试析光干涉测量几何长度的相对不确定度极限

　　1983年,国际计量大会接受了新的基于真空中光速的米定义,同时也公布了实际复现米定义的几条稳频激光谱线的真空中波长[1]　。基于新的米定义,用光干涉测量几何长度不仅精度高,而且可以溯源到基本单位定义。

　　随着激光的出现和现代电子技术的发展,用光干涉的方法测量几何长度已经达到了非常高的不确定度。但是,波长基准是在真空中定义的,在空气中测量几何长度时,空气中光波波长的不确定性成了限制相对测量不确定度的主要因素。在本文中,我们先简略回顾近年来用光干涉法测长的重要技术进展,然后定量分析限制相对测量不确定度提高的因素以及可能的改进途径。

　　1　光干涉测长的进展

　　1960年He-Ne激光的发明为干涉仪提供了一种亮度强、准直性好、相干性高的理想光源。通过适当的设计,He-Ne激光可以实现稳定的基横模(TEM00)单纵模输出。在自由运转条件下,真空波长可能在其整个出光频率范围(1200 ~1500MHz)内漂移,其不确定度在5×10-6(2σ,下文未注置信度者均为2σ)量级。为了改善波长不确定度,通常对激光进行频率稳定。He-Ne激光常用的稳频技术有三种:Lamb凹陷[2]、iZeeman分裂[3]和双纵模[4]。就物理本质讲,这三种方法都基于激活介质受激跃迁中心频率的稳定性,其理论稳频精度是相同的。但实际上,由于设计、特别是激光管和电子线路设计的差异,造成稳频不确定度差异。对不同厂家的Lamb凹陷稳频He-Ne激光器的多年连续监测表明,在整个工作寿命里,其真空中波长的漂移小于7×10-9/年。通常认为,上述三种稳频激光,经拍频检定其真空中波长,在三年的时间里,波长不确定度可以保持在(3~5)×10-8之内。

　　在光干涉测量走向实用化的过程中,双向可逆计数的实现发挥了致关重要的作用。正是“光学90°相移干涉信号———电子判向可逆计数”技术,以及后来出现的双频差拍干涉方法[6],实现了双向位移的可靠测量,从根本上改善了干涉仪的抗振性能,使干涉技术进入实际应用,进而成为商品化的通用测长基本工具。

　　干涉测长的第三个进展是干涉条纹的细分。在常规的Michelson干涉仪中,每个干涉条纹代表二分之一波长的位移,对633nm波长,相当于316nm。利用现代电子细分或借助计算机,可以很容易地完成64甚至更高的细分。而象偏振干涉仪、外差干涉仪可以实现0.1nm甚至更高的分辨率。

　　综上所述,在测量几何长度时,用上述稳频激光作光源的干涉仪,其相对测量不确定度主要受光源波长误差的制约,大约可达到(3~5)×10-8,而绝对测量不确定度主要受限于细分精度。