神通激光

第三節 精確無比的光尺

　　在日常生活中，在工業生產、科學研究、國防事業和商業貿易的各個領域，到處都會碰到長度計量問題。在卡盤飛轉的車床前，工人們手握卡尺認真地檢測工件；在熱火朝天的鄉村工地上，農民們拉開皮尺仔細測量渠道；在紅紅綠綠的商店櫃台旁，售貨員揮動直尺熱情地為顧客選量布料；在靜悄悄的設計室裏，工程師們拿著比例尺精心地量繪圖紙……這些尺子——卡尺、皮尺、直尺、比例尺是生產和生活中計量長度的標準工具。可是，怎樣保證這些尺子的精確度呢？顯然，要保證這些尺子精確無誤，必須有一把最精確的尺子作為基準。什麽尺子最精確呢？換句話說，製造和檢驗這些尺子的基準“尺子”是什麽呢？

　　為了長度計量單位統一，1875年3月1日在法國巴黎召開了米製外交大會。在大會的最後一次會議上，20個國家共同簽訂了聞名的“米製公約”。當時規定通過巴黎的地球子午線的四千萬分之一為1米，改變了以往國際上長度單位的混亂局麵。不久，人們發現上述米的規定不能滿足工業發展的要求，於是，1889年第一屆國際計量大會通過了一項米尺協議，決定采用一根X型截麵的鉑銥合金米尺，用這根米尺上的兩條刻線間的距離作為1米的定義值。這根米尺稱為國際米原器，精心地保存在法國巴黎國際計量局的特殊環境裏，以避免發生熱脹冷縮和各種物理化學變化。各國的國定米尺和其他計量機構的精密線紋尺，都以國際米原器為基準，定期同它比較以判斷和保證精確度。

　　國際米原器的相對精度為一千萬分之一左右，即1米的測量精度為0.1微米左右。到了20世紀中葉，這個精度顯得不夠用了，不僅影響了自然科學的發展，也不能滿足機械製造、特別是精密機械製造等行業的要求。此外，隨著對微觀世界認識的不斷深入，人們發現鉑銥合金國際米原器保存得不管怎樣好，由於物質內部結構隨著時間推移在變化，它還是在慢慢地發生微小的變形，國際米原器上兩條基準刻線間的距離慢慢地在改變，因而不能保證國際米原器所規定的精確度。

　　怎樣才能保證長度基準單位永久不變呢？

　　長期以來，科學家們一直在尋找一種自然存在的基準，取代人為的長度基準。1905年，愛因斯坦利用量子理論，成功地解釋了光電效應和光的本性，確定了頻率與能量之間的關係。於是，有些物理學家提出了用原子輻射的波長作為檢定米基準的建議。各國科學家做了許多用光波波長確定米的定義的研究工作，為取得理想的同位素單色光輻射光源的問題進行了大量的實驗，實驗研究證明可采用的單色光源有鎘114紅譜線、汞198綠譜線、氪86紅綠譜線和橙黃譜線。從譜線的寬度、對稱性和受幹擾等方麵的特性來看，以氪86同位素原子輻射出的橙黃譜線波長值最理想。1960年10月14日，在第11屆國際計量大會上規定了米的新定義，即1米的長度等於氪86原子的2P10和5D5能級間躍遷的輻射在真空中波長的1650763.73倍。從此，延用了71年的米原器退休，光子尺登上了現代國際計量標準的舞台。

　　氪86是一種質量數為86的氣體元素氪。將氪86這種元素裝在一種燈管裏，在特定的條件下，通電後就會發出光來。對這種光進行光譜分析，可以看到一段橙黃譜線。這種光的波長很穩定，所以，用它作為長度的基準，比任何尺子都更精確。用這種光波波長基準來檢測一根尺子是否精確，也就是說，將一根尺同氪86光波波長進行比較，還需要有一套專用設備，這套設備叫做“光電光波自動比長儀”。以氪86光波波長為基準，利用光電光波自動比長儀檢測米尺，精度很高，1米誤差隻有一千萬分之一。

　　用氪86光波波長作基準進行比較測量，精度雖然很高，然而卻有一定的限度，就是它一次可以測量的最大長度隻有幾百毫米。這是因為，用光波波長作基準比較測量是靠光的幹涉，而氪86光波的幹涉長度不到800毫米。這樣，就不能用光的幹涉方法來直接測量1米以上的長度。而且，氪86光源強度低，觀察和記錄幹涉條紋既費時又費力，因此，這種方法的應用受到了限製。

　　激光技術的發展，使以光波作為基準的比較測量獲得了新生。激光的單色性好，方向性好，相幹性好，光強度大，因此，激光是精密測量的理想光源。例如，從氦氖激光器發射出來的激光，相幹長度理論上可達300公裏，在大氣中200米距離內能清楚地看到穩定的幹涉條紋，再現性比氪86高1000倍。因此，激光幹涉儀使直接精確測量大尺寸能夠實現，為精密計量技術提供了最有效的方法。這樣，激光光波作為基準和普遍應用激光幹涉測量長度的時代已經到來。

　　1983年10月20日，在法國巴黎舉行的第17屆國際計量大會上，正式通過了米的新定義：1米的長度等於光在真空中在1/299 792 458秒的時間間隔內運行的距離。國際計量大會在通過米的新定義的同時，推薦了5種穩頻激光器作為執行新的米定義的參考標準，其中有一種穩頻激光器是我國計量科技工作者研製的。

　　米的新定義的特點是，把真空中的光速值作為一個固定不變的基本物理量。早在20世紀60年代末，科學家們用觸須二極管成功地測量了甲烷穩頻3.39微米氦氖激光器輸出頻率的絕對值和波長的絕對值，經過國際間平均與核對，得到真空中的光速值為299 792 458米/秒。光速值不再是物理學中一個可測量的量，而是一個換算用的常數，長度測量可通過時間或頻率測量得出，因而使長度單位和時間單位結合起來。

　　我國設計製造的高精度激光光波自動比長儀，用來檢定米標準，一按電鈕，幾分鍾就測定完畢，數字由電子計算機進行計算，並且自動打印出來，達到了國際先進水平。它的測量精度很高，1米誤差隻有一萬分之二毫米，這就是說，隻有一根頭發絲直徑的三百五十分之一！

　　40多年來，激光在計量科學和檢測技術中得到了卓有成效的應用。除了上麵講的導致了計量基準的新定義之外，還開發了一大批新型計量測試儀器。拿長度計量來說吧。在工業生產和科學研究中，常常要精確測定較短的長度，例如測定幾個厘米的長度，而且對測量精度要求十分高，通常是借助於一種長方體的金屬量塊來完成的。這種量塊是長度精密測量的重要基準量具，被譽為“量具之王”。可是，這個“王”也得有個“王法”，要以“米基準”為最高基準，因而必須進行檢定。過去，國內外檢定最高精度量塊，大多采用20世紀30年代德國的柯氏幹涉儀或在此基礎上經過改進的儀器，依靠目視測量，檢定效率低，勞動強度大，不適應現代工業生產和科學研究的需要。20世紀70年代末，我國自行設計研製成功了第一台激光量塊幹涉儀，成功地將激光應用於精密計量，采用一係列先進技術和光學元件，並配備專用電子計算機，比采用柯氏幹涉儀檢定效率高10多倍，測量精度極高，誤差隻相當於一根頭發絲直徑的二千分之一！

　　目前，激光已廣泛和成功地應用於長度、角度、線徑、振動、重力、轉速、速度、硬度及其他物理量和工程計量測試領域。激光計量和檢測，除了測量精度高以外，還有其他許多優點。比如，它是以光波獲取信息，不接觸、不影響被測量對象和現場；它是以光速傳播，測量速度極快；它可以作遠距離遙測，能夠用在人不適宜接近的高溫、危險的場所，以及人造衛星測距；它可以同時進行多維測量，沒有幹擾，也不存在電磁幹擾。這些特點，使激光不僅推動著作為現代科技基礎的計量測試技術的飛躍，而且在高科技領域裏也發揮著特殊的作用。