可见激光的直接频率测量：重新定义米长度

### 可见激光的直接频率测量：重新定义米长度 #### 概述 本文由R.E.Drullinger、D.A.Jennings、F.R.Peterson、C.R.Pollock、K.M.Evenson、J.S.Wells、J.L.Hall及H.P.Laird共同撰写，来自美国国家标准局绝对物理量中心。文章主要讨论了通过可见激光的直接频率测量技术重新定义“米”这一长度单位的方法，并详细介绍了实验设计与实施过程。 #### 频率测量的重要性 传统上，“米”被定义为特定条件下的光在真空中传播的距离，但这一定义依赖于波长的测量而非频率。如果能够在精确测量波长的同时准确测量频率，则可以实现长度与时间标准的统一。因此，重新定义米长度的目标是基于光速不变原理，即“米”被定义为光在真空中于1/299,792,458秒时间内传播的距离。 #### 实验设计 为了实现这一目标，研究团队选择了两种特定的原子跃迁作为基准：一种是发生在576纳米波长处的跃迁，另一种则发生在633纳米波长处。这两种跃迁分别对应于127I217-1P(62)的O超精细分量和127I211-5R(27)的i超精细分量。 实验的第一步是利用甲烷稳定的氦氖激光（He-Ne激光）作为参考点来测量两条离散的CO2激光线。这种甲烷稳定的He-Ne激光具有非常精确的波长，大约为88THz（3.39微米），是当前已知最精确的激光波长之一。通过比较CO2激光线与He-Ne激光的频率，研究人员能够获得高度准确的频率测量结果。 #### 频率测量步骤 - **第一步**：使用甲烷稳定的He-Ne激光作为参考点，测量两条CO2激光线。这些激光线的频率分别为26THz和130THz。 - **第二步**：利用这两条CO2激光线分别测量520THz和473THz的跃迁频率。在测量520THz跃迁频率时，采用了一种创新的技术，即使用26THz CO2激光辐射的五次谐波与130THz色心激光在一个金属-绝缘-金属（MIM）点接触型二极管中进行差频，从而产生了一个可计数的差拍信号。色心激光通过倍频被锁定到260THz（1.15微米）的He-Ne激光上，该He-Ne激光再经过倍频被锁定到520THz连续染料激光上，后者已被锁定至I2跃迁。 - **第三步**：通过对上述步骤中得到的数据进行分析，最终确定了520THz跃迁的O超精细分量频率为520206808.547 MHz，测量误差为1.6×10^-10。对于473THz跃迁的i超精细分量，频率测量结果为473612214.789 MHz，误差同样为1.6×10^-10。 #### 实验成果 通过以上方法，研究人员成功地实现了对576纳米和633纳米波长处的原子跃迁频率的高精度测量。这些测量结果不仅验证了所提出的新定义的有效性，也为未来更精确的长度测量提供了坚实的基础。 此外，文中还提到了利用MIM二极管作为可见激光超宽带外差探测器的应用。这种探测器能够探测可见激光之间的30THz差拍信号，这意味着可以通过这种方法从一个特定频率跳跃到另一个频率，从而扩展测量范围。例如，可以从I2的520THz谐振跳转到光泵浦铷激光的546.1纳米谐振，甚至可以向下跳转到氩离子激光的514.5纳米谐振。 #### 结论 本文展示了一项开创性的研究成果，即通过可见激光的直接频率测量来重新定义米长度。这一技术不仅提高了长度测量的精度，也为未来的科学研究和技术应用开辟了新的可能性。随着科学技术的进步，预计未来还将有更多的改进和发展，进一步提升长度测量的准确性和可靠性。