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1、中华人 民共和国国家计量检定规程 J J G 3 5 3 - 1 9 9 4 兰姆凹陷稳频 H e - N e激光器 La mb Di p S t a b i l i z e d He - Ne L a s e r 1 9 9 4 一0 7 一1 2 发布 1 9 9 5 一0 1 一0 1实施 国 家 技 术 监 督 局发布 . T T G 3 53 - 1 9 94 兰姆凹陷稳频 H e - N e激光器 几。.心.心.令.令.令.令.口 尹.心-。.令.令.。.心.。. 检 定 规 程 J J G 3 5 3 - 1 9 9 4 代替 J J G 3 5 3 -1 9 8 4 V e r
2、 i f i c a t i o n R e g u l a t i o n o f L a mb D i p 又 .， .，.， .， . ，.， . 卜.，. ，.， . ，.， . ，.， St abi l i z e d He - Ne La s e r 本检定规程经国家技术监督局于1 9 9 4年0 7 月 1 2日批准，并自1 9 9 5 年 0 1 月 0 1日起施行。 归口单位: 中国计量科学研究院 起草单位: 中国计量科学研究院 本规程技术条文由起草单位负责解释 MG 3 53 - 1 9 94 本规程主要起草人 : 李成 阳 李银珠 倪育才 ( 中国计量科学研究院) ( 中
3、国计量科学研究院) ( 中国计量科学研究院) J J G 3 5 3 - 1 9 9 4 目录 概述 ” ” ” ” 检定项目和检定条件 检定要求和检定方法 检定结果的处理 一 (1) (2) (3) (6) J JG 35 3- 1 994 兰姆凹陷稳频 日 e - N e激光器检定规程 本规程适用于新制造和使用中的用于量值传递的兰姆凹陷稳频6 3 3 n m H e 一 2 0 N e( 或 H e - 2 2 N e )激光器的 检定。 一概述 兰姆凹陷稳频 6 3 3 n m H e - N e 激光器管 ( 以下简称稳频管)主要由放电管和谐振腔 两部分组成。放电 管内充H e , 2
4、 0 N e( 或 2 2 N e ) 混合气体， 通过毛细管进行放电。激光电 源应使用稳流源。谐振腔长度由压电陶瓷控制，用以改变和控制激光频率。腔间隔器一 般采用低线膨胀系数的材料。 当谐振腔长度变化时，激光频率和输出功率也随之变化。图1 示出其输出功率随频 率变化的曲线，在曲线中心部分有一凹陷，称为兰姆凹陷，使用 自 动频率控制系统 ( 以 下简称稳频器) ，将激光频率锁到兰姆凹陷中心附近，从而得到频率 ( 或波长)稳定的 激光输出。通常作为标准波长，用于量值传递和长度的干涉测量。 价 图1 激光功率随频率的变化曲线兰姆凹陷线形 稳频管的阴极，可分为同轴式和旁轴式两种，其谐振腔可分为外腔、
5、固定式半内腔 和可调式半内腔 3 种。 稳频器主要由光电接收、放大器 、相敏检波器 、振荡器、积分器和压电陶瓷驱动器 组成。其工作原理是利用兰姆凹陷线形作鉴频器，兰姆凹陷的中心频率作参考频率，当 激光频率偏离参考频率时，通过光电接收器和鉴频器检测给出误差信号，该信号在稳频 器中经放大积分等过程后 ，通过压电陶瓷驱动器控制激光谐振腔的长度 ，从而使激光频 率保持在参考频率附近。 兰姆凹陷稳频激光的一些主要参数，如频率稳定度、激光波长、锁定时间和稳频控 制范围等均与所用的激光稳频器有关 ，因此在检定这些项目时应使用所用的激光稳频 器 。 J JG 3 53- 1 9 94 二检定项 目和检定条件
6、稳频管的检定项 目、主要检定工具和检定类别列于下表中。 检 定 类 别 序号 检 定 项 目主 要 检 定 工 具 新制造一使用 中 外观 检查 放 电颜 色激光电源:电流稳定度优于 0 . 5 % 模式 激光电源:电流稳定度优于 0 . 5 %;雪崩光电 二极管、宽带放大器、频谱分析仪或共焦球面 扫描干涉仪 兰姆凹陷深度 兰姆凹陷 不对称性 激光电源:电流稳定度优于 。 . 5 %;雪崩光电 二极管、宽带放大器 、频谱分析仪或共焦球面 扫 描干涉仪 输 出功率 激光电源:电流稳定度优于0 . 5 %; 激光功率计 稳频控制 范围 激光电源:电流稳定度优于0 . 5 %;示波器 锁定时 间 兰
7、姆凹陷 中心波长 激光电源:电流稳定度优于 0 . 5 % ; 6 3 3 n m 频率稳 定度 国家波长基准和国家波长副基准;雪崩光电二 极管、频率计数器、宽带放大器 、频谱分析仪 表中 “ +”表示应检定。 二、表中 “ 一”表示不应检定。 2 检定稳频管时室内温度应在 ( 2 0 士 2 ) 范围内。温度波动应小于0 . 5 C ,温度变化 速率不超过 0 . 5 C / h o稳频管放置在检定室内温度平衡的时间应不少于4 h o 3 对于可调谐振腔稳频管，允许调整激光谐振腔以得到最佳输出功率，但调腔后必须 在检定室内点亮 2h以上才能开始检定。 J J G 353 - 19 94 三检
8、定要求和检定方法 4 外观检查 4 . 1 要求 4 . 1 . 1 手持稳频管轻轻摇动，不应有稳频管各部件间的撞击声。 4 . 1 . 2 稳频管上应标明出厂编号 ( 或产品号) 、制造 日 期及制造厂名 ( 或商标)等。 4 . 2 检定方法:手动试验和目力观察。 5 放 电颜 色 5 . 1 要求 :放电颜色呈橙红色，在阴极和阳极附近不应呈蓝或紫等杂气颜色。 5 . 2 检定方法:目力观察放电颜色。 6 模式 6 . 1 纵模 6 . 1 . 1 要求:激光管在最佳工作电流下运转。当激光频率位于兰姆凹陷中心及两个极 大点附近时 ， 稳频管应处于单纵模运转。 6 . 1 . 2 检定方法:
9、采用图2所示的拍频测量装置，该装置包括响应频率 1 0 0 0 MH z 的 雪崩光电二极管 、带宽 1 0 0 0 MH z 的宽带放大器和频谱分析仪。 在频谱分析仪上观察激光输出的固定频率噪声 ( 一般几兆赫兹) 。调节放电电流， 使频谱分析仪上所观察到的固定频率噪声电平与白噪声电平相等，此时的放电电流即为 最佳工作电流，此后全部检定均在此最佳工作电流下进行。 调谐激光腔长，使激光频率在凹陷点和两个极大点附近扫描时，在频谱仪上不应出 现两个或两个以上等幅值的拍频信号。 平透 半 反镜 图 2 拍频测量方框图 6 . 2 横模 6 . 2 . 1 要求: T E M , , 模运 转， 不存
10、在任何高阶横模。 6 . 2 . 2 检定方法 :目力观察激光光斑。如稳频管具有高阶横模振荡，即为不合格，否 则继续按下列两种方法之一检定。 . LI G 35 3- 19 9 4 。 . 用共焦球面扫描干涉仪检定。 b . 用图2所示拍频测量装置检定。当激光腔长调谐时，在频谱分析仪 L 除观察到 一个较强的拍频外，还附带一些较弱的拍频谱时，则表明存在高阶横模振荡。 7 兰姆凹陷深度 7 . 1 要求:新制造的稳频管的兰姆凹陷深度应不小于 6 %，对使用中的稳频管要求凹 陷深度不小于4 7 . 2 检定方法:采用图 3 所示测量装置，点亮稳频管，待预热 Ih 后，用稳频器将激 光频率分别锁到件
11、姆凹陷点和两个极大值处，并用光电接收器、低漂移低噪声直流放大 器和数字万用表记录各点的功率值 ，按式 ( I )计算得凹陷深度 d o 尸 n 扮 、 一尸 m ln P- x 1 00% ( 1 ) 其 中 : P二 。 、 P m a x i +P m a x 2 2 ( 2 ) 式中: P . - I , P ,a x 2 分别对应于 输出功率线形中 两个极大值点的 输出功 率; P, m 兰姆凹陷点的输出功率。 少 卜 电陶瓷 图3 兰姆凹陷深度和线形的不对称性的测量装置方框图 8 兰姆凹陷线形的不对称性 8 . 1 要求:新制造的稳频管兰姆凹陷线形的不对称性应不大于 1 0 %0对使
12、用中的稳频 管线形的不对称性应不大于 1 2 %。兰姆凹陷线形的不对称性 a以百分比表示，即 I P,. x l 一P m . x 2 ! a 、 二P m . 一尸 。 ， x 100( 3 ) 8 . 2 检定方法:同7 . 2 款。 按公式 ( 3 )计算出 不对称性a。 9 输 出功率 9 . 1 要求 9 . 1 . 1 新制造的稳频管输出端的激光功率不低于 0 . 4 mW;对使用中的稳频管，输出 功率不低于0 . 3 m W 4 JJ C 35 3- 1 99 4 9 . 1 . 2 非输出端的输出功率应不低于 5 fi Wo 9 . 2 检定方法:点亮稳频管，待预热 Ih 后
13、， 用稳频器将激光频率锁到兰姆凹陷中心， 然后用功率计直接测量 1 0 稳频器搜索范围 1 0 . 1 要求:稳频器高压输出能使激光频率改变两个纵模间隔以上 1 0 . 2 检定为 一 法 :点亮稳频管，并接通稳频器电源开关 ，预热 lh 后，连续调节稳频器 的搜索电位器，以改变稳频器的高压输出，同时观察示波器上的波形，若示波器上能连 续出现三个换模点 ( 或三个阴陷点) ，则表示稳频器的控制范围能达到两个纵模问隔以 _ L 1 1 锁定时间 1 1 . 1 要求:要求激光频率能被连续锁定 2 h 1 1 . 2 检定方法:点亮稳频管，顶热 1h 后 ，用稳频器将激光频率锁定到兰姆凹陷中 心，
14、记录锁定到失锁的时间。 1 2 兰姆凹陷中心波长值及不确定度 ( 波长值指真空波长，下同) 。 1 2 . 1 要求:兰姆凹陷中心波长的不确定度应不大于 1 . 5 x l 0 - s o 1 2 . 2 检定方法:采用图3所示的拍频测量装置，其标准激光器应为国家波长基准和副 基准的 碘稳频0 . 6 3 3 I m H e - N c 激光器。 测量基准激光和被测激光间的频差，每次测量 在频率计上取 工 0 个读数取平均，按式 ( 4 )计算波长值.共测 1 0次，其平均值为兰姆 凹陷中心的波长值。单次测U的 3 倍标准偏差为波长的不确定度。然后根据碘稳定激光 的推荐波长值，按下式计算得到被
15、测激光的波长和波长的不确定度 : 、 ， 一 价 z+ = p f lc士 3 Q ( 4 ) 式中: A 被测激光的真空波长; A , -碘稳定激光的推荐真空波长值， 脚标 ， 可为h , z , 7 ; 。 真空中的光速值， 其值为2 9 9 7 9 2 4 5 8 m / s ; 。 为单次测量的标准偏差; n 测量次数。 通常， 碘吸收线 1 1 ,2 和1 三个分量和兰姆凹陷中心频率相近， 依次将碘稳频激光 锁定于 其中任何两个 分量，并测出对应的 差频就可以 得到4 f的符号，如果碘稳频激 光 的频率位于高频端，则 f取正值，反之取负值。测量时数字频率计的取样时间取川 、 拍频时应
16、避免零拍现象。 碘吸收线 人 ，: 和， 二个分量的真空波长值分别为 1 h=6 3 2 9 9 1 3 6 8 . 9 1 f m A = 6 3 2 9 91 3 9 8. 2 2 f m A =6 3 2 9 9 1 4 2 7 . 0 3 f m J JC 35 3- 1 99 4 它们之间的频差: 九 一t=2 1 . 9 3 9 MH z 无一 J , = 一 2 1 . 5 6 5 M H z 检定步骤如下 : a 点亮稳频管并进行稳频，按图3调整光路，以得到最佳拍频信号。 b . 依 次将碘 稳频激 光分别 锁定于h , i 和7 三个分 量上， 在频谱分析仪上观 察相应的 拍
17、频 ( 或频率计上读数) ，由此决定采用哪一个分量进行拍频，并确定差拍 4 f的符号。 c 经 Ih 预热后 ， 将碘稳频激光锁于所需之分量上 ，重新锁定稳频管并测量拍频。 在频率计上读数 1 0次，取其平均值作为单次测量的结果。频率计取样时间为 1 0 s o d . 共测量 1 0 次，预热 1h 后连续测量 5次，间隔 2h 后再连续测量 5次。每次测 量前稳频管均应重新锁定。 c . 根据 1 0 次测量结果，按式 ( 4 )求出被检激光器的中心波长值及其不确定度。 1 3 频率稳定度 1 3 . 1 要求 :对于 1 0s 的取样时间，频率稳定度应优于 3 x 1 0 - % 1 3
18、 . 2 检定方法:采用图2所示拍频装置，在测量中: a . 取样时间为 1 0s ，取样对数 N= 4 0 a b ， 在激光器预热 1h 后连续测量 5 次，间隔 2h后再连续测量 5 次。 c . N 1 0 次测量结果的平均值作为测得 的激光频率稳定度，频率稳定度按式 ( 5 ) 计算 : 。 _ 1 兮全 f 2 二o f (2 止 上 q N.厂 州2 ( 5) 式中:， 用阿仑方差计算的相对频率稳定度; 、 t 激光频率; A f -测得的差频。 四检定结果的处理 1 4 经检定符合本规程要求的激光器发给检定证书。检定证书应注明下述参数:最佳工 作电流、输出功率、兰姆凹陷中心真空波长值及其不确定度、频率稳定度。 巧经检定有任何一项不符合规程要求或不提供所配用的稳频器，发给检定结果通知 书，并应注明第 1 4条各参数的检定结果及不合格项 目。 1 6 兰姆 凹陷稳频激光器的检定周期可根据使用要求确定 ，对 于要求准确度优于 5 X1 0 一 ” 的场合，检定周期不得超过半年，否则检定周期不得超过 1 年。