近日，中國計量科學(xué)研究院量子部主任錢進(jìn)，因在建立國家長度基準(zhǔn)中做出突出貢獻(xiàn)而成為享受國務(wù)院特殊津貼的專家。那么，建立我國新一代國家長度基準(zhǔn)有何重大意義？我國計量工作者為此付出了哪些艱辛？２００４年１２月２６日，記者專程進(jìn)行了采訪。 錢進(jìn)興奮地告訴記者說，作為國家長度基準(zhǔn)的６３３ｎｍＨｅ－Ｎｅ激光穩(wěn)頻裝置，對外代表國家參加國際關(guān)鍵比對，保證其國際一致性；對內(nèi)開展檢定、校準(zhǔn)和檢測等量值傳遞，是我國長度量值溯源的基準(zhǔn)。 在研究新一代長度國家基準(zhǔn)的過程中，體現(xiàn)這種設(shè)計思想的碘分子穩(wěn)頻激光系統(tǒng)和蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光系統(tǒng)已被用于多種精密測量儀器中。這標(biāo)志著高精度穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的研究已經(jīng)進(jìn)入實用階段。 這看似簡單的６３３ｎｍＨｅ－Ｎｅ激光穩(wěn)頻裝置，卻讓我國計量工作者付出了數(shù)十年的努力。 空白８０年 人們知道，長度單位米是基本單位之一。關(guān)于長度單位米，歷史上曾先后有過３次不同的定義。１８８ ９年，在第一屆國際計量大會上通過的米定義為：米的長度等于鉑銥合金國際米原器兩端中間刻線間的距離。 這樣的米定義，復(fù)現(xiàn)量值的不確定度只能保持在１．１×１０－７。 邁克爾遜干涉儀的發(fā)明，導(dǎo)致米定義從機(jī)械長度標(biāo)準(zhǔn)向光學(xué)長度標(biāo)準(zhǔn)的過渡。 世界上第一臺激光器出現(xiàn)同樣是基于能級躍遷的原理所產(chǎn)生的輻射光源，因其突出的優(yōu)點，立即引起了人們極大的興趣。１９８３年第十七屆國際計量大會作了最新的一次修改，將米定義為：米是光在真空中在１／２９９７９２４５８秒時間間隔內(nèi)所傳播的程長。 由于頻率（或波長）穩(wěn)定的激光光源其頻率（或波長）具有極高的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性，完全能夠滿足復(fù)現(xiàn)米定義的要求，因此，在現(xiàn)行米定義的復(fù)現(xiàn)過程中，作為波長基準(zhǔn)裝置的穩(wěn)頻激光系統(tǒng)扮演了十分重要的角色。目前，在世界范圍內(nèi)，現(xiàn)行有效的激光波長基準(zhǔn)共有１２個。其中，１２７Ｉ２飽和吸收穩(wěn)頻６３３ｎｍ激光波長標(biāo)準(zhǔn)是我國和國際上目前最重要的也是使用頻度最高的波長標(biāo)準(zhǔn)。 據(jù)錢進(jìn)介紹，米的３次不同定義反映了不同歷史時期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，體現(xiàn)了經(jīng)典物理、近代物理和現(xiàn)代物理研究的最新成果，同時勾畫出了長度計量基準(zhǔn)從實物基準(zhǔn)向自然基準(zhǔn)變更并提高的歷史軌跡。然而，令人遺憾的是，由于國力貧弱和技術(shù)的落后，當(dāng)國際計量大會向全世界公布前兩個米定義時，對于前者，中國沒有條件實施，對于后者，只能憑借進(jìn)口設(shè)備開展工作。也就是說，在長度單位米存在的近８０年的時間里，中國實際上沒有自己研制的長度基準(zhǔn)。 追趕世界的腳步 ２０世紀(jì)６０年代，中國計量科學(xué)研究院開始對長度基準(zhǔn)進(jìn)行研究，我國長度基準(zhǔn)研制開始起步。經(jīng)歷了最初的Ｈｅ－Ｎｅ激光器器件研制，一次諧波穩(wěn)頻系統(tǒng)的研制，并用所掌握的技術(shù)將激光頻率穩(wěn)定到激光增益輪廓的極大值點（蘭姆凹陷激光出現(xiàn)之前），極小值點（蘭姆凹陷點），氖分子飽和吸收峰，甲烷分子飽和吸收峰等過程后，時光進(jìn)入２０世紀(jì)７０年代，我國計量科研人員開始進(jìn)行碘分子飽和吸收和三次諧波穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)定６３３ｎｍ激光波長的研究課題，目的是建立中國的國家長度基準(zhǔn)。到了７０年代末，碘分子飽和吸收穩(wěn)頻激光系統(tǒng)完成研制，中國成為世界上較早掌握這種技術(shù)并擁有這種激光系統(tǒng)的國家之一。這意味著中國憑借自身的力量結(jié)束了這段沒有長度基準(zhǔn)的歷史。 令人欣喜的是，在此基礎(chǔ)上，不僅在基準(zhǔn)激光方面相繼完成了甲烷分子飽和吸收的３．３９μｍ 波長基準(zhǔn)、碘分子飽和吸收的６１２ｎｍ波長標(biāo)準(zhǔn)、６４０ｎｍ波長標(biāo)準(zhǔn)等，還開發(fā)了應(yīng)用于長度計量方面的６３３ｎｍ蘭姆凹陷穩(wěn)頻激光系統(tǒng)，應(yīng)用于光通訊方面的１．５μｍ塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻激光系統(tǒng)等。 此后，在８０年代、９０年代通過與德國ＰＴＢ的交往、合作和世界銀行貸款的支持，相繼開展了６３３ｎｍ波長基準(zhǔn)的技術(shù)改造和５４３ｎｍ波長基準(zhǔn)的建立等課題的研究在穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的研制，長度基準(zhǔn)的日常維護(hù)和技術(shù)改進(jìn)的過程中，逐步形成了自己的技術(shù)特點。 載入史冊的成績 進(jìn)入２０世紀(jì)９０年代以來，６３３ｎｍ穩(wěn)頻Ｈｅ－Ｎｅ激光被廣泛使用。除了在傳統(tǒng)意義上用于計量標(biāo)準(zhǔn)的目的外，也開始進(jìn)入到一些有特殊精度要求的測量系統(tǒng)中。雖然與其他種類的穩(wěn)頻激光相比，碘穩(wěn)頻激光的計量技術(shù)性能更為優(yōu)越，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難。針對這一情況，計量工作者在設(shè)計新的碘穩(wěn)頻激光系統(tǒng)時，無論是在機(jī)械結(jié)構(gòu)還是在電路設(shè)計上，都有了創(chuàng)新。 新的碘穩(wěn)頻激光系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由激光器和頻率伺服系統(tǒng)兩部分組成。實驗室自行研制組成激光器的增益管和碘室。 為了解決激光支架的可調(diào)性和穩(wěn)定性的矛盾，錢進(jìn)和同事們反復(fù)摸索、設(shè)計出了獨特的激光支架采用雙層剛性結(jié)構(gòu)，即輔助支架和主體支架相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)增加了調(diào)節(jié)端的接觸面積，降低了壓強(qiáng)，從而減小了機(jī)械變形及不穩(wěn)定因素。 根據(jù)碘穩(wěn)頻６３３ｎｍＨｅ－Ｎｅ激光器的工作特性而設(shè)計的伺服系統(tǒng)中的數(shù)字邏輯電路和相關(guān)的模擬電路，它所提供的激光工作狀態(tài)的自動搜索和碘吸收峰的主動識別的特殊功能，使基準(zhǔn)裝置一改沿用了近２０年的傳統(tǒng)操作模式，對激光器的工作狀態(tài)不需要人為的判斷，避免了復(fù)雜的操作程序。 我國計量科研人員還自主研發(fā)了基準(zhǔn)中的重要器件。目前，有關(guān)Ｈｅ－Ｎｅ激光穩(wěn)頻系統(tǒng)中涉及到的所有技術(shù)關(guān)鍵都能在我國計量院的實驗室內(nèi)得到解決，碘穩(wěn)頻激光系統(tǒng)整機(jī)和系統(tǒng)中的一些重要器件，比如Ｈｅ－Ｎｅ激光增益管、碘分子吸收室等，還提供給了德國、西班牙、日本和朝鮮等國家。系統(tǒng)建立后所開展的激光波長校準(zhǔn)的服務(wù)范圍不僅擴(kuò)展到港澳臺地區(qū)，還擴(kuò)展到越南、朝鮮、泰國等周邊國家。 更多的專業(yè)術(shù)語、專業(yè)技術(shù)也許不好理解，但我國長度基準(zhǔn)不僅實現(xiàn)了零的突破，而且躍居國際先進(jìn)水平，這一點已經(jīng)載入史冊。