【资料】633nm激光波长基准/副基准

0.406


*为碘室一侧的反射镜的参数

3. 测量原理和测量方法
当参考激光和被测激光的频率相近、两束光波前重合，且彼此间光的振动方向不完全垂直时，即形成拍。对两束光的频率差进行的测量，得到的频率值即是拍频值。其中，三次比对实验中的参考激光分别为D1和C4，辐射激光的频率值由国际比对确定，由此可以得到被测激光的频率值。
测量实验的原理和装置如图1所示。激光波长拍频测量系统主要由相应的光学元器件、宽带前置光电放大器、频率计数器、频谱分析仪以及计算机软硬件等组成。其频率响应范围：0.1 MHz＜ f ＜ 1.5 GHz，能够完成激光频率的阿伦方差和对应真空波长的测量等功能。










图1. 拍频测量原理








4. 实验内容
4.1 频率稳定度测量
参照图1所示测量原理，对激光系统进行了频率稳定度测量实验。由于每次频率稳定度测量需要3小时以上，所以这项实验安排在中午或晚上进行。
测量结果分别用取样时间为0.1s、1s、10s、100s和1000s的阿伦方差表示。
4.2 频差测量
对127I2分子吸收谱线的11-5带R(127)的超精细结构吸收分量，有关国际组织共推荐了20条谱线，其中常用的是d、e、f、g、h、i、j七个分量，此次比对只涉及其中的前四个分量。为了得到每两个激光系统之间的平均频差值和它的变化情况，采取4阶矩阵测量的方式。







图2. 被测量的矩阵元素示意图





测量矩阵如图2所示。每个矩阵元代表两个激光系统不同分量之间的频差。依据矩阵中各元素的排列顺序，依次将参与拍频的激光系统的频率锁定在对应的吸收峰上。测量时，每个拍频测量值读数的取样时间为10秒，取五次读数的平均值作为一个矩阵元，由此直到求得每个矩阵元。测量中为了避免零拍现象，位于主对角线上的元素Mdd 、Mee 、Mff 、Mgg不在所测之列。根据矩阵元的测量结果，由公式（1）可求得两个激光系统之间的平均频差值为



（1）





式中，当i = j时，令Mij = 0；其标准偏差可由贝塞尔公式得到。





4.3 实验安排
比对实验共计为15天，先后在北京和成都完成。D1与C4和NO.02的比对在北京中国计量科学研究院进行，C4和 NIMTT-1的比对在成都中国测试技术研究院进行。分别以D1和C4作为参考激光，NO. 02和NIMTT-1作为被测激光。比对过程中，除了对相关激光系统的频率稳定度和平均频差进行测量外，还对影响光频绝对值的功率位移和调制位移参数进行了测量实验。其中每两个激光系统之间的平均频差测量每天完成2组，上、下午各进行一次。
作为参考激光的D1，其光频的绝对值源于BIPM组织的国际比对[4]。

5. 比对结果
5.1 频率稳定度
稳定激光的频率稳定度用阿伦方差进行评估。阿伦方差的数学表达式如下：











（2）



式中：s —相对频率稳定度；
n —总的测量次数；
f —在测量时间内的平均频率；
Dfi —一定采样时间内，两台比对激光在第i次测量时的平均频差。

根据拍频测量的实验数据，分别选取采样时间为0.1秒、1秒、10秒、100秒和1000秒，得到的不同采样时间的频率稳定度测量结果见表4。
表4 不同采样时间的频率稳定度测量结果

激光系统


0.1s


1s


10s


100s


1000s



D1/C4


2.7×10-11


7.7×10-12


2.4×10-12


7.8×10-13


2.5×10-13



D1/NO.02


3.3×10-11


1.1×10-11


3.4×10-12


1.1×10-12


3.6×10-13



C4/NIMTT-1


2.2×10-10


4.2×10-11


1.2×10-11


4.9×10-12


2.5×10-12



5.2 位移参数测量
对于一个碘稳定的He-Ne激光系统而言，激光频率的调制宽度、碘室的冷指温度以及腔内单程功率的改变都会引起输出激光频率的变化。这三个参数分别被称为调制位移参数、温度位移参数和功率位移参数。位移参数的测量实验就是为了确定这些参数而设置的。本次比对未进行温度位移参数的测量实验。
位移参数的测量原理及基本过程与平均频差测量类似。不同的是，在测量过程中需要通过相关参数的改变，得到被测激光的频率变化。将二者的变化量进行比较，就可确定该位移参数。
以调制位移参数测量为例，按图1所示原理调整光路，其中激光系统A作为参考激光，激光系统B作为被测激光。前者的各项参数固定不变，依次选择后者的调制宽度为4MHz、5MHz、6MHz、7MHz和8MHz，按照与上述频差测量完全相同方法和步骤，得到对应于不同调制宽度的平均频差。将频差的变化量与调制宽度的变化量进行比较，最终得到被测激光系统的调制位移参数。测量结果见表5。
表5 激光系统位移参数

激光系统


位移参数

D1


C4


NO.02


NIMTT-1



温度位移(kHz/K)


-11.39


―


—


―



调制位移(kHz/MHzP-P)


-8.55


-8.89


-7.4


―



功率位移(kHz/mW)


-0.20


-0.15


-0.10


―


因为NIMTT-1的调制信号宽度和冷指温度均不可调并且输出激光功率只有15μW，未对其进行上述位移参数的测量。

5.3 激光系统间的平均频差及其标准偏差
为了考察激光系统的光频复现性，频差测量实验连续进行5天。由于NIMTT-1激光输出功率偏小，系统锁定困难，实验中其调制信号宽度设定为10MHz左右。并且，由于该激光系统的碘室冷指的控温环节采用被动控温的方式，温度变化范围较大，与国际推荐条件有一定出入。除此之外，其他激光系统的运行条件均符合国际推荐条件的要求。测量结果见表6。

表6 激光系统之间的平均频差（fA - fB）及其标准偏差σ 单位kHz

fA- fB


D1（A）


NIMTT-1（A）



C4(B)


-7.4



σ=1.7


11.3



σ=4.6



NO.02(B)


-4.8



σ=1.6


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