稳频激光复现长度单位

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第109页（2454字）

频率稳定的连续波激光辐射可以复现长度单位，而激光是由物质原子的核外电子从能量较高的运动状态向能量较低的运动状态在特定条件下跃迁时释放能量所产生的辐射。原子的核外电子依其运动状态所含的能量分成若干个能级。在一定条件下，原子可从外部吸收能量而使一部分电子跃迁到较高能级去，并在该能级上停留一段时间，然后自发地回到原来的能级并释放出一个光子。这称为自发发射。若较高能级的能量为E₂，而较低能级的能量为E₁，则自发发射一个光子的能量为：

ε=E₂－E₁=hv

式中 h为普朗克常数；

v为辐射频率。

当一个处于高能级的原子被一个能量为ε的光子照射时，受激原子因与光子相互作用而释放出一个能量相同的光子。这种发射称为受激发射。当一团原子中，处于高能级的受激原子很多时，会产生大量受激发射。受激发射所产生的辐射，其偏振态和发射方向与初始的光子相同。这种受激辐射在谐振腔中因受谐振腔的选择作用而不断得到加强，于是产生频率单一的受激辐射，我国简称为激光。

用于复现米定义的理想光源应是单一频率的单色辐射，表现在光谱上应是一条无限窄的谱线。实际上由于多种因素的影响，谱线不可能是无限窄的。首先，对单个原子来说，发射的光子只能是一列有限长的波动，在频谱上表现为在中心频率两侧占有一定宽度的边带(图3．1－1)。除此以外，原子在光子发射方向的运动速度，气体的压力以及电场和磁场的影响等都能使谱线加宽。激光器的谐振腔可以看作一个滤波器，当它的中心频率处于原子自发辐射的谱线宽度以内并在一定条件下，可以激发出频率等于谐振腔中心频率的激光。谐振腔起到了压缩光谱线宽度的作用。而谐振腔的中心频率v_。等于：

图3．1－1 原子光谱线宽度与频率分布

式中c为真空中的光速；

n为谐振腔中的介质折射率；

l为谐振腔的长度；

q为一任意整数。

此式的含义是激光的波长等于谐振腔光学长度二倍(2nl)的整分数。而谐振腔的光学长度会受温度、气压等因素而变化，必须采用一种调整谐振腔长度的方法使它的中心频率v_。落在原子自发辐射的谱线宽度内并且最好与原子自发辐射的中心频率相同。但是原子自发辐射的谱线很宽，即使采用很好的自动控制方法也很难精确地将谐振腔的中心频率锁定在原子自发辐射的中心频率上，实际的激光频率只能被约束在原子自发辐射中心频率±10^－8左右的范围内。必须寻找更窄的谱线，才能提高激光波长的稳定性和复现性。经研究发现某些气体分子具有更窄的谱线，但是这些气体分子除了吸收光子之外并不具备产生激光的条件。只能利用其吸收特性来稳定激光的频率。当光线通过这种气体时，落在这种气体分子谱线宽度范围内的光被吸收，在谱线中心频率处的光被吸收得最多。利用电子控制装置调整激光的腔长，使得激光的频率与气体分子吸收谱线的中心频率相等。对应于谱线中心频率，吸收容易饱和，腔的损耗最小，输出功率最高，形成激光输出功率曲线上的反兰姆下陷，这样峰值稳定性很好。

这种稳频方法称为饱和吸收法。目前已发现了多种气体饱和吸收介质，最初使用的是原子气体，如氖，但后来实验发现，使用分子气体比原子气体具有更多的优点，如甲烷。米定义咨询委员会推荐的五种饱和吸收稳定的激光器是：氖饱和吸收稳定的He－Ne激光器、碘饱和吸收稳定的He－Ne激光器、甲烷饱和吸收稳定的He－Ne激光器、碘饱和吸收稳定的氩离子激光器以及二氧化碳饱和吸收稳定的二氧化碳激光器。这五种稳频激光器可达到很高的频率稳定度和复现性，可以直接用其波长值复现长度单位。

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