米定义复现的优化方法,“米”定义复现方法

长度单位“米”已重新加以定义，它是建立在光速为常数值的基础上的。如何按新定义的要求，以基准的实际形式复现极为重要。国际计量大会通过新“米”定义的同时，又通过了“米”定义的三种实现途径。

1.飞行时间法

利用光的飞行时间测量长度。在真空中，距离的长度l 是通过测量一个平面电磁波通过距离长度l 的飞行时间t 得到，即：l=c0t，c0=299 792 458 m/s。很早以前人们就通过时间来测量距离了，但由于长度l 为1 m 对应的时间t 只为1/299 792 458 s，所以l 必须很大才能得到高的计量准确度，这种方法主要用于天文学和大地测量学。这一复现方法也称为“飞行时间法”，它对天文、大地及航天技术中的大长度测量有着明显的优点，如能进一步提高测距仪的时间测量准确度，大尺寸的测量可摆脱线纹尺及干涉仪的束缚而独立出来，大大减少了传递的层次。

2.真空波长法

借助频率为ν 的平面电磁波的真空波长λ。这个波长λ 是利用测量平面电磁波的频率ν，通过关系式λ=c0/ν 得到的。这种方法称为“真空波长法”。这种复现方法多用于实验室测试工作。其具体方法是：采用由一系列激光器（例如甲醇激光器、二氧化碳激光器、色心激光器、氦氖激光器等）、内插锁相微波源和非线性谐波混频器（例如肖特基二极管、约瑟夫森结和MIM 二极管等）组成的频率链，将时间频率基准铯原子束的频率逐级倍频到红外和可见光区，然后通过各级差频计数的方法求出激光的频率。

3.辐射波长法

1983年国际计量委员会推荐了以下5 种激光辐射和2 种同位素单色光辐射的真空波长值和频率值，用它们中的任何一种辐射波长均可复现“米”。1992年第8 届米定义咨询委员会（CCDM）会议上，总结了10年来的稳频激光技术的发展，改善了5 种稳频激光辐射标准谱线的标准不确定度，同时根据科学技术发展的需要又增加了3 种新型稳频激光辐射谱线作为复现米定义的新标准谱线。1997年国际计量大会又增加了4 种稳频激光输出的波长（频率）值作为实现“米”定义的国际标准谱线。按国际计量局局长Quinn 在Metrologia（1999，36（2）：211-244）上发表的《实现米定义的公告》，共有12 种稳频激光器的波长（频率）值作为实现“米”定义的国际标准谱线，其中有2 种稳频激光器是中国计量科学研究院的计量科学家们研制的。

这12 种国际标准谱线是：

（1）原子双光子吸收稳频1氢1s—2s 跃迁的243 nm；

（2）碘稳频515 nm 氩离子激光器；

（3）碘稳频532 nm 钕玻璃激光器；

（4）碘稳频543 nm 激光器；

（5）碘稳频612 nm 激光器（中国研制）；

（6）碘稳频633 nm 激光器；(www.xing528.com)

（7）碘稳频640 nm 激光器（中国研制）；

（8）钙原子稳频657 nm 染料激光器；

（9）离子饱和吸收稳频88Sr，52S1/2—42D5/2辐射674 nm 波长；

（10）原子双光子饱和吸收稳频88Rb，5S1/2（F=3）—5D5/2（F=5）跃迁778 nm 辐射；

（11）甲烷稳频3.39 μm 激光器；

（12）OsO4分子饱和吸收稳频10.3 μm CO2激光器。

利用上述3 种途径实现“米”定义，必须进行如下3 个影响因素的修正。

（1）折射率的修正：在地球表面按“米”定义测量长度，光总是在一定的气压下飞行，所以必须进行折射率的修正。其对米定义的修正量在±10-7数量级范围内。

（2）衍射效应的修正：实现“米”定义的3 个途径，都是利用光波，但它是建立在exp [i（kz-ωt）] 平面电磁波的基础上。在实际工作中，光束总是受到光学系统口径几何尺寸的限制，即没有exp [i（kz-ωt）] 这样的平面电磁波，所以要进行衍射修正。其对米定义的修正量在±10-8范围内。

（3）引力波效应：米的定义仅适于没有引力场或恒定引力场的空间。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，这种效应已有实验证明它的存在。其对米定义的修正量小于±10-12。

由于现行“米”的定义使得“米”的复现精确度不再受“米”定义的限制，故激光波长的不确定度即频率值的不确定度，也就是复现米的不确定度将随激光频率测量的改进而不断提高。从1983年的米定义之后，在现在的单位制中，唯一要通过实验装置来复现的计量基准就是时间基准“秒”。新型物理效应也在影响着对时间（频率）基准的探讨。1999年，德国马·普研究所（Max-Planck-Institute）的亨施（Hansch）和美国国家标准与技术研究所的霍尔在光频测试技术方面取得了重大突破，他们采用飞秒（10-15 s）锁模脉冲激光器产生的光学频率梳（简称“光梳”）与自参考相位控制激光技术结合，率先成功地对光梳的频率实现了高精度的控制和测量，使精度达到小数点后15 位。目前，国内外计量界和一些物理学家认为，使用冷原子或离子存储稳频的光学频率标准（简称“光频标”）与飞秒光梳结合组成的“光钟”（Optical “clock”）和“光尺”（Optical “ruler”）将成为国际新一代时间和长度的基准。新型光钟将比目前最好的原子喷泉钟精度要高3 个量级（即1 000 倍）。

随着长度基准的准确度不断提升，对长度测量精度的提高也有了很大的促进。高精度的绝对距离测试技术在科学研究、航空航天和工业生产等领域都发挥着重要的作用。在星体间距离测量、卫星编队飞行和大规模的工业制造等大尺寸距离测量领域，人们一直在追求测量精度的提高，而这样的测量精度只有超稳定的激光测距技术才能够实现。目前，常见的高精度长度测量方法几乎全部为光干涉测量方法，如柯氏（Kosters）干涉仪测长、双频干涉测长等。实际测量系统大都包含复杂的光电元件和控制环节，我们在此仅介绍其基本原理。