Введение в технику физического эксперимента. Метрическая система мер. Измерение длины, времени и частоты, страница 3

Точность данных методов зависит в первую очередь от стабильности и воспроизводимости длины волны источника света l. Для He-Ne лазера без специальной стабилизации частоты она определяется шириной доплеровского контура спектральной линии Dl/l~10^‑6, зависящей от скорости движения молекул в лазерной трубке.

Таким образом, в любой лаборатории можно с простейшим лазером измерять довольно точно длины от считанных микронов до размеров комнаты, взяв l = 0,63282 мкм с учётом поправки на показатель преломления воздуха (соответственно в вакууме l = 0,63299 мкм). Промышленные He-Ne лазеры со стабилизацией частоты методом привязки к симметричному по форме профилю доплеровского контура (такие, как ЛГН-303) имеют нестабильность частоты порядка 10^-9 в интервале времени 1¸10 с.

Переход к лазерным источникам света

Согласно очередному (новому) определению метра эталонной величиной стала длина волны. По мере передачи размеров единицы средствами измерений, точность, естественно, падает, поэтому, чтобы иметь на производстве точные измерительные средства, следовало обеспечить точность эталона на несколько порядков выше. В связи с этим по мере совершенствования производства росли требования к эталонной базе.

В результате исследований воспроизводимости максимума указанной выше линии ⁸⁶Kr, излучаемой эталонными газоразрядными лампами, в 1973 г. на 5-й сессии Международного консультативного комитета по определению метра (МККМ) величина относительной погрешности воспроизведения длины волны была установлена равной 4×10^-9. Было отмечено, что дальнейшее повышение воспроизводимости единицы длины волны возможно путем перехода к длинам волн стабилизированных газоразрядных лазеров. На сессии было также отмечено, что длины волны HeNe лазера, стабилизиро
ванного по насыщенному поглощению в молекулярном йоде ¹²⁷I₂ (R(127), полоса 11 – 5, i - компонента) – l = 0,632991399 мкм и стабилизированного по насыщенному поглощению в метане СН₄ (Р(7), полоса n₃) – l = 3,39223149 мкм, воспроизводятся точнее, чем длина волны ⁸⁶Кг и необходим переход на новое определение метра на основе излучения этих лазеров.

В упомянутых лазерах внутрь резонатора помещаются поглощающие ячейки с парами йода или метаном. Блок-схема таких лазеров показана на рис. 3 и 4. Инфракрасная линия на порядок точнее видимой. В настоящее время на ней достигнуты самая низкая в оптическом диапазоне погрешность воспроизведения (10^-14) и нестабильность (10^-15, t= 100 с).

Новое определение метра

После появления стабилизированных газоразрядных лазеров метрологи различных стран в течение пятнадцати лет изучали возможность перехода на новое определение метра. В 1950-х гг. появились квантовые меры частоты (пассивные атомно-лучевые стандарты и генераторы линий – мазеры), в которых достигнутые значения стабильности и воспроизводимости частот были выше или одного порядка со стабильностью лазеров. В результате проведенных исследований с помощью квантовых мер времени и частоты были непосредственно измерены частоты оптических квантовых генераторов. Особо точное сопоставление длин волн (частот) источников света производилось измерением разностной частоты (биений) при смешивании двух близко расположенных спектральных линий (частот) на нелинейном элементе (аналоге полупроводникового диода в радиотехнике или нелинейной среды в оптике). Для возможности счета с помощью электронных частотомеров разница частот должна лежать в радиодиапазоне. С помощью радиооптического частотного моста стал возможен переход от атомных эталонов времени и частоты к частотам эталонных лазеров [4]. Более подробно о конструкции и принципе работы радиооптического моста рассказано в приложении № 4.

В октябре 1983 г. 17-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: «Метр – это длина, проходимая светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды». Данное в 1960 г. определение не позволяло воспроизводить метр с достаточной точностью для всех, решаемых в эти годы, задач. Излучение стабилизированных газоразрядных лазеров лучше воспроизводится и более удобно для использования, чем спонтанное излучение криптона-86. Достижения в измерении частот и длин волн лазеров позволили определить скорость света с = 299792458 м/с, точность измерения которой ограничивается воспроизводимостью метра в прежнем определении. Таким образом, скорость света с 1983 г. была зафиксирована и более точное её определение потеряло смысл. Значения длин волн, полученные через измерение частоты и указанную скорость света, обладают меньшей погрешностью, чем та, которая достигается сличением с длиной волны криптона-86. В соответствии с новым определением метра приняты рекомендации по его практической реализации.

Данное определение позволяет измерить расстояние l с привязкой к эталону метра тремя различными способами:

1) измеряя время распространения электромагнитной волны по соотношению l = ct;

2) измеряя частоту электромагнитной волны, которая укладывается на измеряемой дистанции l = l = c/n ;

3) измеряя число длин волн одного из рекомендованных лазеров, которое укладывается на измеряемой дистанции l = nl = nc/n .

Предложенное определение метра дало возможность по-новому взглянуть на то, что длина и частота не являются независимыми величинами. Длина волны зависит от оптического пути (а в него, как известно, входит показатель преломления среды), в то время как частота не зависит от него. Частота измеряется с точностью, на несколько порядков превосходящей точность измерения длины, поэтому предложено фактически отказаться от стандарта длины, определяя длину через частоту. При этом появляется возможность существенно повысить точность измерения длины. Единый эталон явится стандартом частоты, излучение которого может быть использовано для измерения длины.