CH685215A5 - Refractometer for interferometric integral measurement of the refractive index of the air. - Google Patents

Description

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CH 685 215 A5 CH 685 215 A5

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Refraktometer gemäss des Oberbegriffes des Anspruches 1. The invention relates to a refractometer according to the preamble of claim 1.

Die Einheit der Länge ist durch die Meter-Definition von 1983 als Laufzeit einer elektromagnetischen Strahlung im Vakuum definiert. The unit of length is defined by the 1983 meter definition as the duration of electromagnetic radiation in a vacuum.

Wird eine Länge durch elektromagnetische Strahlung in freier Atmosphäre gemessen, so muss der Brechungsindex zur Zeit der Messung bestimmt und die Wellenlänge korrigiert werden. If a length is measured by electromagnetic radiation in a free atmosphere, the refractive index must be determined at the time of the measurement and the wavelength corrected.

Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindexes der Luft sind bekannt. Interferometrische Refraktometer können durch Zählung der Interferenzstreifen den Weg messen, wobei die Messstrecke durch Luftleerpumpen und Wiedereinlassung als optische Wegdifferenz oder durch mechanisches Abfahren einer bekannten Massverkörperung bestimmt wird. Die Massverkörperung muss dabei zweckmässigerweise aus einem Material bestehen, das unbe-einflusst bleibt von den Parametern, die den Brechungsindex der Luft verändern. Der Anschluss an die Vakuumstrecke ist von Vorteil, allerdings muss die Länge genau bekannt sein. Das zeit- und materialaufwendige Auspumpen ist ein Nachteil. Die mechanische Verschiebung gegen Anschläge erreicht nur eine begrenzte Genauigkeit. Refractometers for determining the refractive index of the air are known. Interferometric refractometers can measure the path by counting the interference fringes, the measuring path being determined by air pumps and reinsertion as an optical path difference or by mechanical traversing of a known material measure. The material measure must expediently consist of a material that remains unaffected by the parameters that change the refractive index of the air. The connection to the vacuum section is an advantage, but the length must be known exactly. Pumping out time and material is a disadvantage. The mechanical displacement against stops only achieves a limited accuracy.

Interferometrische Refraktometer können durch Messung des Phasenversatzes zwischen einer Vakuum-Messstrecke für den Referenzstrahl und einer gleich langen Messstrecke für den Messstrahl in Luft den differentiellen optischen Wegunterschied, den die Strahlung durchläuft, ermitteln. Diese Messung ist eindeutig, solange der Wegunterschied über den Messbereich kleiner U2 ist. Ein Messbereich von An = 10 E -4 und einer Auflösung von Interferometric refractometers can determine the differential optical path difference through which the radiation travels by measuring the phase offset between a vacuum measuring section for the reference beam and an equally long measuring section for the measuring beam in air. This measurement is unambiguous as long as the path difference across the measuring range is less than U2. A measuring range of An = 10 E -4 and a resolution of

^ n = 10 E -8 würde eine Phasenmessung von n ^ n = 10 E -8 a phase measurement of n

_ = 10 E -4 voraussetzen. Messeinrichtungen Assume _ = 10 E -4. Measuring equipment

A A

solcher Art sind sehr aufwendig und unverhältnismässig. Einrichtungen mit einem Auflösungsvermögen von ^2, = 10 E -2 sind gebräuchlich. of this kind are very complex and disproportionate. Devices with a resolving power of ^ 2, = 10 E -2 are common.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in-terferometrisches Refraktometer grossen Messbereiches zu beschreiben, das mit gebräuchlichen Phasenmesseinrichtungen betrieben werden kann. The invention is based on the object of describing an interferometric refractometer with a large measuring range which can be operated with conventional phase measuring devices.

Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass mindestens zwei refraktometrische Messstrek-ken ungleicher Länge mit je einer interferometri-schen Messanordnung vorgesehen sind, um einen gemeinsamen Messwert für den Brechungsindex zu ermitteln. This is achieved according to the invention in that at least two refractometric measuring paths of different lengths are provided, each with an interferometric measuring arrangement, in order to determine a common measured value for the refractive index.

Es werden zwei getrennte Interferenz-Refraktometer aufgebaut, jedes mit einer Vakuum- und Luftmessstrecke. Die Messstrecken des einen Inter-ferometers unterscheiden sich durch ihre Länge vom anderen, zweckmässigerweise um den Faktor 100x. So werden mit dem Refraktometer kurzer Messstrecke die beiden ersten Dezimalstellen des Two separate interference refractometers are set up, each with a vacuum and air measurement section. The measuring sections of one interferometer differ in length from the other, expediently by a factor of 100x. With the refractometer short measuring section, the first two decimal places of the

Brechungsindexes gemessen, mit dem langen die beiden letzten, die unter Berücksichtigung des Längenverhältnisses der beiden Messstrecken addiert werden und den Wert des Brechungsindexes ergeben. Refractive index measured, with the long the last two, which are added taking into account the length ratio of the two measuring sections and give the value of the refractive index.

Der optische Aufbau des Refraktometers kann so erfolgen, dass die Komponenten, mit Ausnahme der unterschiedlichen Messstrecken, von beiden Inter-ferometern gemeinsam genutzt werden. Es können zusätzliche Massnahmen in Form von umschaltbaren X/2 Verzögerungsplatten getroffen werden, die es bei der Verwendung von polarisationsoptischen heterodynen Interferometern erlauben, die Länge der Messstrecke durch Entfernungsmessung zu ermitteln. Es können die interferometrischen Strahlengänge doppelt und gegenläufig geführt werden, um die Auflösung der Phasenmesseinrichtung zu verdoppeln und nichtlineare Phasenfehler zu kompensieren. Der Strahlengang, insbesondere der des In-terferometers mit langer Messstrecke, kann gefaltet werden, um die Dimensionen klein zu halten. The optical structure of the refractometer can be such that the components, with the exception of the different measuring sections, are shared by both interferometers. Additional measures in the form of switchable X / 2 delay plates can be taken, which, when using polarization-optical heterodyne interferometers, allow the length of the measuring section to be determined by distance measurement. The interferometric beam paths can be guided twice and in opposite directions in order to double the resolution of the phase measuring device and to compensate for non-linear phase errors. The beam path, in particular that of the interferometer with a long measuring path, can be folded in order to keep the dimensions small.

Ist das Längenverhältnis der beiden Messstrek-ken aufgrund von Ungenauigkeiten der Herstellung nicht ganzzahlig, so kann dieses durch den Multiplikationsfaktor korrigiert werden. If the length ratio of the two measurement sections is not an integer due to inaccuracies in the manufacture, this can be corrected using the multiplication factor.

Der Aufbau des doppelten Interferenz-Refraktometers wird in den nachfolgenden Zeichnungen stufenweise und schematisch dargestellt. Es zeigen die The structure of the double interference refractometer is shown step by step and schematically in the following drawings. They show

Fig. 1 den schematischen Aufbau des einfachen Interferenz-Refraktometers mit der Vakuum- und Luftmessstrecke Fig. 1 shows the schematic structure of the simple interference refractometer with the vacuum and air measurement section

Fig. 2 die Seitenansicht von zwei Interferenz-Refraktometern nach Fig. 1 mit ungleich langen Messstrecken FIG. 2 shows the side view of two interference refractometers according to FIG. 1 with measurement sections of different lengths

Fig. 3 den schematischen Aufbau des einfachen, gefalteten, polarisationsoptischen Heterodyn-Inter-ferometers 3 shows the schematic structure of the simple, folded, polarization-optical heterodyne interferometer

Fig. 4 den vor den Interferometern angebrachten Strahlenteiler und die Schaltung zur Phasenmessung zweier gegenläufiger Interferometer Fig. 4 shows the beam splitter attached in front of the interferometers and the circuit for phase measurement of two opposing interferometers

Fig. 5 den schematischen Aufbau eines Doppel-Interferenz-Refraktometers ohne Vakuumkammern, mit nur zwei stabilen Referenzstrecken unterschiedlicher Länge. Fig. 5 shows the schematic structure of a double interference refractometer without vacuum chambers, with only two stable reference sections of different lengths.

In Fig. 1 ist mit 1 eine kohärente Strahlungsquelle bezeichnet, die in das Prisma 2 mit der Teilerschicht 3 einstrahlt. Unter dem Prisma 2 ist ein Rohr 4 angebracht, das die Länge der Messstrek-ken 6 in Luft und 5 in Vakuum bestimmt und mit einem Planspiegel 7 abgeschlossen ist. Der Hohlraum 5 ist evakuiert. Die Strahlung wird an der Fläche 3 in einen Referenz- und einen Messstrahlengang geteilt, an 7 zurückreflektiert, an 3 wiedervereint und vom Photodetektor 8 empfangen. In Fig. 1, 1 designates a coherent radiation source which radiates into the prism 2 with the divider layer 3. A tube 4 is attached under the prism 2, which determines the length of the measuring paths 6 in air and 5 in vacuum and is closed with a plane mirror 7. The cavity 5 is evacuated. The radiation is divided into a reference and a measuring beam path on the surface 3, reflected back at 7, reunited at 3 and received by the photodetector 8.

Es zeigt die Fig. 2 die Seitenansicht des einfachen Interferometers aus Fig. 1, jedoch um ein zweites verdoppelt, wobei die Abstandsrohre 4a und 4b unterschiedliche Längen aufweisen und mit den Planspiegeln 7a und 7b abgeschlossen sind. Das vorgeschaltete Teilerprisma 10 wird nachfolgend in Fig. 4 näher beschrieben. FIG. 2 shows the side view of the simple interferometer from FIG. 1, but doubled by a second one, the spacer tubes 4a and 4b having different lengths and being terminated with the plane mirrors 7a and 7b. The upstream divider prism 10 is described in more detail below in FIG. 4.

Es zeigt die Fig. 3 ein einfaches polarisationsop- 3 shows a simple polarization-op-

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10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

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3 3rd

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tisches, heterodynes Interferometer mit gefaltetem Strahlengang. Der nichtpolarisierende Intensitätsteiler 10 teilt die Strahlung wie nachfolgend in Fig. 4 beschrieben. Die heterodyne, orthogonal zueinander polarisierte Strahlung tritt in das polarisationsoptische Teilerprisma 2 ein und wird an der Schicht 3 getrennt. Die beiden Strahlenbündel durchlaufen die Luft- und Vakuummessstrecken 5 und 6, werden von der aJ4 Verzögerungsplatte 9 um 2 x 45° gedreht und vom Tripelprisma 11 parallelversetzt, sodass sie die Messstrecken noch ein zweites Mal durchlaufen und vom Photodetektor 8 empfangen werden. Die verschiebbare >72 Verzögerungsplatte 12 kann wahlweise in den Strahlengang eingeschoben werden und dreht die Polarisationsrichtungen um 90", sodass die Frequenzen in den Messstrek-ken vertauscht werden. Mit den aufeinanderfolgenden Phasenmessungen kann eine Entfernungsmessung über die Messstrecken durchgeführt werden. table, heterodyne interferometer with folded beam path. The non-polarizing intensity divider 10 divides the radiation as described below in FIG. 4. The heterodyne, orthogonally polarized radiation enters the polarization-optical splitter prism 2 and is separated at the layer 3. The two beams pass through the air and vacuum measuring sections 5 and 6, are rotated by the aJ4 delay plate 9 by 2 x 45 ° and offset in parallel by the triple prism 11, so that they pass through the measuring sections a second time and are received by the photodetector 8. The displaceable> 72 delay plate 12 can optionally be inserted into the beam path and rotates the polarization directions by 90 ", so that the frequencies in the measuring sections are exchanged. With the successive phase measurements, a distance measurement can be carried out over the measuring sections.

Es zeigt die Fig. 4 den Strahlenteiler 10 vor den Interferometern für das Doppel-Refraktometer mit gegenläufigen heterodynen Interferometern und das Schema der Signalverarbeitung nach den Detektoren 8a bis 8e. Die Strahlung tritt in den mehrfach Strahlteiler 10 ein und wird von der ersten nicht-polarisierenden Teilerfläche im Verhältnis 1:4 intensitätsgeteilt. Der abgelenkte Teil wird in seiner Polarisation durch die X/2 Verzögerungsplatte um 90° gedreht zur Erzielung der Gegenläufigkeit des Inter-ferometers I 22 gegenüber I 21. Die zweite Teilerfläche teilt im Verhältnis 1:3, die dritte 1:2 und die letzte 1:1, sodass alle 4 Interferometer I 11, I 12, I 21, I 22 und der Referenzdetektor 8a die gleichen Intensitäten erhalten. Die Interferometer I 11, I 12 bilden das Refraktometer mit langer, die Interferometer I 21, I 22 dasjenige mit kurzer Messstrecke. 4 shows the beam splitter 10 in front of the interferometers for the double refractometer with opposing heterodyne interferometers and the diagram of the signal processing after the detectors 8a to 8e. The radiation enters the multiple beam splitter 10 and is intensity-divided by the first non-polarizing splitter surface in a ratio of 1: 4. The deflected part is rotated in its polarization by the X / 2 retardation plate by 90 ° to achieve the opposite direction of the interferometer I 22 compared to I 21. The second divider area divides 1: 3, the third 1: 2 and the last 1 : 1, so that all 4 interferometers I 11, I 12, I 21, I 22 and the reference detector 8a receive the same intensities. The interferometers I 11, I 12 form the refractometer with a long, the interferometer I 21, I 22 that with a short measuring path.

Die Polarisatoren 13a-13e stehen unter 45° zu den orthogonal ausgerichteten Strahlungskomponenten der beiden Frequenzen. Die relative Lage der Polarisationsebenen von 13b zu 13c und 18d zu 18e ermöglicht die Kompensation nichtlinearer Phasenfehler. The polarizers 13a-13e are at 45 ° to the orthogonally aligned radiation components of the two frequencies. The relative position of the polarization planes from 13b to 13c and 18d to 18e enables the compensation of nonlinear phase errors.

Der Referenzdetektor 8a ist vor den Interferometern angebracht, die Detektoren 8b und 8c sind die Messdetektoren des einen gegenläufigen Interfero-meters, 8d und 8e diejenigen des anderen. Beide Detektorpaare sind über Zähler und Komparatoren mit dem Referenzdetektor 8a verbunden. Die Komparatoren Kxy bilden die Differenzen der Zählinhalte der Zähler Zxy, Zyx. Das gegenläufige Doppel-Inter-ferometer I 11 und I 12 zählt in die Zähler Z 11 und Z 12 ein, die über die Komparatoren K 1 R und K 2 R mit dem Referenzzähler Z R verbunden sind. Die Differenzen in den Komparatoren K 1 R und K 2 R werden in die Zähler Z 1 R und Z 2 R eingezählt und vom Komparator K 1 verglichen. In K 1 erscheint nunmehr das Messresultat des ersten Refraktometers. The reference detector 8a is mounted in front of the interferometers, the detectors 8b and 8c are the measurement detectors of one counter-rotating interferometer, 8d and 8e those of the other. Both pairs of detectors are connected to the reference detector 8a via counters and comparators. The comparators Kxy form the differences in the count contents of the counters Zxy, Zyx. The counter-rotating double interferometer I 11 and I 12 counts into the counters Z 11 and Z 12, which are connected to the reference counter Z R via the comparators K 1 R and K 2 R. The differences in the comparators K 1 R and K 2 R are counted into the counters Z 1 R and Z 2 R and compared by the comparator K 1. The measurement result of the first refractometer now appears in K 1.

Die Messung des zweiten Refraktometers wird in analoger Weise verarbeitet und erscheint im Komparator K 2. Eine der beiden Messungen wird mit dem Massstabsfaktor, der dem Verhältnis der Messwege der beiden Refraktometer entspricht, multipliziert, addiert und in der nachfolgenden Anzeigeeinheit R O angezeigt. Der Einfachheit halber ist die Anzeige in R O 1 und R O 2 aufgeteilt und der Massstabsfaktor mit 100x angenommen. Er soll durch den Anschluss von K 2 an die geeigneten Dezimalstellen der Anzeige R O 2 erreicht werden. The measurement of the second refractometer is processed in an analogous manner and appears in the comparator K 2. One of the two measurements is multiplied by the scale factor, which corresponds to the ratio of the measurement paths of the two refractometers, added and displayed in the subsequent display unit R O. For the sake of simplicity, the display is divided into R O 1 and R O 2 and the scale factor is assumed to be 100x. It should be achieved by connecting K 2 to the appropriate decimal places of the display R O 2.

Die Verdoppelung der Auflösung der Phasenmessung durch gegenläufige Interferometer hat die gleiche Wirkung wie die Faltung des Strahlenganges und erlaubt eine Redimensionierung der Messstrek-ke um die Hälfte. Doubling the resolution of the phase measurement by counter-rotating interferometers has the same effect as folding the beam path and allows the measuring distance to be reduced by half.

Wird in den Refraktometern eine Vakuum- und eine Luftmessstrecke verwendet, so zeigt R O den Wert für (n-1) an. Bei Verwendung nur einer Luftmessstrecke wird der Brechungsindex n als Verhältniswert zu einer stabilen und bekannten Länge der Messstrecke angezeigt. If a vacuum and an air measuring section are used in the refractometers, R O shows the value for (n-1). If only one air measuring section is used, the refractive index n is displayed as a ratio to a stable and known length of the measuring section.

Es zeigt die Fig. 5 den schematischen Aufbau eines Doppel-Refraktometers nur mit Luftmessstrek-ke. Die die Länge der Messstrecke bestimmenden Distanzstücke 4a und 4b werden als Referenz für die optische Weglänge benutzt. Sie müssen stabil sein und aus einem Material hergestellt werden, das von den Parametern, die den Brechungsindex der Luft verändern, unbeeinflusst bleibt. 5 shows the schematic structure of a double refractometer only with an air measuring path. The spacers 4a and 4b which determine the length of the measuring section are used as a reference for the optical path length. They have to be stable and made of a material that is unaffected by the parameters that change the refractive index of the air.

Die Strahlung aus der Quelle 1 wird im Prisma 10 in drei Wege geteilt, von denen zwei in die beiden Interferenz-Refraktometer gelangen und einer zum Referenzdetektor 8a. Die beiden Interferometer sind räumlich getrennt, sodass die Referenzstrahlen an den verspiegelten Seiten der Distanzstücke 4a und 4b, die Messstrahlen an den Planspiegeln 7a und 7b reflektiert werden. Die Detektoren 8f und 8g empfangen die Messsignale und die nachfolgende, nicht gezeichnete Elektronik ist ähnlich, aber einfacher als die in Fig. 4 dargestellte und verarbeitet die Messwerte zur Anzeige von n, dem Brechungsindex. The radiation from the source 1 is divided into three paths in the prism 10, two of which reach the two interference refractometers and one to the reference detector 8a. The two interferometers are spatially separated, so that the reference beams are reflected on the mirrored sides of the spacers 4a and 4b, and the measurement beams on the plane mirrors 7a and 7b. The detectors 8f and 8g receive the measurement signals and the subsequent electronics, not shown, is similar but simpler than that shown in FIG. 4 and processes the measurement values to display n, the refractive index.

Der technische Fortschritt dieses Doppel-Interferenz-Refraktometers gegenüber bekannten Messgeräten besteht darin, The technical progress of this double interference refractometer compared to known measuring devices consists in

- dass der Brechungsindex der Luft als (n-1) oder n absolut gemessen werden kann über den gesamten Messbereich - That the refractive index of the air can be measured as (n-1) or n absolute over the entire measuring range

- dass zur Durchführung der Messung keine Vakuumpumpe erforderlich ist - that no vacuum pump is required to carry out the measurement

- dass die meisten optischen Bauteile von beiden Interferenz-Refraktometern gemeinsam benutzt werden - That most optical components are shared by both interference refractometers

- dass der Aufbau des Gerätes stabil und kompakt ist bei hoher Auflösung - That the structure of the device is stable and compact with high resolution

- dass bekannte, einfache Phasenmesseinrichtun-gen zur Messung verwendet werden - That known, simple phase measuring devices are used for the measurement

- dass nichtlineare Phasenfehler kompensiert werden. - that non-linear phase errors are compensated.

Claims (3)

PatentansprücheClaims 1. Refraktometer zur interferometrischen, integralen Messung des Brechungsindexes der Luft, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei re-fraktometrische Messstrecken ungleicher Länge mit je einer interferometrischen Messanordnung vorgesehen sind, um einen gemeinsamen Messwert für den Brechungsindex zu ermitteln.1. Refractometer for the interferometric, integral measurement of the refractive index of the air, characterized in that at least two refractometric measuring sections of unequal length are provided, each with an interferometric measuring arrangement, in order to determine a common measured value for the refractive index. 2. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang in der inter-2. Refractometer according to claim 1, characterized in that the beam path in the inter- 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 6060 6565 3. Refraktometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede interferometrische Messanordnung bei Verwendung von heterodynen Strahlenquellen doppelt und gegenläufig geführt ist.3. Refractometer according to claim 2, characterized in that each interferometric measurement arrangement is performed twice and in opposite directions when using heterodyne radiation sources. 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 6060 6565 44th 33rd 55 CH 685 215 A5CH 685 215 A5 ferometrischen Messanordnung mit langer Mess-strecke gefaltet ist.ferometric measuring arrangement with a long measuring path is folded.