펨토초 레이저의 주파수 모드를 이용한 게이지 블록의 정밀 길이 측정

Abstract

게이지 블록의 절대 길이 교정에 있어서 안정화된 펨토초 레이저의 광 빗을 파장 단위의 표준 자로써 사용하였다. 펨토초 레이저의 광 빗은 두 개의 독립적인 요소인 주파수간 간격(repetition rate)과 옵셋 주파수(offset frequency)로 정의된다. 여기서 광 빗의 두 독립적인 요소는 주파수 표준 중의 하나인 루비듐(rubidium, Rb) 원자 시계를 통해 안정화되었고, 안정화된 광 빗에 파장 가변 단일 주파수 발진 레이저인 외부 공진기 레이저 다이오드(external cavity laser diode, ECLD)를 통합해 광 주파수 합성기를 구현하였다. 광 주파수 합성기에 의해 구현되는 서로 다른 파장들을 이용하여 다파장 간섭계의 원리를 적용하여 게이지 블록의 절대 길이 교정을 수행하였다. 측정에 사용한 광원은 777 nm, 778 nm, 780 nm, 781 nm로 모두 네 개의 파장이며, 간섭 무늬로부터 푸리에 변환(Fourier transform) 방법을 사용하여 소수부를 얻어 내었다. 공기 중에서의 온도, 습도, 압력, 이산화탄소 농도 등의 여러 환경 변수들을 동시에 측정하여 에들린 식(Edlen equation)을 통해 공기 굴절률을 계산하였으며, 합치법(exact fraction method)을 통해 게이지 블록의 절대 길이를 얻었다. 광 주파수 합성기에 의해 얻어지는 파장 불확도는 $1.9times10^{-10}$ 이고, 25 mm 게이지 블록을 측정했을 경우 절대 길이 교정 길이는 25.999980 mm 이고, 전체 합성 표준 불확도는 17 nm (k=1)이다.