Kapitel 1.2: Länge, Fläche, Volumen, Winkel - PTB

1.2.1 Länge 19
Zur Erreichung der angegebenen Unsicherheiten ist bei Konstruktion und Betrieb der
Lampen die Einhaltung von Vorschriften erforderlich (Engelhard u. Vieweg (1961);
Bruce u. Hill (1961); Bayer-Helms (1963)).
Laser. Die unstabilisierte Wellenlänge eines Einmodenlasers liegt je nach Spiegelabstand
des Resonators an beliebiger Stelle des Emissionsprofils der Gasentladung. Die
relative Unsicherheit der Wellenlänge eines solchen Helium-Neon-Lasers beträgt z. B.
einige 10"^. Für Längenmessungen mit relativen Unsicherheiten bis 10 ® sind verschiedene,
einfache Methoden zur Stabilisierung der Wellenängen bekannt geworden (Bennett
u. a. (1964); Balhorn u. a. (1972); Baer u. a. (1980); Queneile u. Wuerz (1983); VDI/
VDE-Gesellschaft Meß- und Regelungstechnik, GMR-Bericht 6 (1985)).
In den angeführten Beispielen wird das Emissionsprofil der Gasentladung im Laserrohr zur
Stabilisierung benutzt. Die Wellenlänge wird durch einen Regelmechanismus an charakteristischen
Stellen des Profils festgehalten. Da die Emissionsprofile vom Isotopengemisch und dem Druck der
Gasfüllung im Laserrohr abhängen und aufgrund von Gasaufzehrung zeitlichen Änderungen
unterliegen können, müssen Laser dieser Art regelmäßig an ein Normal geringerer Unsicherheit
angeschlossen werden, wenn die Grenzen der relativen Unsicherheit von ±10 ' erreicht werden
sollen.
Die Wellenlängenstabilisierung von Lasern läßt sich verbessern, wenn nicht das durch den
Dopplereffekt verbreitete Emissionsprofil der Gasentladung selbst, sondern Absorptionslinien
eines Fremdgases unter Vermeidung des Dopplereffektes genutzt werden (6.3.3). Bei dieser
Stabilisierung müssen im Bereich der Laseremission geeignete, von Nachbarlinien genügend weit
entfernte Absorptionslinien gefunden werden, deren Wellenlängen von äußeren Parametern
weitgehend unabhängig sind. Die Betriebsbedingungen und die Wellenlängen mehrerer solcher
Laser sind vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht in der „Mise en pratique de la definition
du metre" angegeben worden (vgl. Tab.Tl.Ol in Band 3). Den in der Tabelle angegebenen
Unsicherheiten hegt ein Vertrauensbereich von 68,27% (I a) zugrunde.
Die Linienschärfe der Laserstrahlung ermöglicht Interferenzeffekte mit Gangunterschieden
über Hunderte von Metern. Einzelheiten über Laser mit Stabilisierungen auf
Absorptionslinien in Fremdgasen s. Barger u. Hall (1969); Hanes u.a. (1973);
Bennett u. Cerez (1978); Spieweck (1980); Morinaga u. a. (1989).
Fig.1.6
Schwebungsfrequenzmessung
LI, L2 Laser
"i, »2 Frequenzen der Laserstrahlung
T Teilerplatte
D Diode
Z Zähler zur Messung der Schwebungsfrequenz
vi~v2
Frequenz- und Wellenlängenvergleiche. Frequenzdifferenzen von Lasern können
durch Messen von Schwebungsfrequenzen bestimmt werden (Fig. 1.6). Die beiden
Bündel müssen so parallel zueinander justiert werden, daß bei gleicher Wellenlänge
weniger als ein Interferenzstreifen im Querschnitt auftreten würde. Im Signal des
Empfängers erscheint die Differenz zwischen den Frequenzen der Strahlungen als
Schwebung. Sie kann, wenn die beiden Ausgangsfrequenzen weniger als einige zehn GHz
voneinander entfernt liegen, direkt gemessen werden. Bei Benutzung genügend schneller,
stark nichtlinearer Empfänger wie z.B. Schottky- oder MIM-Dioden sind auch
Schwebungen zwischen unterschiedlichen Oberwellen zu beobachten. Das Überbrücken
großer Frequenzabstände mit dieser Technik hat es erlaubt, die Frequenzen einzelner