一個

長度測量單位——“米”定義的變化

我走進巴黎的法國檔案館，那里保存著最早的公制長度實物基準——“米原器”，后世稱之為“檔案米尺”。

18世紀以前，世界各國規(guī)定自己的長度單位，并不統一。1790年，法國科學院受法國國民議會委托，提出了“公制”的建議。該建議獲得批準后，決定穿過巴黎天文臺的地球子午線長度應為一米。1799年，一種橫截面積為(25.3×4.05) mm的矩形端面基準米尺由鉑金制成，米尺兩端距離為一米。這就是“檔米尺”。

大米系統以其簡單、合理的邏輯結構和廣泛的通用性逐漸被其他國家所接受。1869年和1872年，在法國政府主辦的國際計量委員會的兩次會議上，決定制造一種新的基準公制尺，即“米原器”及其復制品。新大米原設備以“檔案米秤”為準。國際計量委員會制造了31個一模一樣的“米原器”，6號米尺的長度最接近“檔案米尺”，因此作為國際基準米尺保存在巴黎國際計量局。

1889年巴黎世博會大米原始設備紀念章

1889年，第一屆國際計量大會批準了國際計量委員會選定的“米原器件”，并宣布“米原器件將代表熔點溫度下的米長單位”?？紤]到環(huán)境因素對尺長的影響，1927年第七屆國際計量會議做出了更為明確的規(guī)定。長度的單位是米，是國際計量局保存的鉑銥直尺上刻的兩條中線的軸線在0℃時的距離。鉑銥直尺被國際計量大會宣布為“大米原器件”，大米原器件重現不確定度約為1.1×10-7。

國際大米原件的復制品

從那以后，作為物理參考的“米”的定義從端面之間的距離變成了劃線之間的距離。然而，使用劃線之間的距離來定義米也有缺點，例如劃線質量和材料穩(wěn)定性等。，這將影響其尺寸穩(wěn)定性和復制精度的提高，并且一旦被破壞，就不能再被復制。

早在19世紀初，物理學家就認為長度參考應該從可見光的波長中找到，而不是從物理尺寸中找到。但由于當時對光輻射的特性認識不足，無法實現。第二次世界大戰(zhàn)后，由于同位素分離技術的發(fā)展，這一假設成為可能。

1960年，第11屆國際計量會議正式批準廢除Pt-Ir米，并將米的定義改為:“米等于真空”中86Kr原子2P10和5d5能級躍遷對應的1 650 763.73波長輻射的長度。因此，長度基準完成了從物理基準到自然基準的過渡。

經過仔細研究，發(fā)現86Kr參考線的波長仍然略有不對稱。當指定譜線輪廓中的位置(如最大值、重心或兩者的平均位置)時，復現儀的不確定度可達4×10-9。

1983年，第17屆國際計量大會通過了米的新定義:“米等于光在299 792 458/s的時間間隔內空”傳播的路徑長度。定義暗示光速c=299 792 458m/s，這是一個沒有誤差的定義值。

從此，長度基準完成了從自然基準到基本物理常數定義的基本單位的過渡。

自1983年以來，國際計量委員會(CIPM)推薦了13種穩(wěn)定頻率的激光輻射和幾種光譜燈輻射，可用于4次再現儀的定義，并分別給出了它們的頻率值、波長值及其不確定度。從計量學的角度來看，不存在哪個輻射源或哪組設備是長度基準的問題。換句話說，根據定義，任何人都可以在任何地方生產大米，而不依賴國際計量局或其他先進國家。

但從法定計量的角度來看，仍然需要確定某一輻射源的一套器件作為長度測量基準。目前，包括中國在內的世界上大多數國家都采用碘穩(wěn)頻氦氖激光器作為實際長度測量基準。在規(guī)定條件下，其頻率和波長分別為473 612 353 604kHz和632.991 212 58nm，相對標準不確定度為2.1×10-11。

二

重新定義“儀表”的影響

重新定義“米”后，首先會對制造業(yè)產生巨大的沖擊，使以前的“不可能”成為現實，數字化制造和智能制造技術將成為未來制造業(yè)的核心競爭力。

隨著其再現精度從10-7提高到10-11，波長“米”基準是測量長度等幾何參數定值的根本和依據，對所有幾何尺寸的測量精度的提高是顯而易見的。

由于波長是連續(xù)的，理論上可以無限細分和分割，因此可以測量和制造微納尺寸和大尺寸，達到比真實標準更高的精度。例如，長度參考計可以直接應用于激光干涉儀，使激光干涉儀的精度和可靠性更高。同時，激光干涉儀更容易實現自動化、小型化和輕量化，廣泛應用于先進制造、航空空航天測控、天文大地測繪、大型建筑變形監(jiān)測等領域。

早期的加工機床使用滾筒、金屬或玻璃劃線器作為進給和定位長度標準，但很難進行精細加工，因為劃線寬度和劃線間距不能很小，最小為微米。激光干涉儀的分辨率很容易達到納米級，目前商用的激光干涉儀可以達到0.03納米，而且干涉儀高度數字化，可以實時校正和補償。因此，在先進制造領域，特別是超精密光學加工、集成電路制造、微納制造等。，大量激光干涉儀直接用作數控機床和光刻機的運動反饋控制和測量標準。只要設計匹配的機械運動和控制系統，理論上可以直接踏出0.03nm的步距，實現納米級的進給和定位。同時，作為制造和測量參考的激光波長可以實時校正和補償，其測量和反饋精度和穩(wěn)定性更高，因此制造精度大大提高。

超精密加工、集成電路和微納制造是多學科、多技術的集成，嵌入激光波長計的激光干涉技術是實現“微”和“精密”制造的重要和必要條件之一。同時，由于超精加工、集成電路和微納制造技術的使用，光學元件、光柵標尺和芯片的制造達到了納米級精度。比如納米級光柵尺，比干涉儀便宜很多，更容易安裝使用，可以制造出來。這樣的納米級光柵尺也可以應用到中高檔數控機床上，從而取代以前的亞微米或微米級的金屬玻璃光柵尺，不僅可以大大提高原有的制造精度，而且穩(wěn)定性更好。

此外，激光波長“米”通過光電轉換可以很容易地從光信號轉換成數字信號，并且可以自動控制和測量，有利于實現數字化制造。這也是激光干涉技術在數字化制造和智能制造中直接應用的關鍵。

除了制造業(yè)，在各種高精度、動態(tài)測量中，“米”的重新定義也會帶來深刻的變化。在穩(wěn)定激光波長計的基礎上，利用其方向性好、準直性好、強度高的特點，推導出具有不同技術特點的激光干涉技術、激光衍射技術、激光掃描技術和激光跟蹤技術。例如，激光干涉儀和激光跟蹤器廣泛應用于航空空航天領域，實時動態(tài)地跟蹤、監(jiān)測和測量飛行目標的位置、姿態(tài)和方向。激光測距儀越來越多地用于天文學和地球從幾十米到幾十、幾百公里的遠距離測繪；激光干涉、激光掃描和激光跟蹤技術應用于道路、橋梁、大壩、礦山和隧道等大型建筑物的變形監(jiān)測，用于災害預警。

三

中國重新定義“米”的研究

激光波長“米”只是一個無向尺，但實際制造中使用和需要的大量實體是由各種尺寸、形狀和位置組成的復雜的一維、二維和三維幾何圖形。用尺子只能解釋一維尺寸，不能解釋一維、二維、三維尺寸、形狀、位置、方向之間的關系。

因此，自20世紀80年代末以來，根據國家建設和制造的需要，中國計量科學研究院相繼開發(fā)并建立了9個基準和40多個基于激光波長“米”的標準。如“量塊干涉儀”用于量塊校準，“兩米糧長儀”用于一維糧尺校準，“高精度激光雙坐標標準裝置”用于二維光柵標準裝置校準，“齒輪螺旋線參考裝置”用于齒輪螺旋線模板校準等。

這些基本標準對于保證國家制造業(yè)幾何參數的準確性和一致性，對于國家?guī)缀螠y量體系的建立和數量傳遞的有效性起著重要的作用。同時，他參與了所有CCL和APMP組織的國際比較，并多次參與EURAMET的國際比較，均取得了較好的比較結果，有效保證了國家制成品的幾何價值和國際合規(guī)性，提升了國家制成品的競爭力。

隨著超大規(guī)模和微納尺度技術的發(fā)展，目前的通用激光波長(633nm)對于幾十米甚至幾千公里來說太小了，但是對于微納尺度來說太大了。近10年來，隨著光頻梳技術的逐步完善，通過光頻測量獲得寬光譜范圍內連續(xù)、精確的波長不再是很困難的事情。因此，未來可以利用不同波長的光頻梳形成合適的“超長參考尺”和“微納參考尺”，可以直接進行超大規(guī)模和微納規(guī)模的絕對測量和制造，也可以實現精度的提高，這也是國內外未來的研究熱點。