Jste zde

Státní etalon délky

Název etalonu: Státní etalon délky

Kódové označení: ECM 110-1/08-036

Rok vyhlášení: 2008

Pracoviště: odd. 8014 ČMI LPM Praha 5

Garant: RNDr. Petr Balling, Ph.D.

Počet zajišťovaných CMC řádků: 15

Státní etalon délky zahrnuje několik primárních etalonů a dalších zařízení, které realizují definici základní jednotky SI – metru: metr je délka dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu za dobu 1/299 792 458 sekundy. Tuto definici lze realizovat podle příslušného doporučení Mise en pratique (MeP) [1] třemi způsoby:

  1. měřením času, který potřebuje světlo k překonání měřené vzdálenosti,
  2. pomocí vlnové délky záření, jehož periodu (frekvenci) změříme,
  3. pomocí vlnové délky záření primárního etalonu – laseru stabilizovaného na jeden z referenčních přechodů, jejichž hodnoty a nejistoty jsou uvedeny v příloze MeP [1].
Veličina: Rozsah:Nejistota (k = 2):
primární etalony (metoda c MeP):  
vakuová vlnová délka ≈ 532,245 nm0,000 000 002 0 nm
vakuová vlnová délka≈ 543,516 nm0,000 000 005 4 nm
vakuová vlnová délka≈ 632,991 nm0,000 000 006 7 nm
vakuová vlnová délka≈ 1 542,384 nm0,000 000 080 nm
fs hřeben (metoda b MeP):  
frekvence (optická)     (281 – 576) THz2,0∙10-13∙f
vakuová vlnová délka(520 – 1064) nm 2,0∙10-13∙λ
interferometry  
posunutí L (komparátor IK-1)(0 – 1,8) mQ[1 nm, 1,2∙10-7L]
délka L koncové měrky  (0,1 – 1) mQ[70 nm, 8,5∙10-8L]
teplotní roztažnost α konc. měrky-1∙10-5/K – 3∙10-5/KQ[3∙10-9/L, 2∙10-8, 8∙10-4∙α]/K, α v 1/K
čárková měřítka    10µm – 200 mmQ[28 nm, 3,77∙10-7L]
čárková měřítka (200 – 500) mm Q[68 nm, 2,13∙10-7L]

 

Kvantové etalony délky – helium-neonové lasery 633 nm (červená) stabilizované na hyperjemné komponenty spektra molekuly jódu - byly v ČSMÚ a pak v ČMI vyvíjeny pod vedením Ing. Jana Blably, CSc. již v sedmdesátých letech 20. století, v roce 1981 se velice úspěšně účastnili prvního mezinárodního porovnání v BIPM a pracoviště tak přispělo k přípravě současné definice metru, která platí od roku 1983. Skupina etalonů 633 nm byla od počátku osmdesátých let Státním etalonem vlnové délky ČSSR. V ČMI byly dále vyvinuty jódem stabilizované helio neonové lasery 612 nm (oranžová, od r. 1994) a 543,5 nm (zelená, od r. 1996), jódem stabilizovaný Nd:YAG laser 1064 nm/532 nm (infračervená, zelená, od r. 2001) a etalon 1542 nm (acetylenem stabilizovaný DFB laser, infračervená, od r. 2004).

Výše uvedené primární etalony vlnové délky dosahují celkové relativní nejistoty řádu 10‑11 a stability 10‑11 až 10‑14; účastnily se více než deseti mezinárodních porovnání; všechna byla úspěšná – odchylka byla menší než nejistota podle MeP.

Vlastnosti těchto etalonů byly podrobně zkoumány a v ČMI byly vyvinuty některé nové metody umožňující jejich další zpřesnění. ČMI jako jeden z předních metrologických institutů v několika případech přispěl i ke snížení nejistoty MeP tím, že se s nově vyvinutými etalony účastnil absolutních měření frekvence – tedy realizoval SI metr podle bodu b) doporučení. Od roku 2002 byly pomocí fs hřebenů v BIPM, BEV a MPQ změřeny naše etalony 543 nm, 532 nm, 633 nm a 1542 nm. Etalony 633 nm a 543 nm byly státními etalony vlnové délky (ECM 110-1/00-005, ECM 110-2/03-026).

Na konci roku 2005 byl v ČMI LPM instalován femtosekundový generátor hřebene optických frekvencí MenloSystems FC 8004 s příslušenstvím a v průběhu roku 2006 byl uveden do provozu, doplněn o sw a metodu kontroly kvality čítání, byl zkalibrován zdroj referenční frekvence a provedeno absolutní měření všech výše uvedených primárních etalonů. I fs hřeben ČMI byl několikrát mezinárodně porovnán a od roku 2009 má ČMI jako jeden z několika málo institutů uznanou příslušnou kalibrační měřicí schopnost (s nejistotou 2∙10‑13 relativně).

Záření etalonů vlnové délky je využito jako přesná reference pro měření délky pomocí interferometrů. Součástí Státního etalonu délky jsou interferometry IK-1 a IDKM, oba vyvinuté v ČMI. Měření zde neprobíhá ve vakuu, ale ve vzduchu a proto je vakuová vlnová délka korigována podle aktuálních hodnot teploty, tlaku a vlhkosti vzduchu a obsahu CO2 s relativní nejistotou lepší než 1∙10-7. Interferometrický komparátor IK-1, slouží především pro kalibrace průmyslových interferometrů, ale doplňkově i pro přesné kalibrace snímačů polohy, aktuátorů a čárkových měřítek. Interferometr pro dlouhé koncové měrky IDKM doplňuje rozsah komerčního interferometru NPL-TESA v ČMI OI Liberec o možnost měření měrek do délky jednoho metru a o měření teplotní roztažnosti měrek. I tyto interferometry byly úspěšně mezinárodně porovnány – v projektu EURAMET 610, klíčovém porovnání EUROMET.L-K2 a doplňkovém porovnání APMP.L-S1.

Na konci roku 2007 úspěšně proběhla oponentura rozšířeného státního etalonu délky, zahrnujícího fs hřeben, primární etalony vlnové délky a interferometry IK-1 a IDKM, 1. února 2008 byl nový Státní etalon délky vyhlášen (schvalovací protokol ÚNMZ č. 36, ECM 110-1/08-036).

Etalon je podrobněji popsán v příloze časopisu Metrologie [2], výsledky výzkumu etalonů souvisejících měřicích metod a porovnání byly popsány v desítkách publikací v mezinárodních recenzovaných časopisech, několik z nich je uvedeno níže ([3] až [11]).

 

Publikace:

[1] QUINN, T.J.: Practical realization of the definition of the metre, including recommended radiations of other optical frequency standards (2001), Metrologia, 2003, 40 pp.103-133 (2003) a R. FELDER  “Practical realization of the definition of the metre”, Metrologia, 42 (2005)  p.323-325 http://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/standard-frequencies.html

[2] BALLING, P.:„Primární etalonáž délky“, Metrologie, Tematická příloha č. 4/2009, p. 3-10

[3] BLABLA J., PICARD-FREDIN S., RAZET A.: "On the Fifth-Derivative Spectrum of the Hyperfine Structure of 127I2 at the 633nm Wavelength of the Helium-Neon Laser", Journal of Molecular Spectroscopy, 159 (1993) p. 282-285  (reference)

[4] BALLING P., BLABLA J., CHARTIER A., CHARTIER J.-M., ZIEGLER M.: "International Comparison of 127I2 - Stabilized He-Ne Lasers at l»633nm Using the Third and the Fifth Harmonic Locking Technique", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, , Vol. 44 No.2 (1995),  p.173-176

[5] BALLING P.:, “Simple Measurement of Frequency Modulation of Laser with 0.1% Precision”, Metrologia 2001, 38(4), pp. 297-299

[6] MATUS M., BALLING P., ŠMÍD M., WALCZUK J., BÁNRÉTI E., TOMANYICZKA K., POPESCU G.H., CHARTIER A. and CHARTIER J.M.: International comparisons of He-Ne lasers stabilized with 127I2 at l » 633 nm (September 1999), Metrologia, , 39 n°1 (2002), 83-89

[7] PICARD S., ROBERTSSON L., MA L.-S., NYHOLM K., MERIMAA M., AHOLA T. E., BALLING P., KŘEN P., WALLERAND J.-P.: A comparison of 127I2-stabilized frequency-doubled Nd:YAG lasers at the BIPM, comparison in May 2001, Applied Optic, 42, No.6 (2003)

[8] MA L. S., PICARD S., ZUCCO M., CHARTIER J.-M. and ROBERTSSON L., BALLING P. and KREN P., QIAN J., LIN ZHONG Y., SHI CH., ALONSO M. V., XU G. and TAN S. L., NYHOLM K., HENNINGSEN J. and HALD J., WINDELER R.: Absolute Frequency Measurement of the R(12) 26-0 and R(106) 28-0 Transitions in 127I2 at l=543 nm, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,  Vol. 55 No.3 (2006).

[9] BALLING P.,  FISCHER M.,  KUBINA P., AND HOLZWARTH R.: "Absolute frequency measurement of wavelength standard at 1542nm: acetylene stabilized DFB laser," Opt. Express, 13, 9196-9201 (2005),

[10] BALLING P., KREN P.: Absolute frequency measurements of wavelength standards 532 nm, 543 nm, 633 nm and 1540 nm, Eur. Phys. J. D, 48 (2008).

[11] KŘEN P., BALLING P.: Common path two-wavelength homodyne counting interferometer development, Meas. Sci. Technol., 20 084009 (2009) (4pp)

[12] M. Matus et al., „The CCL-K11 ongoing key comparison: final report for the year 2010", Metrologia, roč. 48, č. 1A, s. 04001–04001, led. 2011.

[13] P. Balling, P. Mašika, P. Křen, a M. Doležal, „Length and refractive index measurement by Fourier transform interferometry and frequency comb spectroscopy", Measurement Science and Technology, roč. 23, č. 9, s. 094001, zář. 2012.

[14] P. Balling, „Laser frequency stabilization and measurement of optical frequencies". Lambert Academic Publishing, 03-led-2012.

[15] M. Pisani et al., „Comparison of the performance of the next generation of optical interferometers", Metrologia, roč. 49, č. 4, s. 455–467, srp. 2012.

[16] M. Zeitouny et al., „Multi-correlation Fourier transform spectroscopy with the resolved modes of a frequency comb laser: Multi-correlation Fourier transform spectroscopy with the resolved modes of a frequency comb laser", Annalen der Physik, roč. 525, č. 6, s. 437–442, čer. 2013.

[17] M. Wisniewski et al., „Final report on supplementary comparison EURAMET.L-S20: Comparison of laser distance measuring instruments", Metrologia, roč. 51, č. 1A, s. 04002–04002, led. 2014.

[18] M. Doležal et al., „Analysis of thermal radiation in ion traps for optical frequency standards", Metrologia, roč. 52, č. 6, s. 842–856, pro. 2015.

[19] H. Wu et al., „Absolute Distance Measurement Using Frequency Comb and a Single-Frequency Laser", IEEE Photonics Technology Letters, roč. 27, č. 24, s. 2587–2590, pro. 2015.

[20] M. Matus et al., „Measurement of gauge blocks by interferometry", Metrologia, roč. 53, č. 1A, s. 04003–04003, led. 2016.

[21] P. B. R. Nisbet-Jones et al., „A single-ion trap with minimized ion–environment interactions", Applied Physics B, roč. 122, č. 3, bře. 2016.

[22] H. Wu, F. Zhang, T. Liu, P. Balling, J. Li, a X. Qu, „Long distance measurement using optical sampling by cavity tuning", Optics Letters, roč. 41, č. 10, s. 2366, kvě. 2016.

[23] H. Wu, F. Zhang, T. Liu, P. Balling, a X. Qu, „Absolute distance measurement by multi-heterodyne interferometry using a frequency comb and a cavity-stabilized tunable laser", Applied Optics, roč. 55, č. 15, s. 4210, kvě. 2016.

[24] S. Quabis et al., „Intercomparison of flatness measurements of an optical flat at apertures of up to 150 mm in diameter", Metrologia, roč. 54, č. 1, s. 85, led. 2017.

Obrázková galerie: