Laboratorio Primario de Longitud

En este laboratorio se realiza y mantiene el patrón nacional de la unidad SI de longitud, el metro, cuya definición fue revisada en la 26ª reunión de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) en noviembre de 2018, entrando en vigor el 20 de mayo de 2019, y quedando como sigue:

"El metro, símbolo m, es la unidad SI de longitud. Se define al fijar el valor numérico de la velocidad de la luz en el vacío, c, en 299 792 458, cuando se expresa en la unidad m s^-1, donde el segundo se define en función de la frecuencia del Cesio DnCs".

De la relación exacta c = 299 792 458 m s⁻¹ se obtiene la expresión para el metro, en función de las constantes c y DnCs: 

El efecto de esta definición es que “el metro es la longitud del trayecto recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de 1/299 792 458 de segundo”. 

La ecuación fundamental que subyace bajo la definición es la relación directa entre longitud, intervalo de tiempo y velocidad de la luz, 𝑙 = 𝑐∙Δt, donde c = 299 792 458 m s^–1es el valor fijo de la velocidad de la luz en el vacío e Δt  es el tiempo de propagación de la luz a lo largo de un trayecto de longitud 𝑙.  Por tanto, la realización de la unidad de longitud, a nivel primario, está vinculada a la medición del tiempo de propagación de la luz, mediante uno de los siguientes métodos:

• Por medición directa del tiempo de propagación de la luz
• Por medición indirecta del tiempo de propagación de la luz

Un ejemplo destacado de medición directa del tiempo de propagación de la luz es la medición de la distancia Tierra-Luna. También en la Tierra, la medición directa del tiempo de propagación de la luz se utiliza ampliamente en mediciones de grandes distancias, bajo la influencia de la atmósfera, en donde el índice de refracción del aire, con su falta de homogeneidad y su variación espacial, limita la incertidumbre de medición alcanzable (además de la exactitud de la electrónica y los relojes utilizados).

Para la realización de longitudes inferiores a unos pocos metros, pero también, en general, para la realización más exacta de longitudes, son preferibles las técnicas interferométricas basadas en la superposición (interferencia) de ondas de luz procedentes de una misma fuente emisora. Esta es la técnica utilizada en los laboratorios primarios.

En el caso del CEM, las fuentes emisoras pueden ser de dos tipos:

• Un sintetizador óptico (peine de frecuencias) basado en un láser de pulsos de femtosegundos, referenciado a la unidad SI de tiempo, el segundo, a través de un patrón atómico de Cesio, que permite seleccionar la longitud de onda de interés, de entre un continuum de longitudes de onda entre 530 nm y 2100 nm, o bien
• Láseres de helio-neón estabilizados sobre la componente f(a16) de la estructura hiperfina de la transición 11-5 R(127) de la molécula del iodo 127, emitiendo en una longitud de onda de valor nominal aprox. 633 nm, sintonizable en otros picos de absorción de dicha molécula.

Estos últimos láseres se comparan periódicamente entre sí, en los distintos picos de absorción saturada, y contra el sintetizador óptico. Asimismo, participan junto a láseres patrón de otros países en la comparación clave internacional continua CCL-K11, basada en el uso de sintetizadores ópticos y auspiciada por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), dentro del Acuerdo de Reconocimiento Mutuo CIPM-MRA, a fin de garantizar su equivalencia internacional.

La diseminación del patrón de longitud hacia el siguiente nivel metrológico se realiza mediante batido de frecuencias, lo que permite determinar la longitud de onda (o frecuencia) emitida por otras fuentes de radiación y conferirles trazabilidad al SI. Posteriormente, mediante el uso de interferómetros, comparadores interferométricos y sistemas interferométricos láser, se dota de trazabilidad al SI a los patrones materializados del siguiente nivel metrológico.

La utilización de un sintetizador óptico 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 en 2003 (Resolución 8, 22ª CGPM). Esta nueva tecnología, que supuso para sus inventores, Theodor W. Hänsch y John L. Hall la concesión del premio Nobel de Física en 2005, 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 el entorno de sus longitudes de onda nominales, pudiendo utilizarse en su lugar un sintetizador óptico capaz de cubrir un amplio rango de frecuencias con una incertidumbre menor.

El sintetizador de frecuencias ópticas con que cuenta el laboratorio es un Menlo Systems FC1500, con una frecuencia de repetición de 250 MHz y frecuencia offset de 20 MHz. Este sintetizador está formado por un láser de fibra, de pulsos ultracortos, y amplificadores no lineales de fibra óptica dopada con Erbio (EDFA) que, junto con un generador de segundo armónico, un interferómetro no lineal y una fibra de cristal fotónico, permite generar un continuum desde 530 nm hasta 2100 nm, y que está referenciado directamente a la unidad de tiempo, el segundo, a través de patrones de frecuencia (Cesio y Rubidio), trazados en tiempo real al Real Observatorio de la Armada (ROA), Laboratorio Asociado al CEM y Depositario del Patrón Nacional de Tiempo/Frecuencia.

Con esta forma de realización práctica, contrastada internacionalmente, la incertidumbre de la unidad de longitud se ve mejorada en hasta tres órdenes de magnitud, hasta 10-14, respecto a la obtenida mediante los láseres de He-Ne estabilizados sobre Iodo, aumentando además las posibilidades de diseminación directa de la unidad hacia la calibración absoluta de láseres emitiendo en todo el rango visible y en el infrarrojo cercano.

Los láseres utilizados en el segundo caso permiten realizar la unidad de longitud con una incertidumbre típica relativa de 2,1 x 10-11 en lo que se refiere a la frecuencia emitida en la componente f(a16).

A partir de la realización y mantenimiento de 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, mediante batido de frecuencias, caracterizándose 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.

El laboratorio cuenta también con interferómetros de tipo Fizeau, con fuentes de radiación láser internas de l = 633 nm y aperturas de 150 mm, para la determinación óptica de defectos de planitud.