8.1 标准器概述与光波波长在线视频

大家好

从这节课开始

我们要介绍部件设计

部件设计包括两大部分

标准器和瞄准定位

那我们下面就先从标准器开始

我想问大家一个问题

如果你现在想测量桌子的长度

你会用什么工具呢

同学们可能首先会想到用尺子

那么如果现在我再问你

如果你想校准这个尺子的刻度呢

那我们就需要更精确的尺子

那如果我再接着问

我们想校准这把更精确的尺子呢

那我们就可能需要用到稳频激光

这儿提到的尺子

更精确的尺子

以及稳频激光

都是一种标准器

下面我们就来介绍一下

什么是标准器

标准器是用于检定被测量的计量器具

一般作为测量仪器中的组成部分

常见的标准器有

光波波长 标尺 度盘

计量光栅 码盘等等

光波波长主要用于干涉仪

标尺跟度盘非常的常见

应用也非常的广泛

而计量光栅我们在后面这一小节当中

会给大家详细地介绍

码盘主要用于角度的测量

标准器既然作为测量仪器的一个部件

那我们在设计的时候应该怎么选择呢

如果精度选得太高了

那是一种浪费

而如果选得太低

又会影响到整个仪器的精度

所以一般我们根据

所设计的仪器的总体精度来选

标准器的误差

占整个仪器误差的三分之一

到五分之一左右

标准器在仪器中的固定和调整

也是非常需要注意的一个方面

下面我们来介绍第一种标准器

光波波长

这也是目前最高的长度基准

介绍这个之前

我们先来回顾一下

米定义的发展历史

在1889年到1960年之间

国际计量组织用的是一种

铂铱合金所做成的一个器件

它的器件的标准长度是一米

在1960年到1983年之间

国际计量组织采用的是

氪86原子在真空中的辐射波长

这是采用自然基准代替实物基准

是很大的一个进步

但是氪86原子辐射

这个在实际应用当中非常的困难

所以从1983年开始

就换成了用光速来定义

也就是这儿写的

光在真空当中走了这么多时间

所经历的路程的长度

这可能有同学要问

用光速来定义

使用就方便吗

其实这儿用的是光速的不变性

通过稳定激光的频率

然后用激光的波长来作为基准

国际计量局推荐了8种稳频激光

可以作为长度基准

具体是哪8种

这个可以在课本或参考书上找到

激光波长的复现方法

是测量激光的频率

然后根据光速再把波长导出来

激光波长要作为长度基准

有非常高的要求

特别是要求激光的稳定性和再现性

同时达到精度的要求

稳定性是指激光器在工作期间内

频率变化的一个相对值

而再现性是指同一类型的激光器

若干台直接辐射频率的差异

或者是这台激光器在不同时期之内

辐射频率的一个变化

稳定性和再现性这两个指标缺一不可

目前稳频激光

所能达到的精度在10的负10次方

到10的负12次方之间

这是非常高的一个精度

国际计量局推荐的这8种激光器

作为长度基准

性能很好

精度很高

但是体积比较大

而且研制成本比较高

不可能我们每一个测量用户

都去做这样一个长度基准

那么我们作为测量用户

如何来评价自己的测量精度呢

这就需要用到计量溯源

用户将自己测量的基准

也就是量块

或者自己做的小型的稳频激光器

送到计量院去做校准或比对

而不同国家之间的计量院

也需要进行国际比对

下面我们来介绍一下

激光器的波长比对

这儿有两种情况

第一种是参与比对的两个激光器

波长很接近

甚至接近到它们之间没有差别

那么我们通过这样一个简单的光路

可以把两个激光器进行合光

合完光之后在探测器上

我们就能探测到两路激光的拍频

拍频的表达式

可以写成这样一个形式

ω1-ω2 就反映了

这两个激光器的频率之差

那么如果其中一台激光器

是我们的长度基准

而另外一台激光器

它的频率的抖动

就会反映在它们的差频之上

通过测量这个差频就能够鉴定出

我们所要比对的这台激光器的稳定性

那么下面我们再来考虑一下

如果参与比对的两个激光器的波长

相差比较远

该怎么办呢

现在这种方法还行不行呢

答案是否定的

因为波长相差比较远的话

两个的拍频

就会达到非常大的一个数量级

到太赫兹

甚至几十太赫兹

甚至百太赫兹

这样的话没有一种探测器

可以响应这么高的频率

也没有办法来进行比对

那么该怎么办呢

我们介绍用迈克尔逊干涉仪

来进行比对的方法

在这个图当中我们介绍的是

一台用甲烷稳定的

3.39微米的激光器

另外一台是碘稳定的

633纳米的激光器

它们的波长差得很远

我们通过光路系统

将这两路激光进行合光

合完光的其中一路

用于光路重合的调整

合光之后的另外一路

经过多次反射之后

入射到这个真空腔

在真空腔里头

又把入射的光束分成两路

其中一路经过一个移动台

通过这个移动台可以改变

这个干涉臂的臂长

而另外一路

是直接通过反射镜和分光镜

与刚刚那束光进行合光

合完光的光束射出这个真空腔

然后经过分色镜

分到两个不同的探测器上进行探测

这两个探测器就能得到

两个波长所对应的干涉信号

当真空腔中的移动台发生移动的时候

干涉臂的臂长就会发生改变

那么它们就会导致

这两个激光所对应的干涉相位

发生改变

那么也就是这个式子

通过比较两个波长

它们前面所对应的系数

我们就能得到两个波长之间的

精确的比例关系

如果我们让移动台移动一个合适的距离

那么就能够使得

干涉相位变化的小数部分为零

这样可以使比对变得更加的简单

我们直接去比对

波长所改变的整数级次

就能反映出两个激光的比例

下面我们再来介绍一下

长度基准的最新进展

飞秒激光频率梳

这部分内容

我们在前面的飞秒激光频率梳

还有它的干涉仪当中

做了非常详细的介绍

在这儿我们想给大家强调一下

飞秒激光频率梳

实际上是一种最新的长度基准

为什么呢

因为飞秒激光频率梳当中的光频

可以写成N倍的重频加上偏频的形式

所以它直接将光频和微波频率

建立了一个联系

这样的话我们就能够将光频

和原子钟的频率基准

建立一个直接的联系

那么这样相比

传统的稳频激光有什么好处呢

首先它的精度会更高

因为频率基准可以达到10的负14

甚至10的负15次方这样一个数量级

另外还有一个很大的好处是

频率基准的传递非常的方便

那么也就是说

我们通过飞秒激光频率梳

建立的这样一个长度基准

可以以频率基准传递的方式

比如说我们可以直接通过GPS时钟

来实现长度基准的传递

在这一小节课当中

我们介绍了标准器的一些基本概念

以及长度基准的要求

希望大家能掌握光波波长的比对方法

包括波长相同跟不同的两种情况

飞秒激光频率梳

作为长度基准的一个发展趋势

也请大家重点学习掌握

这小节的课就到这儿