光頻

公式：optical frequency measurement

頻率測量的不確定度已可達到比長度測量的不確定度小3～4個數量級。真空的不完全、衍射效應和光反射、透射鏡的不平度等也會給光的真空中波長的測量帶來附加的不確定度。因此，利用上式通過光頻測量來求得光在真空中的波長，比直接測量光在真空中的波長更為準確。1983年10月，第十七屆國際計量大會通過了米的新定義：“米是光在真空中在 1/299792458秒的時間間隔內的行程的長度”，并提出可以分別采用由甲烷（3.39微米）、碘（633 納米）、碘（612納米）、碘（576納米）、碘（515 納米）等幾條分子吸收譜線穩(wěn)頻的激光波長來復現米。這樣，光頻測量就成為復現新的米定義的手段。此外，光頻測量還有助于在紅外光區(qū)和可見光區(qū)建立頻率標準。

光的頻率比銫原子基準頻率高4個數量級左右,它們之間很難直接進行比較,因此光頻測量的一般方法是: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)、內插鎖相微波源和非線性諧波混頻器（如肖特基二極管、約瑟夫遜結、金屬－氧化物－金屬二極管、非線性光學晶體等）組成的頻率鏈，將銫原子基準頻率逐級倍頻到紅外和可見光區(qū)，然后通過差頻計數的方法來求得光的頻率。例如，對3.39微米甲烷吸收穩(wěn)頻的氦氖激光器進行頻率測量時（見圖）,其測量不確定度為3×10-11。已知f0、測出墹f1、墹f2和墹f3后，即可求得f3。

過去,由于在可見光區(qū)直接測頻的不確定度較大,有人采用外差方法把紅外激光的波長轉換到可見光區(qū)，然后用伺服激光干涉儀通過測波長比的方法來求出它的頻率。后來，又有人探索利用聚焦激光和圓軌道中電子的相互作用原理，把微波頻率一步倍頻到可見光區(qū)，以取代多級倍頻鏈。

光頻段或紅外頻段的頻率標準。早在20世紀30年代，人們就用石英晶體振蕩器作為射頻段的頻率標準。40年代出現了原子（分子）頻標。這種頻標利用原子或分子的量子躍遷頻率作為基準，工作在微波頻段，頻率穩(wěn)定度和準確度都大為提高(見量子頻率標準)。60年代，激光器問世后，人們把這種原理應用于紅外和可見光頻段，制成光頻標。光的頻率比微波頻率高幾萬倍，因此，光頻標的相對穩(wěn)定度和準確度都相應提高。

光頻標通常利用腔內飽和吸收技術。以工作在 633納米的碘穩(wěn)定氦氖激光器為例，其原理如圖。激光腔內放置一碘蒸汽吸收室。由于碘在 633納米附近有豐富的吸收譜線，根據飽和吸收原理，在激光輸出功率的調諧曲線上會出現許多窄共振峰。通過電子控制回路，可以把激光頻率鎖定在某一共振峰的中心頻率上?？刂圃枪潭ㄔ谇环瓷溏R后的壓電晶體。當激光頻率偏離共振峰中心時便產生誤差信號，這一信號經處理后用于控制腔長，使頻率鎖定到峰的中心位置上。這樣制成的光頻標，頻率穩(wěn)定度和復現性都在10量級。此后，又發(fā)展了腔外吸收穩(wěn)頻技術，使光頻標的頻率穩(wěn)定度和復現性進一步提高，可達10量級。 　由于光的頻率很高,過去難以直接測量,通常用干涉方法測量光頻標譜線的波長，并用波長的倍數作為長度基準。60年代末出現的光頻測量技術，能準確地直接測量光頻標的頻率。為此，必須建立一條從微波頻標（銫原子頻標）到光頻標的頻率測量鏈。鏈中包括一系列不同振蕩頻率的激光器,如遠紅外激光器、CO2激光器、色心激光器和氦氖激光器等。利用倍頻、混頻和鎖相技術，把微波頻標的頻率與這些激光器的頻率互鎖起來，利用銫原子頻標測量光頻標的頻率。已有幾個國家建立了這條鏈，測量光頻的準確度已達10～10。

由于光波的頻率 f、波長 λ與真空中光速 c之間的關系為 fλ=c，既然光的頻率可以準確測量，在規(guī)定c值后就可導出準確的波長值來。1983年10月，第17屆國際計量大會通過了新的米的定義：“米是光在真空中在1/299792458秒的時間間隔內行程的長度。”同時,推薦了五條穩(wěn)定激光譜線作為復現米的標準譜線（見表）。由于定義的開放性，以后還可補充其他新的譜線。同時，氪86、鎘114和汞198的光譜線波長標準值仍可使用，但精度為10量級。 　光頻標可作為光頻段的頻率或波長標準，對于各種精密的光學測量和計量具有重要意義，在其他精密測量中也得到廣泛應用。

圍繞光頻標的研制和應用，人們正在進行大量的研究工作：①研究輻射場與原子、分子的細致的相互作用，如光子反沖效應、相對論效應等；②利用高穩(wěn)定激光進行光速恒定性的研究,驗證相對論實驗和探測引力波;③研究某些原子、分子的超高分辨率光譜。