神通激光

第三节 精确无比的光尺

　　在日常生活中，在工业生产、科学研究、国防事业和商业贸易的各个领域，到处都会碰到长度计量问题。在卡盘飞转的车床前，工人们手握卡尺认真地检测工件；在热火朝天的乡村工地上，农民们拉开皮尺仔细测量渠道；在红红绿绿的商店柜台旁，售货员挥动直尺热情地为顾客选量布料；在静悄悄的设计室里，工程师们拿着比例尺精心地量绘图纸……这些尺子——卡尺、皮尺、直尺、比例尺是生产和生活中计量长度的标准工具。可是，怎样保证这些尺子的精确度呢？显然，要保证这些尺子精确无误，必须有一把最精确的尺子作为基准。什么尺子最精确呢？换句话说，制造和检验这些尺子的基准“尺子”是什么呢？

　　为了长度计量单位统一，1875年3月1日在法国巴黎召开了米制外交大会。在大会的最后一次会议上，20个国家共同签订了闻名的“米制公约”。当时规定通过巴黎的地球子午线的四千万分之一为1米，改变了以往国际上长度单位的混乱局面。不久，人们发现上述米的规定不能满足工业发展的要求，于是，1889年第一届国际计量大会通过了一项米尺协议，决定采用一根X型截面的铂铱合金米尺，用这根米尺上的两条刻线间的距离作为1米的定义值。这根米尺称为国际米原器，精心地保存在法国巴黎国际计量局的特殊环境里，以避免发生热胀冷缩和各种物理化学变化。各国的国定米尺和其他计量机构的精密线纹尺，都以国际米原器为基准，定期同它比较以判断和保证精确度。

　　国际米原器的相对精度为一千万分之一左右，即1米的测量精度为0.1微米左右。到了20世纪中叶，这个精度显得不够用了，不仅影响了自然科学的发展，也不能满足机械制造、特别是精密机械制造等行业的要求。此外，随着对微观世界认识的不断深入，人们发现铂铱合金国际米原器保存得不管怎样好，由于物质内部结构随着时间推移在变化，它还是在慢慢地发生微小的变形，国际米原器上两条基准刻线间的距离慢慢地在改变，因而不能保证国际米原器所规定的精确度。

　　怎样才能保证长度基准单位永久不变呢？

　　长期以来，科学家们一直在寻找一种自然存在的基准，取代人为的长度基准。1905年，爱因斯坦利用量子理论，成功地解释了光电效应和光的本性，确定了频率与能量之间的关系。于是，有些物理学家提出了用原子辐射的波长作为检定米基准的建议。各国科学家做了许多用光波波长确定米的定义的研究工作，为取得理想的同位素单色光辐射光源的问题进行了大量的实验，实验研究证明可采用的单色光源有镉114红谱线、汞198绿谱线、氪86红绿谱线和橙黄谱线。从谱线的宽度、对称性和受干扰等方面的特性来看，以氪86同位素原子辐射出的橙黄谱线波长值最理想。1960年10月14日，在第11届国际计量大会上规定了米的新定义，即1米的长度等于氪86原子的2P10和5D5能级间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍。从此，延用了71年的米原器退休，光子尺登上了现代国际计量标准的舞台。

　　氪86是一种质量数为86的气体元素氪。将氪86这种元素装在一种灯管里，在特定的条件下，通电后就会发出光来。对这种光进行光谱分析，可以看到一段橙黄谱线。这种光的波长很稳定，所以，用它作为长度的基准，比任何尺子都更精确。用这种光波波长基准来检测一根尺子是否精确，也就是说，将一根尺同氪86光波波长进行比较，还需要有一套专用设备，这套设备叫做“光电光波自动比长仪”。以氪86光波波长为基准，利用光电光波自动比长仪检测米尺，精度很高，1米误差只有一千万分之一。

　　用氪86光波波长作基准进行比较测量，精度虽然很高，然而却有一定的限度，就是它一次可以测量的最大长度只有几百毫米。这是因为，用光波波长作基准比较测量是靠光的干涉，而氪86光波的干涉长度不到800毫米。这样，就不能用光的干涉方法来直接测量1米以上的长度。而且，氪86光源强度低，观察和记录干涉条纹既费时又费力，因此，这种方法的应用受到了限制。

　　激光技术的发展，使以光波作为基准的比较测量获得了新生。激光的单色性好，方向性好，相干性好，光强度大，因此，激光是精密测量的理想光源。例如，从氦氖激光器发射出来的激光，相干长度理论上可达300公里，在大气中200米距离内能清楚地看到稳定的干涉条纹，再现性比氪86高1000倍。因此，激光干涉仪使直接精确测量大尺寸能够实现，为精密计量技术提供了最有效的方法。这样，激光光波作为基准和普遍应用激光干涉测量长度的时代已经到来。

　　1983年10月20日，在法国巴黎举行的第17届国际计量大会上，正式通过了米的新定义：1米的长度等于光在真空中在1/299 792 458秒的时间间隔内运行的距离。国际计量大会在通过米的新定义的同时，推荐了5种稳频激光器作为执行新的米定义的参考标准，其中有一种稳频激光器是我国计量科技工作者研制的。

　　米的新定义的特点是，把真空中的光速值作为一个固定不变的基本物理量。早在20世纪60年代末，科学家们用触须二极管成功地测量了甲烷稳频3.39微米氦氖激光器输出频率的绝对值和波长的绝对值，经过国际间平均与核对，得到真空中的光速值为299 792 458米/秒。光速值不再是物理学中一个可测量的量，而是一个换算用的常数，长度测量可通过时间或频率测量得出，因而使长度单位和时间单位结合起来。

　　我国设计制造的高精度激光光波自动比长仪，用来检定米标准，一按电钮，几分钟就测定完毕，数字由电子计算机进行计算，并且自动打印出来，达到了国际先进水平。它的测量精度很高，1米误差只有一万分之二毫米，这就是说，只有一根头发丝直径的三百五十分之一！

　　40多年来，激光在计量科学和检测技术中得到了卓有成效的应用。除了上面讲的导致了计量基准的新定义之外，还开发了一大批新型计量测试仪器。拿长度计量来说吧。在工业生产和科学研究中，常常要精确测定较短的长度，例如测定几个厘米的长度，而且对测量精度要求十分高，通常是借助于一种长方体的金属量块来完成的。这种量块是长度精密测量的重要基准量具，被誉为“量具之王”。可是，这个“王”也得有个“王法”，要以“米基准”为最高基准，因而必须进行检定。过去，国内外检定最高精度量块，大多采用20世纪30年代德国的柯氏干涉仪或在此基础上经过改进的仪器，依靠目视测量，检定效率低，劳动强度大，不适应现代工业生产和科学研究的需要。20世纪70年代末，我国自行设计研制成功了第一台激光量块干涉仪，成功地将激光应用于精密计量，采用一系列先进技术和光学元件，并配备专用电子计算机，比采用柯氏干涉仪检定效率高10多倍，测量精度极高，误差只相当于一根头发丝直径的二千分之一！

　　目前，激光已广泛和成功地应用于长度、角度、线径、振动、重力、转速、速度、硬度及其他物理量和工程计量测试领域。激光计量和检测，除了测量精度高以外，还有其他许多优点。比如，它是以光波获取信息，不接触、不影响被测量对象和现场；它是以光速传播，测量速度极快；它可以作远距离遥测，能够用在人不适宜接近的高温、危险的场所，以及人造卫星测距；它可以同时进行多维测量，没有干扰，也不存在电磁干扰。这些特点，使激光不仅推动着作为现代科技基础的计量测试技术的飞跃，而且在高科技领域里也发挥着特殊的作用。