有关光波长的详细内容分析

上述长度测量用标准器均为实物标准器，存在易破坏、相对精度较低、需定期比对溯源 等问题，采用光波长这一物理量作为标准则具有精度高、易复现、易比对的优点。

实际上，在现有米定义之前，1960年计量大会通过的以86Kr (氪86同位素）波长 为基准的米定义同样是自然基准，它克服了实物米原器的所有缺点，使得各国复现米定义变 得相对容易，复现精度也有所提高。然而86Kr原子辐射谱线不够窄，相对谱线宽度为8×10-7,亮度低（输出功率约0. luW)，相干长度仅为800mm，在所推荐的使用条件下，波长 准确度仅为1×10-8。随着科学技术的迅猛发展，86Kr波长基准已不能满足要求，米定义又一 次到了非更改不可的时候。

I960年激光的诞生引起物理学家和计量学家们的兴趣，因为激光具有高亮度和很好的 单色性，从1961年起，激光应用于计量的研究工作便着手进行了。经研究，激光的性能远 比86Kr灯*，采取特殊稳频措施，某些激光频率的稳定性和复现性已经达到1 ×10-11， 比86Ki作为米定义的精度还高100倍以上。在实际精密测量中，激光早已取代86Kr，获得广 泛的应用。

在此基础之上，1967年时间“秒"的定义由“地球自转一周的八万六千四百分之一" 改为“秒是133Cs (铯133)原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770 个周期的持续时间"。1969年以后，科学家们成功地测定了甲烷稳频3. 39um激光器输出频 率的值，又以86Kr波长为基准测定了该激光的真空波长值。再经过间平均与核对， 得到新的真空光速值C=299792458m/S，此值不受精度限制。1983年第17届计量大会 上正式通过了新的米定义。这一定义把真空中的光速值作为一个固定不变的物理常数确定下 来，光速值从此不再是一个物理学中可测量的量，而成为一个换算常数；长度测量可通过时 间或频率测量导出，从而使长度单位和时间单位结合起来。

新的米定义具有三个实现途径：

1) 利用光在真空中的飞行时间测量长度，即飞行时间法。只要测出光在真空中行 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 = 299792458m/S.在天文与大地测量中，飞行时间法早已普遍采用。

2) 用频率为f的平面电磁波的真空波长来复现米，即真空波长法。这个波长λ是通过 测量平面电磁波的频率f，然后应用关系式λ=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，即通过对干涉条纹数目或数目变化的统计，获得以光的波 长为单位的对光程差的测量，通过折射率、光波长等参数换算到长度测量上。具体原理将在 本书第九章中描述。

3)直接应用米定义咨询委员会推荐的八种稳频激光器的频率和波长值。这八种稳频激 光器是：甲烷稳频3. 39m氦氖激光器、碘稳频576mn染料激光器、碘稳频633mn氦氖激光 器、碘稳频612nm氦氖激光器、碘稳频515nni氩离子激光器、碘稳频543mn氦氖激光器、 碘稳频640mn氦氖激光器、钙束稳频657nm染料激光器。

根据上述实现途径，利用稳频激光搭建干涉仪，则可实现可溯源的高精度长度测量。需 要注意的是，只有上述八种稳顿激光器的波长和频率是可査的参考值，使用其他类型的激光 时，需要进行波长的校准。同时，由于在地球表面实施上述途径时总存在不符合理想条件的 因素，所以还需要对测量结果进行修正。

波长的校准主要通过干涉法实现，即利用迈克尔逊扫描干涉仪或法布里-珀罗干涉仪测 量待测激光与标准激光的波长比，之后确定待测激光的真实波长。这一过程往往需要在计量 院等具有标准激光器的研究单位进行。而对测量结果的修正主要从以下三个影响因素来 考虑： 

1) 折射率的修正：在地球表面，光总是在一定气压下行进的，并非真空条件，所以必 须进行折射率的修正。修正量在±10-7数量级范围内。

2) 衍射效应的修正：理想的激光干涉测量都是建立在光波为平面电磁波的基础上，但 在实际工作中，光波总是受到光学元件几何尺寸的限制，需要进行衍射修正。修正量在 ±10-9数量级范围内。

3) 引力场效应修正：新的米定义适用于没有引力场的空间或在恒定的引力场空间，但 这样的空间是难以找到的，所以要进行引力场或相对论效应的修正。修正量在±10-12数量 级范围内。

理论上说，上述三项修正都是*的，但在实际操作中，由于精度要求的限制，第2)、3)项效应的影响是可以忽略不计的。所以，利用激光干涉测量长度是zui常用的以光波长为基准的长度测量，而保持激光波长（频率）的稳定性，对激光波长进行比对和测定， 并对测量结果进行折射率、衍射效应、引力场效应修正，是保持测量结果高精度、可溯源性 的重要手段。

光波长除了直接作为基准进行长度测量以外，也广泛应用于其他标准器的校准中。

标准器是计量类光电仪器*的组成部分，为实现单位制规定的计量标准到工 厂、实验室等计量现场的传递，各种不同精度的标准器发挥着重要的作用。标尺和度盘是zui 常用、zui基础的长度和角度计量标准器，其工作原理简单，技术成熟，合理选择工作参数并 避免各类读数误差是正确使用这两样标准器的前提。计量光栅和光电编码度盘适用于自动化 程度、精度要求较高的仪器，其将位移或角位移转化为光电信号之后，利用电子细分可以极 大地提高测量分辨率。计量光栅及光电编码度盘同样已经商品化，可以在了解其工作原理基 础上选择合适的产品，完成标准器的单元设计。光波长是精度zui高的标准器，利用干涉原理 进行长度测量是应用光波长复现米定义的有效手段。