前我國現行有效的633nm國家長度基準和副基準裝置共有3套，其中基準裝置保存在中國計量科學研究院，副基準裝置分別保存在中國測試技術研究院和中國航空工業第一集團公司北京長城計量測試技術研究所。3套裝置的運行條件和相關的參數指標都應滿足國際計量組織規定的技術要求，并且各自在不同的領域和地域履行長度量值溯源的職責。國家長度基準和副基準，擔負著統一全國長度量值的大任，因此定期比對不僅是必要的，而且是必須的。然而，由于種種原因，自1983年新米定義開始實施以來，在三家單位的基準或副基準裝置之間，從未進行過正式的比對實驗，成為國內長度量值溯源體系建設和實施過程中的一大缺憾，勢必危及長度量值的準確和統一。針對這種情況，受國家質量監督檢驗檢疫總局的委托，中國計量科學研究院于2006年在國內組織了633nm 127I2穩定激光波長基準、副基準的比對工作。比對實驗的負責單位是全國幾何量長度委員會，主導實驗室是中國計量科學研究院。參加比對實驗單位的相關信息見表1。
表1 比對實驗單位的相關信息
基準或副基準保管單位 | 聯系人 | 地址 |
| 中國計量科學研究院（以下簡稱計量院）/基準 | 錢進 | 電話：010-64211631-3320 傳真：010-64211631-3320 電子信箱：qianjin1000@yahoo.com.cn 通信地址：北京北三環東路18號 郵政編碼： 100013 |
| 中國測試技術研究院（以下簡稱測試院）/副基準 | 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 郵政編碼：610021 |
| 中國航空工業第一集團公司北京長城計量測試技術研究所（以下簡稱304所）/副基準 | 張志權 | 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2 比對時間和地點安排
實驗序號 | 基準裝置編號 | 所屬單位 | 比對時間 | 比對地點 |
1 | D1/NO.02 | 計量院/304所 | 06.03.02 -03.09 | 計量院 |
2 | D1/C4 | 計量院/計量院 | 06.11.08 -11.14 | 計量院 |
3 | C4/NIMTT-1 | 計量院/測試院 | 06.12.14-12.18 | 測試院 |
2. 實驗條件
在此次實驗中，參加比對的所有基準裝置均采用三次諧波（以下簡稱3f）鎖定技術將激光頻率穩定到127I2分子吸收譜線的11-5帶R(127)的超精細結構吸收分量上。按照要求，有關參數和運行條件應與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）℃
頻率調制寬度（峰-峰值） （6.0±0.3）MHz
諧振腔內單程光束的光功率 （10±5）mW
實際情況是，由于比對實驗中基準裝置（以下簡稱激光系統）建立的年代和研制的單位不同，它們在相關技術參數和組成的細節方面存在較大差異，其中的一些技術參數與上述要求有一定出入。為了使實驗能夠順利進行，比對實驗在實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的主要工作參數。
表3 激光系統的主要工作參數
單位 | 激光 系統 | 腔長/mm | 腔鏡曲率半徑及透過率 | 碘室 | 調制頻率/kHz | ||||
mm | % | mm* | %* | 長度/mm | 氣壓/Pa | ||||
計量院 | D1 | 300 | 500 | 0.5 | 1000 | 1.3 | 100 | 400 | 1.04 |
計量院 | 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 |
測試院 | NIMTT-1 | 365 | ― | － | ― | ― | 110 | ― | 0.406 |
3. 測量原理和測量方法
當參考激光和被測激光的頻率相近、兩束光波前重合，且彼此間光的振動方向不完全垂直時，即形成拍。對兩束光的頻率差進行的測量，得到的頻率值即是拍頻值。其中，三次比對實驗中的參考激光分別為D1和C4，輻射激光的頻率值由國際比對確定，由此可以得到被測激光的頻率值。
測量實驗的原理和裝置如圖1所示。激光波長拍頻測量系統主要由相應的光學元器件、寬帶前置光電放大器、頻率計數器、頻譜分析儀以及計算機軟硬件等組成。其頻率響應范圍：0.1 MHz＜ f ＜ 1.5 GHz，能夠完成激光頻率的阿倫方差和對應真空波長的測量等功能。
圖1. 拍頻測量原理
4. 實驗內容
4.1 頻率穩定度測量
參照圖1所示測量原理，對激光系統進行了頻率穩定度測量實驗。由于每次頻率穩定度測量需要3小時以上，所以這項實驗安排在中午或晚上進行。
測量結果分別用取樣時間為0.1s、1s、10s、100s和1000s的阿倫方差表示。
4.2 頻差測量
對127I2分子吸收譜線的11-5帶R(127)的超精細結構吸收分量，有關國際組織共推薦了20條譜線，其中常用的是d、e、f、g、h、i、j七個分量，此次比對只涉及其中的前四個分量。為了得到每兩個激光系統之間的平均頻差值和它的變化情況，采取4階矩陣測量的方式。
圖2. 被測量的矩陣元素示意圖
測量矩陣如圖2所示。每個矩陣元代表兩個激光系統不同分量之間的頻差。依據矩陣中各元素的排列順序，依次將參與拍頻的激光系統的頻率鎖定在對應的吸收峰上。測量時，每個拍頻測量值讀數的取樣時間為10秒，取五次讀數的平均值作為一個矩陣元，由此直到求得每個矩陣元。測量中為了避免零拍現象，位于主對角線上的元素Mdd 、Mee 、Mff 、Mgg不在所測之列。根據矩陣元的測量結果，由公式（1）可求得兩個激光系統之間的平均頻差值為
（1）式中，當i = j時，令Mij = 0；其標準偏差可由貝塞爾公式得到。
4.3 實驗安排
比對實驗共計為15天，先后在北京和成都完成。D1與C4和NO.02的比對在北京中國計量科學研究院進行，C4和 NIMTT-1的比對在成都中國測試技術研究院進行。分別以D1和C4作為參考激光，NO. 02和NIMTT-1作為被測激光。比對過程中，除了對相關激光系統的頻率穩定度和平均頻差進行測量外，還對影響光頻絕對值的功率位移和調制位移參數進行了測量實驗。其中每兩個激光系統之間的平均頻差測量每天完成2組，上、下午各進行一次。
作為參考激光的D1，其光頻的絕對值源于BIPM組織的國際比對[4]。
5. 比對結果
5.1 頻率穩定度
穩定激光的頻率穩定度用阿倫方差進行評估。阿倫方差的數學表達式如下：
（2）式中：s —相對頻率穩定度；
n —總的測量次數；
f —在測量時間內的平均頻率；
Dfi —一定采樣時間內，兩臺比對激光在第i次測量時的平均頻差。
根據拍頻測量的實驗數據，分別選取采樣時間為0.1秒、1秒、10秒、100秒和1000秒，得到的不同采樣時間的頻率穩定度測量結果見表4。
表4 不同采樣時間的頻率穩定度測量結果
激光系統 | 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 位移參數測量
對于一個碘穩定的He-Ne激光系統而言，激光頻率的調制寬度、碘室的冷指溫度以及腔內單程功率的改變都會引起輸出激光頻率的變化。這三個參數分別被稱為調制位移參數、溫度位移參數和功率位移參數。位移參數的測量實驗就是為了確定這些參數而設置的。本次比對未進行溫度位移參數的測量實驗。
位移參數的測量原理及基本過程與平均頻差測量類似。不同的是，在測量過程中需要通過相關參數的改變，得到被測激光的頻率變化。將二者的變化量進行比較，就可確定該位移參數。
以調制位移參數測量為例，按圖1所示原理調整光路，其中激光系統A作為參考激光，激光系統B作為被測激光。前者的各項參數固定不變，依次選擇后者的調制寬度為4MHz、5MHz、6MHz、7MHz和8MHz，按照與上述頻差測量完全相同方法和步驟，得到對應于不同調制寬度的平均頻差。將頻差的變化量與調制寬度的變化量進行比較，最終得到被測激光系統的調制位移參數。測量結果見表5。
表5 激光系統位移參數
 激光系統位移參數 | D1 | C4 | NO.02 | NIMTT-1 |
溫度位移(kHz/K) | -11.39 | ― | — | ― |
調制位移(kHz/MHzP-P) | -8.55 | -8.89 | -7.4 | ― |
功率位移(kHz/mW) | -0.20 | -0.15 | -0.10 | ― |
5.3 激光系統間的平均頻差及其標準偏差
為了考察激光系統的光頻復現性，頻差測量實驗連續進行5天。由于NIMTT-1激光輸出功率偏小，系統鎖定困難，實驗中其調制信號寬度設定為10MHz左右。并且，由于該激光系統的碘室冷指的控溫環節采用被動控溫的方式，溫度變化范圍較大，與國際推薦條件有一定出入。除此之外，其他激光系統的運行條件均符合國際推薦條件的要求。測量結果見表6。
表6 激光系統之間的平均頻差（fA - fB）及其標準偏差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準偏差結果由10組實驗數據的平均值得到。表中數據欄的第1行為平均頻差值（單位kHz）；第2行為平均頻差的標準偏差（單位kHz）。
根據D1與國際計量局的飛秒光梳裝置BIPMC1得到絕對頻率比推薦值低8.9kHz的頻差關系[4]，得出各個激光系統與國際計量局比推薦值的頻差值結果表7所示。
表7 各激光系統頻差的最終比對結果
激光器 | D1 | C4 | NO.02 | NIMTT-1 |
Df＝測量結果－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. 結論
在15天內，共進行了30次平均頻差的測量實驗。圖3是根據平均頻差測量的原始數據繪制的折線圖，橫坐標表示測量實驗先后順序的序列號，縱坐標為激光系統輸出激光頻率與國際推薦頻率值的差值。
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圖3. 以國際推薦值為參考，各激光系統輸出激光頻率的測量結果。因D1輸出激光的頻率值直接溯源于國際計量局，圖中未列出。
圖3顯示，。參加比對的激光系統，C4和NO.02，其輸出激光頻率的不確定度范圍在5×10-11之內。在多數情況下，激光系統NIMTT-1也能滿足此項要求。綜合上述情況可以得出如下結論，參加比對的激光系統的總體不確定度水平在5.0×10-11范圍內。
由比對結果，各裝置激光輻射平均頻率相對國際推薦值的分布如圖4所示。目前，被測激光器最高相對擴展不確定度為5×10-10（k=2）[5]。因此，現有的國家長度基準、副基準裝置在量值的準確度方面，可以勝任統一全國長度量值的工作。
相比較而言，NIMTT-1無論是在單次測量的發散性上，還是在不同天數的測
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圖4. 各激光系統相對國際推薦值的比對結果
量數據的變化量上都比其它激光系統測量結果的不確定性大得多。這在一定程度上反映了該系統存在的問題。事實上，由于NIMTT-1的若干技術參數，比如，輸出激光功率、冷指溫度和調制寬度等在比對實驗中不能得到有效控制，出現上述情況也是十分正常的。綜上所述，NIMTT-1與其它參加比對的激光系統在技術性能上存在的差距比較突出，這種差距從表4中所示的頻率穩定度的測量結果也能明顯看到。
7. 感謝
此次比對實驗從準備到完成歷時一年，達到了預期目標。其間得到了各部門領導和同志們以及全國幾何量長度計量技術委員會的大力支持，同時，在很多方面也得到了參加比對單位領導的幫助和關心，在此謹表謝意。
參考文獻：
[1] Documents Concerning the New Definition of the Meter, Metrologia, 19 (1984) 163.
[2] Mise en Pratique of the Definition of the Metre (1992) Metrologia, 30 (1994) 523.
[3] Practical realization of the definition of the metre, including recommended radiations of other optical frequency standards (2001) Metrologia, 40 (2003) 103.
[4] N?11-2005 Calibration Certificate, BUREAU INTERNATIONAL DES POID（BIPM校準證書）
[5] 錢進 劉秀英 石春英 中華人民共和國國家計量檢定規程JJG 353－2006 《633nm穩頻激光器》