中红外波长可选激光系统

633nm激光波长基准/副基准比对报告中国计量科学研究院（100013）中国测试技术研究院（610021）中国第一航空集团公司第304研究所（100095）2007.3.23 北京1 概述1983年, 国际计量委员会（CIPM）推荐将碘稳定的633nm He-Ne激光辐射波长作为复现米定义的标准[1]。此后，根据国际上各实验室的研究和测量结果，1992年CIPM更严格地规定了激光系统的运行条件和主要技术参数，同时重新给出了其频率值、波长值及其不确定度标准[2]。在此基础上，2001年，CIPM向世界各国推荐了现行的技术参数和运行条件[3]。长度单位米是SI单位制中7个基本单位之一，也是较早以自然基准的方式复现的基本单位之一。在国际计量组织推荐的复现米定义的若干标准谱线中，碘稳定的633nm激光波长标准是目前世界上实用性最强、影响面最大、应用面最广、最受重视的长度基准。碘稳定激光系统的制作工艺特殊，装置组成较为复杂，即使是基本满足CIPM推荐的技术参数和运行条件，也不能完全保证达到国际频率（波长）值的不确定度标准。所以，不同国家的基准装置之间需要定期进行比对实验，确定不同装置间的系统偏差以及造成偏差的技术原因，以保证国际间的长度量值的准确和统一。自1983年新米定义实施以来，在世界范围内，围绕633nm激光波长基准装置的复现数据，在国际计量局和地区计量组织的倡导和组织下，各国或地区之间已经进行了无数次的多边或双边比对。通过比对实验，一方面保证了各国或地区之间的长度量值的准确和统一，为世界各国的工业标准化进程提供了有力的技术保障；另一方面也极大地促进了参加比对的国家和地区的计量技术水平的提高。在过去20多年的时间里，中国计量科学研究院就曾经代表中国多次参加这种比对实验。通过比对，不仅对外展示了中国长度计量基准的技术水平，而且利用比对期间与国外同行面对面的技术交流机会，促进了国内长度基准装置技术水平的提高。中国是较早开展碘稳定633nm He-Ne激光波长基准装置研究和应用的国家之一。经过近30年的不懈努力，不仅研制并建立了波长基标准装置系列，而且大体上完成了长度量值溯源体系的基本建设。这些工作的开展为中国的国民经济建设和产品质量的控制奠定了技术保障基础。可以毫不夸张的说，这一切源自于633nm波长基准装置的建立。目前我国现行有效的633nm国家长度基准和副基准装置共有3套，其中基准装置保存在中国计量科学研究院，副基准装置分别保存在中国测试技术研究院和中国航空工业第一集团公司北京长城计量测试技术研究所。3套装置的运行条件和相关的参数指标都应满足国际计量组织规定的技术要求，并且各自在不同的领域和地域履行长度量值溯源的职责。国家长度基准和副基准，担负着统一全国长度量值的大任，因此定期比对不仅是必要的，而且是必须的。然而，由于种种原因，自1983年新米定义开始实施以来，在三家单位的基准或副基准装置之间，从未进行过正式的比对实验，成为国内长度量值溯源体系建设和实施过程中的一大缺憾，势必危及长度量值的准确和统一。针对这种情况，受国家质量监督检验检疫总局的委托，中国计量科学研究院于2006年在国内组织了633nm 127I2稳定激光波长基准、副基准的比对工作。比对实验的负责单位是全国几何量长度委员会，主导实验室是中国计量科学研究院。参加比对实验单位的相关信息见表1。表1 比对实验单位的相关信息基准或副基准保管单位 联系人 地址 中国计量科学研究院（以下简称计量院）/基准 钱进 电话：010-64211631-3320传真：010-64211631-3320电子信箱：qianjin1000@yahoo.com.cn通信地址：北京北三环东路18号邮政编码： 100013 中国测试技术研究院（以下简称测试院）/副基准 黄晓荣 电话：028-84404885传真：028-84404885电子信箱：通信地址：成都市玉双路10号邮政编码：610021 中国航空工业第一集团公司北京长城计量测试技术研究所（以下简称304所）/副基准 张志权 电话：010-62457119传真：010-62462965电子:zhangzhiquan0112@sina.com.cn通信地址：北京1066信箱6分箱邮政编码：100095 表1中的三个单位，共有四套装置参加了比对实验。其中计量院两套，测试院和304所各一套。由于装置技术条件和实验室环境条件的限制，比对实验在北京和成都分三次进行。比对时间等信息见表2。表2 比对时间和地点安排实验序号 基准装置编号 所属单位 比对时间 比对地点 1 D1/NO.02 计量院/304所 06.03.02 -03.09 计量院 2 D1/C4 计量院/计量院 06.11.08 -11.14 计量院 3 C4/NIMTT-1 计量院/测试院 06.12.14-12.18 测试院 2. 实验条件在此次实验中，参加比对的所有基准装置均采用三次谐波（以下简称3f）锁定技术将激光频率稳定到127I2分子吸收谱线的11-5带R(127)的超精细结构吸收分量上。按照要求，有关参数和运行条件应与CIPM所推荐的条件相一致，即碘吸收室室壁温度 （25±5）℃碘吸收室冷指温度 （15.0±0.2）℃频率调制宽度（峰-峰值） （6.0±0.3）MHz谐振腔内单程光束的光功率 （10±5）mW实际情况是，由于比对实验中基准装置（以下简称激光系统）建立的年代和研制的单位不同，它们在相关技术参数和组成的细节方面存在较大差异，其中的一些技术参数与上述要求有一定出入。为了使实验能够顺利进行，比对实验在实施过程中采取了比较灵活的做法。表3中列出了这些激光系统的主要工作参数。表3 激光系统的主要工作参数单位 激光系统 腔长/mm 腔镜曲率半径及透过率 碘室 调制频率/kHz mm % mm* %* 长度/mm 气压/Pa 计量院 D1 300 500 0.5 1000 1.3 100 400 1.04 计量院 C4 260 600 1.1 ? 1.8 90 400 1.04 304所 NO.02 230 600 0.4 ? 1.2 90 400 1.04 测试院 NIMTT-1 365 ― － ― ― 110 ―

如何快速、准确地进行滤光片波长组合的优选, 是滤光片型近红外光谱仪器研究的一个关键技术。利用组合生成算法与多元线性回归分析相结合, 并运用计算机编程语言分析了掺假山茶油的近红外光谱吸光度矩阵, 优选出不同组合数下滤光片波长组合。该方法可在全光谱波长范围内快速的实现滤光片的优选, 且建立的定量分析模型简单、精度高、稳定。 滤光片型近红外光谱仪器是采用滤光片作为分光系统的光谱分析仪器 。在众多的近红外光谱仪器中, 滤光片型近红外光谱分析仪器是一种较为经济实用的分析仪器, 很容易得到推广使用。由于在该类仪器中, 滤光片波长组合的选取是否合适, 会直接影响到仪器的分析精度。因此, 滤光片型光谱分析仪器研究中的一项关键技术便是如何选择合适的滤光片波长组合。 多元线性回归( Mult iple linear regression, MLR) 与相关光谱相结合的方法常用于近红外光谱定标波长优选。该方法是以最优起始定标波长点为起点, 通过逐步增加波长后经F 检验来获得被选定标波长的最优组合, 但此方法所选择的定标波长可能对定标模型产生干扰。所以在每一次定标波长的选取时, 还需要对独立的预测样品集进行预测分析, 以确定经过筛选后的定标模型预测能力是否有所提高, 如果定标模型的预测能力未能提高, 则需要重新筛选定标波长。根据组合数学的原理可知, 如果要在10 个特定波长中任意选出4 个波长的组合作为定标波长组合, 则其组合数将达到C410= 210。若采用这种方法来确定定标波长计算量大、耗时长, 所得到的结果不一定是最优定标波长。对于偏最小二乘回归 , 主成分回归 , 人工神经网络 等相对较为复杂的算法, 210 个波长组合的计算量相当巨大。 组合生成算法 与计算机编程语言相结合能很好的解决以上问题。本文采用组合生成算法与面向矩阵运算的工程计算机语言MATLAB 相结合的方法, 利用计算机编程实现自动从多个波长点组合中挑选出最优定标波长组合。根据这些波长组合, 可以选择最优的滤光片组合方案。