1.5. Прецизионное измерение длин волн
Измерение длины волны источника излучения является важной практической задачей. Иногда требуемая при этом погрешность измерения достигает 10-10-10-12. Для установления абсолютного значения λ необходимо сравнение ее с первичным эталоном (длина волны спектральной линии λвак~6058 Ǻ изотопа 86Kr), которое не может быть проведено с точностью, превышающей точность первичного эталона. Небольшая асимметрия линии 86Kr, кривизна зеркал интерферометра определяют относительную погрешность ~10-9 криптонового эталона лимитирующую возможность более точного измерения длины волны исследуемого лазера. О способах повышения точности самого эталона будет сказано ниже.
Функциональная схема установки для измерения длин волн представлена на рис. 1.20
Рис. 1.20. Измерение длины волны: а) принципиальная схема, б) схема со встроенным активным элементом: 1 и 3 - эталонный и поверяемый источники; 2 - монохроматор; 4, 14 – полупрозрачные пластин; 5 - интерферометр Фабри-Перо; 6,12 – фотоэлементы; 7 - регистрирующая система; 8 – пьезокорректор; 9 – источник питания; 10 – активный элемент; 11 – опорный лазер; 13 – частотомер.
Излучение газонаполненной лампы с изотопом 86Kr (1) через монохроматор (2) направляется в интерферометр Фабри-Перо (5). С помощью пьезокорректора (8) добиваются расположения целого числа длин волн между зеркалами интерферометра и измеряется их число. При этом фотоприемник (7) настраивается на максимум интерференции. Излучение исследуемого лазера (3) направляется в интерферометр. Дробную часть интерференции измеряют перестройкой интерферометра Фабри-Перо так, чтобы в нем укладывалось целое число длин волн источника (3).
Замена криптонового эталона на лазерный Hе-Ne/127J2- лазер позволила значительно повысить точность измерения длин волн. Заметим, что при независимом определении частоты этого лазера приходилось сравнивать ее с частотой некоторого первичного эталона. В качестве такого «атомного стандарта» в 1966 г. была выбрана частота перехода между двумя сверхтонкими компонентами цезия-133 в нулевом магнитном поле. Эта частота (ν0=9192631770 Гц) характеризуется максимальной воспроизводимостью. Секунда определяется как единица времени в этой «атомной шкале». Несмотря на трудности измерения частот в оптическом диапазоне, частоту исследованного лазера можно сравнить с частотой атомного стандарта. Для этого было взято несколько промежуточных источников стабильных частот (лазеры на углекислом газе, на парах воды, синильной кислоте, на парах йода, клистроны). Эти сложнейшие измерения были проведены с суммарной относительной ошибкой ~10-11.
Возвращаясь к устройству для измерения длин волн, отметим, что повысить точность измерения можно применением в качестве эталона стабилизированного лазера, а также встраиванием активного элемента в интерферометр Фабри-Перо, образуя вспомогательный лазер (рис. 1.21б). Изменение длины интерферометра регистрируется как изменение частоты вспомогательного лазера, которое определяется при гетеродинировании с излучением эталонного лазера.