Laboratorio Primario de Longitud

En este laboratorio se realiza y mantiene el patrón nacional de la unidad de longitud, el metro, definido desde 1983 (XVII Conferencia General de Pesas y Medidas, CGPM) como «la longitud del trayecto recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo».

En la actualidad la conservación del patrón puede realizarse de dos formas distintas:

  • Mediante láseres de Helio-Neón estabilizados sobre una componente de la estructura hiperfina de la transición 11-5 R(127) de la molécula del 127I2, siguiendo la MEP 2003 publicada por el BIPM
  • Mediante un sintetizador óptico basado en la técnica de los peines de frecuencia (laser comb).

Los láseres utilizados en el primer caso son, por decisión oficial, los patrones nacionales, de los que se derivan todos los demás existentes. La incertidumbre típica relativa (1s) con la que se realiza la unidad de longitud, mediante la frecuencia de emisión de dichos láseres es de 2,1 x 10-11 para la componente f (a16).

Vista del interior de uno de los láseres primarios del CEM
Vista del interior de uno de los láseres primarios del CEM
Picos de sintonización mediante absorción saturada y estabilidad temporal típica
Picos de sintonización mediante absorción saturada y estabilidad temporal típica
Zona de realización práctica y diseminación de la unidad de longitud
Zona de realización práctica y diseminación de la unidad de longitud

La segunda posibilidad ha venido dada por el desarrollo de la tecnología de los peines de frecuencia (laser combs), que “forzó” una nueva revisión de la realización práctica del metro, recogida en la Resolución 8 de la 22ª Conferencia General de Pesas y Medidas, en 2003. Esta nueva tecnología evita tener que disponer de un conjunto de láseres patrón emitiendo en frecuencias específicas bien establecidas, para determinar la frecuencia de otros láseres emitiendo en la misma longitud de onda nominal, pudiendo utilizarse en su lugar un sintetizador óptico basado en la técnica de los peines de frecuencias (laser comb), construido en torno a un láser emisor de pulsos de femtosegundos, lo que permite alcanzar una incertidumbre de hasta tres órdenes de magnitud inferior a la actual.

El sintetizador de frecuencias ópticas con que cuenta el laboratorio es un Menlo Systems FC1500, con una frecuencia de repetición de 250 MHz, fibra microestructurada dopada con Erbio e interferómetro no lineal, que permite generar un continuum desde 530 nm hasta 2100 nm, y que posee ligazón directa a la unidad de tiempo, el segundo, a través de patrones de frecuencia (Cesio y Rubidio), trazados al Real Observatorio de la Armada (ROA), Laboratorio Asociado al CEM y Depositario del Patrón Nacional de Tiempo/Frecuencia.

Con esta nueva forma de realización práctica, ya contrastada internacionalmente, la exactitud ligada a la unidad de longitud se ve incrementada en al menos dos órdenes de magnitud, aumentando las posibilidades de diseminación directa de dicha unidad, hacia la calibración absoluta de láseres emitiendo en el visible y en el infrarrojo cercano.

 

Vista del Sintetizador óptico de frecuencias Menlo Systems FC1500
Vistas del Sintetizador óptico de frecuencias Menlo Systems FC1500
Diseminación del patrón nacional de longitud basado en sintetizador óptico referenciado en frecuencia a patrones de Cesio y Rubidio trazados al ROA.
Diseminación del patrón nacional de longitud basado en sintetizador óptico referenciado en frecuencia a patrones de Cesio y Rubidio trazados al ROA.

Servicios

Además de realizar y mantener la unidad de longitud, el laboratorio procede a su diseminación mediante calibración de láseres y sistemas interferométricos láser de medida, así como de patrones de longitud del más alto nivel metrológico.

En el caso de los láseres, se determina la frecuencia emitida, empleando el método de batido de frecuencias, estudiando además su estabilidad a lo largo del tiempo.

En el caso de los sistemas interferométricos láser de medida, además de lo anterior, se determina el error de medida del sistema, mediante comparación con un sistema patrón del laboratorio, hasta una distancia de 25 m. Los sensores de presión y temperatura del sistema, utilizados para determinar el valor del índice de refracción del aire y referir el valor de la longitud de onda a condiciones ambiente, se calibran en los correspondientes laboratorios del CEM.

Método de batido de frecuencias en el sintetizador de frecuencias y gráfico de estabilidad de un cabezal láser
Método de batido de frecuencias en el sintetizador de frecuencias y gráfico de estabilidad de un cabezal láser

Los servicios de calibración más importantes prestados por el laboratorio son los siguientes:

  • Láseres y sistemas interferométricos láser
    Longitud de onda en el vacío más estabilidad en frecuencia (l = 633 nm) [U ≥ 6,2 x 10-10 l] (CIPM)
  • Sistemas interferométricos láser para medición de longitudes.
    Error de desplazamiento hasta 25 m: U ≥ Q[0,01;0,12∙L/m] µm (CIPM)

NOTAS:

Los servicios marcados con (CIPM) han sido aprobados por el CIPM y pueden consultarse en: http://kcdb.bipm.org/appendixC/default.asp

 

Área
Longitud e ingeniería de precisión
Contacto

Persona de contacto

Mª Mar Pérez: mmperezh@cem.es

Última actualización: 07/04/2021