光频

公式：optical frequency measurement

频率测量的不确定度已可达到比长度测量的不确定度小3～4个数量级。真空的不完全、衍射效应和光反射、透射镜的不平度等也会给光的真空中波长的测量带来附加的不确定度。因此，利用上式通过光频测量来求得光在真空中的波长，比直接测量光在真空中的波长更为准确。1983年10月，第十七届国际计量大会通过了米的新定义：“米是光在真空中在 1/299792458秒的时间间隔内的行程的长度”，并提出可以分别采用由甲烷（3.39微米）、碘（633 纳米）、碘（612纳米）、碘（576纳米）、碘（515 纳米）等几条分子吸收谱线稳频的激光波长来复现米。这样，光频测量就成为复现新的米定义的手段。此外，光频测量还有助于在红外光区和可见光区建立频率标准。

光的频率比铯原子基准频率高4个数量级左右,它们之间很难直接进行比较,因此光频测量的一般方法是:采用由中介激光器(如甲醇激光器、二氧化碳激光器、色心激光器等)、内插锁相微波源和非线性谐波混频器（如肖特基二极管、约瑟夫逊结、金属－氧化物－金属二极管、非线性光学晶体等）组成的频率链，将铯原子基准频率逐级倍频到红外和可见光区，然后通过差频计数的方法来求得光的频率。例如，对3.39微米甲烷吸收稳频的氦氖激光器进行频率测量时（见图）,其测量不确定度为3×10-11。已知f0、测出墹f1、墹f2和墹f3后，即可求得f3。

过去,由于在可见光区直接测频的不确定度较大,有人采用外差方法把红外激光的波长转换到可见光区，然后用伺服激光干涉仪通过测波长比的方法来求出它的频率。后来，又有人探索利用聚焦激光和圆轨道中电子的相互作用原理，把微波频率一步倍频到可见光区，以取代多级倍频链。

光频段或红外频段的频率标准。早在20世纪30年代，人们就用石英晶体振荡器作为射频段的频率标准。40年代出现了原子（分子）频标。这种频标利用原子或分子的量子跃迁频率作为基准，工作在微波频段，频率稳定度和准确度都大为提高(见量子频率标准)。60年代，激光器问世后，人们把这种原理应用于红外和可见光频段，制成光频标。光的频率比微波频率高几万倍，因此，光频标的相对稳定度和准确度都相应提高。

光频标通常利用腔内饱和吸收技术。以工作在 633纳米的碘稳定氦氖激光器为例，其原理如图。激光腔内放置一碘蒸汽吸收室。由于碘在 633纳米附近有丰富的吸收谱线，根据饱和吸收原理，在激光输出功率的调谐曲线上会出现许多窄共振峰。通过电子控制回路，可以把激光频率锁定在某一共振峰的中心频率上。控制元件是固定在腔反射镜后的压电晶体。当激光频率偏离共振峰中心时便产生误差信号，这一信号经处理后用于控制腔长，使频率锁定到峰的中心位置上。这样制成的光频标，频率稳定度和复现性都在10量级。此后，又发展了腔外吸收稳频技术，使光频标的频率稳定度和复现性进一步提高，可达10量级。 　由于光的频率很高,过去难以直接测量,通常用干涉方法测量光频标谱线的波长，并用波长的倍数作为长度基准。60年代末出现的光频测量技术，能准确地直接测量光频标的频率。为此，必须建立一条从微波频标（铯原子频标）到光频标的频率测量链。链中包括一系列不同振荡频率的激光器,如远红外激光器、CO2激光器、色心激光器和氦氖激光器等。利用倍频、混频和锁相技术，把微波频标的频率与这些激光器的频率互锁起来，利用铯原子频标测量光频标的频率。已有几个国家建立了这条链，测量光频的准确度已达10～10。

由于光波的频率 f、波长 λ与真空中光速 c之间的关系为 fλ=c，既然光的频率可以准确测量，在规定c值后就可导出准确的波长值来。1983年10月，第17届国际计量大会通过了新的米的定义：“米是光在真空中在1/299792458秒的时间间隔内行程的长度。”同时,推荐了五条稳定激光谱线作为复现米的标准谱线（见表）。由于定义的开放性，以后还可补充其他新的谱线。同时，氪86、镉114和汞198的光谱线波长标准值仍可使用，但精度为10量级。 　光频标可作为光频段的频率或波长标准，对于各种精密的光学测量和计量具有重要意义，在其他精密测量中也得到广泛应用。

围绕光频标的研制和应用，人们正在进行大量的研究工作：①研究辐射场与原子、分子的细致的相互作用，如光子反冲效应、相对论效应等；②利用高稳定激光进行光速恒定性的研究,验证相对论实验和探测引力波;③研究某些原子、分子的超高分辨率光谱。