633nm激光波長基準/副基準比對報告

633nm激光波長基準/副基準比對報告

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(shù)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(wěn)定的633nm He-Ne激光輻射波長作為復(fù)現(xiàn)米定義的標準[1]。此后，根據(jù)國際上各實驗室的研究和測量結(jié)果，1992年CIPM更嚴格地規(guī)定了激光系統(tǒng)的運行條件和主要技術(shù)參數(shù)，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(chǔ)上，2001年，CIPM向世界各國推薦了現(xiàn)行的技術(shù)參數(shù)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(fù)現(xiàn)的基本單位之一。在國際計量組織推薦的復(fù)現(xiàn)米定義的若干標準譜線中，碘穩(wěn)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(yīng)用面最廣、最受重視的長度基準。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(tǒng)偏差以及造成偏差的技術(shù)原因，以保證國際間的長度量值的準確和統(tǒng)一。 自1983年新米定義實施以來，在世界范圍內(nèi)，圍繞633nm激光波長基準裝置的復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)，在國際計量局和地區(qū)計量組織的倡導(dǎo)和組織下，各國或地區(qū)之間已經(jīng)進行了無數(shù)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(qū)之間的長度量值的準確和統(tǒng)一，為世界各國的工業(yè)標準化進程提供了有力的技術(shù)保障；另一方面也極大地促進了參加比對的國家和地區(qū)的計量技術(shù)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(jīng)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(shù)水平，而且利用比對期間與國外同行面對面的技術(shù)交流機會，促進了國內(nèi)長度基準裝置技術(shù)水平的提高。 中國是較早開展碘穩(wěn)定633nm He-Ne激光波長基準裝置研究和應(yīng)用的國家之一。經(jīng)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(shè)。這些工作的開展為中國的國民經(jīng)濟建設(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波長基準裝置的建立。目前我國現(xiàn)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(shù)研究院和中國航空工業(yè)第一集團公司北京長城計量測試技術(shù)研究所。3套裝置的運行條件和相關(guān)的參數(shù)指標都應(yīng)滿足國際計量組織規(guī)定的技術(shù)要求，并且各自在不同的領(lǐng)域和地域履行長度量值溯源的職責。國家長度基準和副基準，擔負著統(tǒng)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(nèi)長度量值溯源體系建設(shè)和實施過程中的一大缺憾，勢必危及長度量值的準確和統(tǒng)一。針對這種情況，受國家質(zhì)量監(jiān)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(nèi)組織了633nm 127I2穩(wěn)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(dǎo)實驗室是中國計量科學研究院。參加比對實驗單位的相關(guān)信息見表1。 表1  比對實驗單位的相關(guān)信息 基準或副基準保管單位 聯(lián)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(huán)東路18號 郵政編碼： 100013 中國測試技術(shù)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(yè)第一集團公司北京長城計量測試技術(shù)研究所（以下簡稱304所）/副基準 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中的三個單位，共有四套裝置參加了比對實驗。其中計量院兩套，測試院和304所各一套。由于裝置技術(shù)條件和實驗室環(huán)境條件的限制，比對實驗在北京和成都分三次進行。比對時間等信息見表2。 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(shù)將激光頻率穩(wěn)定到127I2分子吸收譜線的11-5帶R(127)的超精細結(jié)構(gòu)吸收分量上。按照要求，有關(guān)參數(shù)和運行條件應(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 實際情況是，由于比對實驗中基準裝置（以下簡稱激光系統(tǒng)）建立的年代和研制的單位不同，它們在相關(guān)技術(shù)參數(shù)和組成的細節(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。為了使實驗?zāi)軌蝽樌M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(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/mm 腔鏡曲率半徑及透過率 碘室 調(diào)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 *為碘室一側(cè)的反射鏡的參數(shù) 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(tǒng)主要由相應(yīng)的光學元器件、寬帶前置光電放大器、頻率計數(shù)器、頻譜分析儀以及計算機軟硬件等組成。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應(yīng)真空波長的測量等功能。 圖1. 拍頻測量原理 4.        實驗內(nèi)容 4.1 頻率穩(wěn)定度測量                                        參照圖1所示測量原理，對激光系統(tǒng)進行了頻率穩(wěn)定度測量實驗。由于每次頻率穩(wěn)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(jié)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(jié)構(gòu)吸收分量，有關(guān)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(tǒng)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(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)的頻率鎖定在對應(yīng)的吸收峰上。測量時，每個拍頻測量值讀數(shù)的取樣時間為10秒，取五次讀數(shù)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(xiàn)象，位于主對角線上的元素Mdd 、Mee 、Mff 、Mgg不在所測之列。根據(jù)矩陣元的測量結(jié)果，由公式（1）可求得兩個激光系統(tǒng)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(shù)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(guān)激光系統(tǒng)的頻率穩(wěn)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(diào)制位移參數(shù)進行了測量實驗。其中每兩個激光系統(tǒng)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(jié)果 5.1  頻率穩(wěn)定度 穩(wěn)定激光的頻率穩(wěn)定度用阿倫方差進行評估。阿倫方差的數(shù)學表達式如下：                              （2） 式中：s   —相對頻率穩(wěn)定度；      n   —總的測量次數(shù)；                f  —在測量時間內(nèi)的平均頻率； Dfi   —一定采樣時間內(nèi)，兩臺比對激光在第i次測量時的平均頻差。 根據(jù)拍頻測量的實驗數(shù)據(jù)，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(wěn)定度測量結(jié)果見表4。 表4  不同采樣時間的頻率穩(wěn)定度測量結(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)測量 對于一個碘穩(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引起輸出激光頻率的變化。這三個參數(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)的測量實驗就是為了確定這些參數(shù)而設(shè)置的。本次比對未進行溫度位移參數(shù)的測量實驗。 位移參數(shù)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(guān)參數(shù)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(shù)。 以調(diào)制位移參數(shù)測量為例，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作為被測激光。前者的各項參數(shù)固定不變，依次選擇后者的調(diào)制寬度為4MHz、5MHz、6MHz、7MHz和8MHz，按照與上述頻差測量完全相同方法和步驟，得到對應(yīng)于不同調(diào)制寬度的平均頻差。將頻差的變化量與調(diào)制寬度的變化量進行比較，最終得到被測激光系統(tǒng)的調(diào)制位移參數(shù)。測量結(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 ― 因為NIMTT-1的調(diào)制信號寬度和冷指溫度均不可調(diào)并且輸出激光功率只有15μW，未對其進行上述位移參數(shù)的測量。 5.3  激光系統(tǒng)間的平均頻差及其標準偏差 為了考察激光系統(tǒng)的光頻復(fù)現(xiàn)性，頻差測量實驗連續(xù)進行5天。由于NIMTT-1激光輸出功率偏小，系統(tǒng)鎖定困難，實驗中其調(diào)制信號寬度設(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(tǒng)的運行條件均符合國際推薦條件的要求。測量結(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(jié)果由10組實驗數(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行為平均頻差的標準偏差（單位kHz）。 根據(jù)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(guān)系[4]，得出各個激光系統(tǒng)與國際計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)頻差的最終比對結(jié)果 激光器 D1 C4 NO.02 NIMTT-1 Df＝測量結(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)，共進行了30次平均頻差的測量實驗。圖3是根據(jù)平均頻差測量的原始數(shù)據(jù)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(tǒng)輸出激光頻率與國際推薦頻率值的差值。 圖3. 以國際推薦值為參考，各激光系統(tǒng)輸出激光頻率的測量結(jié)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(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也能滿足此項要求。綜合上述情況可以得出如下結(jié)論，參加比對的激光系統(tǒng)的總體不確定度水平在5.0×10-11范圍內(nèi)。 由比對結(jié)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(xiàn)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(tǒng)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(fā)散性上，還是在不同天數(shù)的測 圖4.  各激光系統(tǒng)相對國際推薦值的比對結(jié)果 量數(shù)據(jù)的變化量上都比其它激光系統(tǒng)測量結(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)制寬度等在比對實驗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)定度的測量結(jié)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(yù)期目標。其間得到了各部門領(lǐng)導(dǎo)和同志們以及全國幾何量長度計量技術(shù)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(lǐng)導(dǎo)的幫助和關(guān)心，在此謹表謝意。 參考文獻： [1]  Documents Concerning the New Definition of the Meter, Metrologia, 19 (1984) 163. 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