一個(gè)

長(zhǎng)度測(cè)量單位——“米”定義的變化

我走進(jìn)巴黎的法國檔案館，那里保存著最早的公制長(zhǎng)度實(shí)物基準(zhǔn)——“米原器”，后世稱之為“檔案米尺”。

18世紀(jì)以前，世界各國規(guī)定自己的長(zhǎng)度單位，并不統(tǒng)一。1790年，法國科學(xué)院受法國國民議會(huì)委托，提出了“公制”的建議。該建議獲得批準(zhǔn)后，決定穿過巴黎天文臺(tái)的地球子午線長(zhǎng)度應(yīng)為一米。1799年，一種橫截面積為(25.3×4.05) mm的矩形端面基準(zhǔn)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(tǒng)以其簡(jiǎn)單、合理的邏輯結(jié)構(gòu)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(jì)量委員會(huì)的兩次會(huì)議上，決定制造一種新的基準(zhǔn)公制尺，即“米原器”及其復(fù)制品。新大米原設(shè)備以“檔案米秤”為準(zhǔn)。國際計(jì)量委員會(huì)制造了31個(gè)一模一樣的“米原器”，6號(hào)米尺的長(zhǎng)度最接近“檔案米尺”，因此作為國際基準(zhǔn)米尺保存在巴黎國際計(jì)量局。

1889年巴黎世博會(huì)大米原始設(shè)備紀(jì)念章

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

國際大米原件的復(fù)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(diǎn)，例如劃線質(zhì)量和材料穩(wěn)定性等。，這將影響其尺寸穩(wěn)定性和復(fù)制精度的提高，并且一旦被破壞，就不能再被復(fù)制。

早在19世紀(jì)初，物理學(xué)家就認(rèn)為長(zhǎng)度參考應(yīng)該從可見光的波長(zhǎng)中找到，而不是從物理尺寸中找到。但由于當(dāng)時(shí)對(duì)光輻射的特性認(rèn)識(shí)不足，無法實(shí)現(xiàn)。第二次世界大戰(zhàn)后，由于同位素分離技術(shù)的發(fā)展，這一假設(shè)成為可能。

1960年，第11屆國際計(jì)量會(huì)議正式批準(zhǔn)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(jí)躍遷對(duì)應(yīng)的1 650 763.73波長(zhǎng)輻射的長(zhǎng)度。因此，長(zhǎng)度基準(zhǔn)完成了從物理基準(zhǔn)到自然基準(zhǔn)的過渡。

經(jīng)過仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)86Kr參考線的波長(zhǎng)仍然略有不對(duì)稱。當(dāng)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(shí)，復(fù)現(xiàn)儀的不確定度可達(dá)4×10-9。

1983年，第17屆國際計(jì)量大會(huì)通過了米的新定義:“米等于光在299 792 458/s的時(shí)間間隔內(nèi)空”傳播的路徑長(zhǎng)度。定義暗示光速c=299 792 458m/s，這是一個(gè)沒有誤差的定義值。

從此，長(zhǎng)度基準(zhǔn)完成了從自然基準(zhǔn)到基本物理常數(shù)定義的基本單位的過渡。

自1983年以來，國際計(jì)量委員會(huì)(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(xiàn)儀的定義，并分別給出了它們的頻率值、波長(zhǎng)值及其不確定度。從計(jì)量學(xué)的角度來看，不存在哪個(gè)輻射源或哪組設(shè)備是長(zhǎng)度基準(zhǔn)的問題。換句話說，根據(jù)定義，任何人都可以在任何地方生產(chǎn)大米，而不依賴國際計(jì)量局或其他先進(jìn)國家。

但從法定計(jì)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(zhǎng)度測(cè)量基準(zhǔn)。目前，包括中國在內(nèi)的世界上大多數(shù)國家都采用碘穩(wěn)頻氦氖激光器作為實(shí)際長(zhǎng)度測(cè)量基準(zhǔn)。在規(guī)定條件下，其頻率和波長(zhǎng)分別為473 612 353 604kHz和632.991 212 58nm，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(huì)對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生巨大的沖擊，使以前的“不可能”成為現(xiàn)實(shí)，數(shù)字化制造和智能制造技術(shù)將成為未來制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著其再現(xiàn)精度從10-7提高到10-11，波長(zhǎng)“米”基準(zhǔn)是測(cè)量長(zhǎng)度等幾何參數(shù)定值的根本和依據(jù)，對(duì)所有幾何尺寸的測(cè)量精度的提高是顯而易見的。

由于波長(zhǎng)是連續(xù)的，理論上可以無限細(xì)分和分割，因此可以測(cè)量和制造微納尺寸和大尺寸，達(dá)到比真實(shí)標(biāo)準(zhǔn)更高的精度。例如，長(zhǎng)度參考計(jì)可以直接應(yīng)用于激光干涉儀，使激光干涉儀的精度和可靠性更高。同時(shí)，激光干涉儀更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、小型化和輕量化，廣泛應(yīng)用于先進(jìn)制造、航空空航天測(cè)控、天文大地測(cè)繪、大型建筑變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

早期的加工機(jī)床使用滾筒、金屬或玻璃劃線器作為進(jìn)給和定位長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，但很難進(jìn)行精細(xì)加工，因?yàn)閯澗€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(dá)到納米級(jí)，目前商用的激光干涉儀可以達(dá)到0.03納米，而且干涉儀高度數(shù)字化，可以實(shí)時(shí)校正和補(bǔ)償。因此，在先進(jìn)制造領(lǐng)域，特別是超精密光學(xué)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(shù)控機(jī)床和光刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)反饋控制和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。只要設(shè)計(jì)匹配的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和控制系統(tǒng)，理論上可以直接踏出0.03nm的步距，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的進(jìn)給和定位。同時(shí)，作為制造和測(cè)量參考的激光波長(zhǎng)可以實(shí)時(shí)校正和補(bǔ)償，其測(cè)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(xué)科、多技術(shù)的集成，嵌入激光波長(zhǎng)計(jì)的激光干涉技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“微”和“精密”制造的重要和必要條件之一。同時(shí)，由于超精加工、集成電路和微納制造技術(shù)的使用，光學(xué)元件、光柵標(biāo)尺和芯片的制造達(dá)到了納米級(jí)精度。比如納米級(jí)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(jí)光柵尺也可以應(yīng)用到中高檔數(shù)控機(jī)床上，從而取代以前的亞微米或微米級(jí)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(zhǎng)“米”通過光電轉(zhuǎn)換可以很容易地從光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并且可以自動(dòng)控制和測(cè)量，有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造。這也是激光干涉技術(shù)在數(shù)字化制造和智能制造中直接應(yīng)用的關(guān)鍵。

除了制造業(yè)，在各種高精度、動(dòng)態(tài)測(cè)量中，“米”的重新定義也會(huì)帶來深刻的變化。在穩(wěn)定激光波長(zhǎng)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用其方向性好、準(zhǔn)直性好、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，推導(dǎo)出具有不同技術(shù)特點(diǎn)的激光干涉技術(shù)、激光衍射技術(shù)、激光掃描技術(shù)和激光跟蹤技術(shù)。例如，激光干涉儀和激光跟蹤器廣泛應(yīng)用于航空空航天領(lǐng)域，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地跟蹤、監(jiān)測(cè)和測(cè)量飛行目標(biāo)的位置、姿態(tài)和方向。激光測(cè)距儀越來越多地用于天文學(xué)和地球從幾十米到幾十、幾百公里的遠(yuǎn)距離測(cè)繪；激光干涉、激光掃描和激光跟蹤技術(shù)應(yīng)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(cè)，用于災(zāi)害預(yù)警。

三

中國重新定義“米”的研究

激光波長(zhǎng)“米”只是一個(gè)無向尺，但實(shí)際制造中使用和需要的大量實(shí)體是由各種尺寸、形狀和位置組成的復(fù)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(guān)系。

因此，自20世紀(jì)80年代末以來，根據(jù)國家建設(shè)和制造的需要，中國計(jì)量科學(xué)研究院相繼開發(fā)并建立了9個(gè)基準(zhǔn)和40多個(gè)基于激光波長(zhǎng)“米”的標(biāo)準(zhǔn)。如“量塊干涉儀”用于量塊校準(zhǔn)，“兩米糧長(zhǎng)儀”用于一維糧尺校準(zhǔn)，“高精度激光雙坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)裝置”用于二維光柵標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)，“齒輪螺旋線參考裝置”用于齒輪螺旋線模板校準(zhǔn)等。

這些基本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于保證國家制造業(yè)幾何參數(shù)的準(zhǔn)確性和一致性，對(duì)于國家?guī)缀螠y(cè)量體系的建立和數(shù)量傳遞的有效性起著重要的作用。同時(shí)，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(jié)果，有效保證了國家制成品的幾何價(jià)值和國際合規(guī)性，提升了國家制成品的競(jìng)爭(zhēng)力。

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