【国家计量标准(JJ)】 633nm稳频激光器检定规程

中华人民共和国国家计量检定规程JJG353—2006
633nm稳频激光器
633nmFrequencyStabilizedLasers2006-03-08发布
2006-09-08实施
国家质量监督检验检疫总局发布JJG353—2006
633nm稳频激光器检定规程
Verification Regulation of
633nmFrequencyStabilizedLasersJJG353—2006
代替JJG353—1994
本规程经国家质量监督检验检疫总局2006年3月8日批准：并自2006年9月8日起施行。
归口单位：全国几何量长度计量技术委员会起草单位：中国计量科学研究院本规程委托全国儿何量长度计量技术委员会负责解释本规程起草人：
刘秀英
石春英
JJG353—2006
（中国计量科学研究院）
（中国计量科学研究院）
（中国计量科学研究院）
范围·
引用文献
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被检633nm稳频激光器的稳频原理概述计量性能要求
被检633nm稳频激光器的平均频率值和真空波长值被检633nm稳频激光波长的相对扩展不确定度相对频率稳定度·
通用技术要求
技术资料
结构和外观·
功能键
计量器具控制
检定条件.
检定项目·
检定方法·
检定结果的处理·
检定周期
附录A
附录B
附录C
附录D
检定原始记录格式
检定证书（内页）格式
检定结果通知书（内页）格式
各种稳频激光器的简介
附录E不同干涉仪光源的波长相对扩展不确定度附录F
兰姆凹陷激光器的相对深度
（1）
（2）
（2）
（2）
（3）
（3）
（3）
（3）
（3）
（3）
（3）
（3）
（4）
（7）
（9）
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633nm稳频激光器检定规程
米是国际单位制（SI）中的基本长度单位。1983年10月第17届国际计量大会（CGPM）通过了现行的米定义，即“米是光于真空中，在1/299792458秒的时间间隔内传播的程长”。同时废除了原有米定义。现行米定义有三种复现方法：1=c·t，即先测量平面电磁波在真空中距离上传播时所需的时间t，然后由c·t可求出被测长度l；
—入=号，即测量平面电磁波的频率于，然后由求出真空波长入，将入作为长度于
标准；
直接引用国际计量委员会推荐的12条激光辐射谱线（详见引用文献）所对应的真空波长值或频率值，并按给定的不确定度使用。本规程采用上述的第三种方法，并选择稳定在碘分子饱和吸收谱线上的633nmHe-Ne激光波长作为测量标准。
1992年国际计量大会规定633nm激光波长基准的相对标准不确定度为2.5×10-11。长度计量中作为各级基标准的激光干涉仪，都是依据其光源的发射波长来计算被测长度值的。作为干涉仪光源的各种稳频激光器，其输出激光波长（频率）特性的稳定可靠是保证干涉仪正常运转的基本工作条件。1范围
本规程适用于不同类型的稳频633nm激光器的首次检定和后续检定。适用于各种稳频633nm激光器输出波长的真空波长（频率）值的量值溯源和不同取样时间间隔的频率稳定度的测量。
经检定合格的633nm稳频激光器能够作为基标准装置的干涉仪光源用于国家级、省（部）级和企业、事业单位的各种检定、校准装置的干涉测量系统中。2引用文献
本规程引用下列文献：
DocumentsConcerningtheNewDefinition of theMeter，Metrologia,19(1984)163（关于新米定义的文件，计量，19卷（1984）163页。）MiseenPratiqueof theDefinitionof theMetre（1992)，Metrologia，30（1994)523.（米定义的实现方法（1992），计量，30卷（1994）523页。）PracticalRealizationoftheDefinitionoftheMetre（1997)，Metrologia，36（1997）211.
（米定义的实现方法（1997），计量，36卷（1997）211页。）1
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3被检633nm稳频激光器的稳频原理概述在自由运转时，一台普通的He-Ne激光器，其输出激光的真空波长（频率）可能在整个增益范围（约1500MHz）内变化，其相对不确定度在10一6量级。为满足十涉测量的需要，通常需要采取一定的技术措施对激光器进行控制，以达到稳定激光频率（或波长）的自的。采用不同的方法对激光器输出的激光（激光器输出的激光以下简称激光）进行频率控制，得到的结果也有一定的差异。通常被检定的稳频激光器有：实用型633nm碘分子饱和吸收稳频激光器、双纵模稳频激光器、兰姆凹陷稳频激光器和塞曼效应稳频激光器等，其简介见附录D633nm碘分子饱和吸收稳频激光器可用于诸如一等量块干涉仪、激光绝对重力仪等对测量不确定度要求较高的干涉测量系统中。其他633nm稳频激光器作为波长标准主要用于各种不同的干涉测量系统中。这些干涉测量系统，根据不同情况，有的用作国内各级政府计量部门的相关计量标准装置，有的用作企、事业单位的相关工作计量装置。4计量性能要求
稳频激光器输出的激光波长（激光器输出的激光波长以下简称激光波长）的相对标准不确定度是衡量稳频激光器计量性能的最主要的技术指标。在不同用途的测量装置中，对633nm稳频激光波长的相对标准不确定度范围的要求差异是很大的。4.1被检633nm稳频激光器的平均频率值和真空波长值被检633nm稳频激光器的平均频率值应在（473610551.9～473614014.6）MHz之间。
被检633nm稳频激光器的真空波长值应在（632.9889926～632.9936206）nm之间。
4.2被检633nm稳频激光波长的相对扩展不确定度633nm稳频激光器用作工作基准器具干涉仪光源、计量标准器具干涉仪光源、工作计量器具干涉仪光源时，其波长的相对扩展不确定度差异是很大的。实际应用时：633nm稳频激光波长的相对扩展不确定度通常取包含因子k一2。基于不同原理稳频的激光器，对其激光波长的相对扩展不确定度的要求如表1所示。表1不同稳频方法的激光波长相对扩展不确定度名称
碘饱和吸收稳频激光器
双纵模稳频激光器
塞曼效应稳频激光器
兰姆回陷稳频激光器
其他稳频方法的稳频激光器
相对扩展不确定度
≤5×10-10
≤7×10-8
≤7×10-8
7×10-8
≤7×10-8
4.3相对频率稳定度
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不同稳频方法的激光器，不同取样时间其输出激光的频率稳定度要求见表2表2不同稳频方法的激光器不同取样时间输出激光的频率稳定度0.1s
碘饱和吸收稳频激光器
双纵模稳频激光器
塞曼效应稳频激光器
兰姆凹陷稳频激光器
其他稳频方法的稳频激光器
5通用技术要求
5.1标志
≤5×10-10
≤5×10-9
5×10-9
≤5×10-
≤3×10
≤1×10-10
≤1X10-9
≤1×10-9
≤1X10-9
≤3×10
≤5×10-11
1X10-9
≤1X10
≤1X10
≤1X10
≤5×10-11
≤510-
≤5×10-
≤5×10-
1×10-*
≤510-
≤5×10-
≤5×10-9
≤5×10-9
≤1×10-8
被检633nm稳频激光器应具有注明其名称、型号、生产厂家和出厂编号等标志的标牌。
5.2技术资料
被检633nm稳频激光器应附有生产厂家提供的产品合格证、计量性能的技术说明书和有关附件。复检激光器应附有上一次的检定证书。5.3结构和外观
被检633nm稳频激光器的结构应具有一定的整体性，其操作应简便可靠。外观不能有影响工作性能的损伤。
5.4功能键
被检633nm稳频激光器的各种开关、按键等应标志清楚。开关，按键等应接触良好并工作正常。
6计量器具控制
计量器具控制包括首次检定和后续检定。首次检定在常规检定的基础上多一项复现性测量。具体测量方法为第一次测量完成后，被检仪器需冷却不少于12h，再进行第二次测量。根据两次不同时间的测量结果，给出检定结果的相对扩展不确定度。后续检定应根据当前测量结果，并考虑当前测量结果与上周期测量结果的重复性，给出检定结果的相对扩展不确定度。6.1检定条件
6.1.1环境条件
实验室环境温度应在（23土3）℃范围内，检定时的温度波动应小于0.5℃，相对湿度≤65%RH。
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被检的稳频激光器在检定实验室内平衡温度的时间不得少于12h。6.1.2检定设备
检定设备为633nmHe-Ne碘稳频国家长度基准、碘稳频国家长度副基准装置和碘稳频长度实用标准。
作为国家长度基标准装置的碘稳频633nmHe-Ne激光器，检定开始前需预热3h以上，以保证连续锁定时间。
作为拍频系统组成部分的前置放大器、频率计数器、频谱分析仪的响应带宽应不小于1GHz。
6.2检定项目
检定项目见表3。
表3检定项目表
检定项目
平均真空波长（频率）值
不同取样时间的相对频率稳定度的测量不同时间的复现性测量
当前结果与前一次检定结果比较注：“十”表示应检定项目，“一”表示非检定项目。6.3检定方法
6.3.1633nm稳频激光的平均真空波长（频率）值拍频测量方法。
6.3.1.1拍频系统的组成
首次检定
检定类别
后续检定
当参考激光和被检633nm稳频激光的频率（或波长）相近、两束光波前重合且彼此间光的振动方向的投影不为零时，即形成拍频。两者之频率差为拍的频率。用这一方法对激光频率（或波长）进行的测量，即是拍频测量。其中，参考激光器的辐射频率（或波长）应为已知。
测量光路如图1所示，启动被检稳频激光器电源及控制系统电源，根据仪器的要求进行预热。将633nmHe-Ne碘稳频基标准激光器作为参考激光器。调整被检稳频激光器与参考激光器的输出光束，使两束激光完全重合，经波前重合后的两束激光产生频差信号△f。根据频差信号，在被推荐的碘分子饱和吸收峰中，选择合适（避免零频差）的分量，作为参考激光的锁定频率。光信号进入带有宽带放大器的快速响应探测器得到相应的拍频信号，该信号进入频谱分析仪和带有标准接口功能的频率计数器，计算机通过接口采集并处理数据。频率计数器的取样时间为0.1s，连续进行3h测量，计算机计4
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算3h内测量数据的算术平均值，求得平均频差△f。最后，根据公式计算出3h内的被检633nm稳频激光的平均真空波长（频率）值。f频率锁定系统
633nmHe-Ne碘稳频激光器
额率计数器
频率锁定系统
被测量633nmHe-Ne稳频激光器
图1测量光路图
6.3.1.2实用型633nm碘分子饱和吸收稳频激光器额谱分析仪
测量光路如图1所示，实用型633nm碘分子饱和吸收稳频激光器需预热2h左右，调节压电陶瓷驱动电压，将被检激光锁定于待测碘稳频吸收峰上。将633nmHe-Ne碘稳频基标准激光器作为参考激光器。调整被检碘稳频激光器与参考激光器的输出光束，使两束激光完全重合后，经波前重合后的两束激光产生频差信号f。测量过程同6.3.1.1。
6.3.1.3其他633nm稳频激光器
测量光路如图1所示，633nm稳频激光器按说明书要求的预热时间预热并锁定。调整测量步骤同6.3.1.1。
6.3.1.4被检633nm稳频激光的平均频率值和真空波长值计算被检633nm稳频激光在测量时间内的平均频率和平均真空波长值表述分别为f=f.+AF
式中：f被检633nm稳频激光的平均频率值：入.——被检633nm稳频激光的平均真空波长值；一真空中的光速值；
测量时间内被检633nm稳频激光与参考激光的平均频差；(1)
碘分子吸收峰的跃迁频率所对应的频率值，碘分子吸收峰可以为国际计量委员会推荐的21个中的任意一个。5
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6.3.2被检633nm稳频激光的平均频率值的相对扩展不确定度的计算被检633nm稳频激光的平均频率值的不确定度主要有三部分，分别是测量方法引人的不确定度、测量仪器引入的不确定度和被检激光的波长复现性引人的不确定度。被检633nm稳频激光的平均频率值的相对标准不确定度的计算由（2）式得：入
()=(1-2a..)u(a.)+().u(F）
式中：u。（入）被检633nm稳频激光的真空波长值的标准不确定度；u（入，）参考激光的真空波长值的标准不确定度；u（△f）一测量平均频差的标准不确定度。（3）
在（4）式中，对于第一项，参考激光波长的相对标准不确定度是2.5×10-11，则参考激光波长的标准不确定度u（入，）=入，×2.5×10-1；对于第二项，其一，被检633nm稳频激光波长的检定方法与参考激光波长的自校准方法原理相同，故由测量方法引人的标准不确定度可以忽略；其二，频率计数器的最大误差值为1Hz，相对光频而言，其测量不确定度为10-1量级，由其引人误差可以忽略；其三，被检633nm稳频激光波长的相对变化范围，根据不同的稳频原理，在10-7～10-10量级之间：因此，最终的结果是，与被检激光波长自身的相对变化相比较，由前两项因素引入的不确定度可以忽略。综上所述，被检633nm稳频激光波长的标准不确定度为uca.)-·u(A)
（5）
实验中，将（5）式看作测量时间内的标准差，并以此得出被检633nm稳频激光波长的相对标准不确定度：
uer(a)=ue(a,)
对于首次检定其重复性测量结果应满足表1和表2的要求。对于后续检定应考虑被检激光前一年的检定结果，给出对应的被检633nm稳频激光波长的相对扩展不确定度，该不确定度也应该满足表1和表2的要求。6.3.3不同取样时间的激光相对频率稳定度的测量被检633nm稳频激光相对频率稳定度的测量是和激光真空波长（频率）的测量同步完成的，取样时间分别取0.1s、1s、10s、100s和1000s。不同取样时间的相对频率稳定度。用阿仑方差评估：
(fi1-f.)*
=2（N-1)台
式中：a相对频率稳定度；
N总测量次数；