长度计量基准的研究
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摘要：长度计量精度的高低是由长度计量基准的精确程度决定的。本文首先对长度计量的意义以及长度计量基准的意义进行了简要介绍，然后对长度计量单位米的复现方法进行了分析，之后对可用于计量的计量装置及其原理进行了研究，最后对基于精确的长度计量基准的长度计量原理与实现进行了讨论。
关键词：长度计量 基准复现 计量装置
长度是物体客观特性测量的一个基本参量。对长度进行测量的主要目的在于确定长度的单位；获取具体的，可复制的单位基准；建立和应用统一标准的传递方法；使用相应的测量工具和方法对被测目标进行高精度、高准确度测量。长度测量的应用领域除了距离外还包括角度、圆度、直线度以及表面粗糙度等，这些应用领域的共同特点是使用基本的长度单位“米”作为其特性表征量。实现长度测量的前提是长度计量基准的确定，基准越规范、越精确，则所获得的测量结果的可信度越高。
1、米定义的复现
长度的基准为米，其定义为光在真空中于1/299 792 458秒的时间间隔所经过的路径的长度。虽然该定义非常明确，但是其仍旧具有非常高的开放性，一方面其对应用装置和辐射激光类型没有限制，另一方面光在真空中的速度为一恒量，该恒量测量的精确度受测量技术的影响较大。
应用米作为长度计量基准首先需要解决的问题是对米进行定义复现。由上述定义出发可以确定如下3种复现米定义的方法：
直接按照定义对光通过某段距离所需的时间进行测量，然后根据速度公式l=c・t即可求解出被测物体的长度。但是实际光的传输速度非常快，其通过1米的距离需要的时间在纳秒量级，对该时间进行测量很难达到较高的精度。故该方法只适用于远距离长度测量，如天文测量、大地测量等。
考虑到光波长与频率的乘积为定值c（光速），故也可通过测量某一激光辐射频率的方式来定义米。具体的，由公式 可获得对应频率激光的波长，从而获得对米的定义。但是实际复现中的激光准确频率很难获取，故使用该方法对米进行定义复现仍旧存在一定的困难。
使用国际计量委员会推荐的米定义复现方法，即使用饱和吸收稳频激光辐射来对米的定义进行复现。该方法给出了8种具体的饱和吸收稳频激光的频率值、波长值、不确定度以及相关约束条件等，利用这些信息可以直接对米进行复现。
2、长度计量基准复现与传递装置分析
2.1 饱和吸收稳频激光器
应用激光作为波长标准时首先需要获得精确的、稳定的激光频率。但是自由环境下的激光器所生成的激光容易受到多种因素的影响而产生频率波动，进而影响到用于测量的波长标准。为获得较为稳定的激光频率需要使用稳频器对其进行稳频处理，将激光器发射的激光锁定到相应的参考频率上。目前稳频器中参考频率通常是使用气体分子饱和吸收峰来表示的。
饱和吸收是指将吸收室放置在激光驻波场中，对激光频率进行调谐，当激光频率与吸收室内气体分子的中心频率相同或接近时吸收室对该频率的激光吸收率会达到最小，从频谱图中观看可以发现该稳频点会出现一个峰值，即饱和吸收峰。
碘目前最常用的吸收分子物质，CIPM推荐的八种稳频激光系统中有六种使用的是碘吸收室。相较于其他分子而言，碘分子在500纳米到650纳米范围内的强吸收线约有五万个左右，同时，每条吸收线又可以分为15或21个超精细结构分量。碘分子的同位素除了不具有超精细结构外其他特性与碘分子相同，故碘分子及其同位素具有良好的稳频特性，因而被广泛应用到饱和吸收稳频激光器中。
2.2 长度量值的传递
饱和吸收稳频激光器可以生成稳定的激光频率，该激光主要被用于复现长度单位是米，但是实际计量中需要对长度量值进行传递，需要在该激光器的基础上添加拍频测量装置。拍频测量装置主要由接收器、宽带放大器、频率计、频谱仪以及计算机等部分诸城，可用于对计量基准进行比对、对所接收到的激光频率进行测量和波长鉴定。由于计算机可以执行高速数据处理工作，故结合多种计算机技术可以实现多功能的大数据量高速测量。
3、激光频率测量与波长测量
利用激光频率实现长度计量的核心技术为差频或谐波混频技术。差频技术或谐波混频技术即为将被测量与已知量进行混频处理从而获得两者间的频率差，通过该频率差与已知频率获取被测频率。该测量方式优点在于其测量精度非常高。但是缺点也非常明显，激光频率与铯原子时钟频率量级相差较大，约为四个量级，不能直接用进行混频或差频。为解决该问题可以使用多级混频技术将两个频率逐步调整到同一量级或相近量级进行测量比较。为获取较准确的测量值，被测频率、混频谐波频率均需要进行同时测量，但该过程实现较为困难。
波长测量方法使用激光的波长来实现对长度的计量。其实现原理与频率测量法相似，只是将直接的频率对比转换为了波长对比，但是在物理实现方面，波长测量法的实现相对更为简单。但是波长测量装置同样存在问题：被测量激光在经过波长测量装置的干涉仪光孔径时会出现言射效应，该效应会对激光的相位产生影响，导致激光相位出现偏移，从而使得测量准确度下降。为解决该问题可以使用真空迈克尔逊干涉仪来确定测量的起始与终点位置，避免消暑干涉级次的测量。
参考文献：
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