CN1095542C - 双真空室双频测相空气折射率干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光技术领域，涉及一种双真空室双频测相空气折射率干涉仪，包括：双频激光光源，依次设置在该激光器发射端的光路上的分光板、补偿环及置于其中的1/4波片、两个不同长度的真空室和直角四面体反射镜，设置在直角四面体反射镜和分光板反射光路上的偏振分光棱镜和全反射棱镜，分别设置在偏振分光棱镜和全反射棱镜反射光路上的两个光电探测器，以及与两个光电探测器相连的相位计和数据处理器构成的信号处理单元。本发明可提高测量的精度和分辨率，可组成便携式仪器，对环境振动、光束漂移具有自适应性。

Description

双真空室双频测相空气折射率干涉仪

技术领域

本发明属于激光技术领域，特别涉及空气折射率干涉仪的结构设计。

背景技术

1965年Bengt Edlen利用大量实验结果作出经验公式，空气折射率和大气压力、温度、湿度、二氧化碳含量等有关，就是著名的Edlen公式。由于现今的大气条件和当时存在差异，特别是二氧化碳含量的变化，以及实验室中的溶剂挥发造成空气成分变化，使得该公式的计算值与实际的空气折射率存在偏差，后来该公式经过了多次修正，仍然无法适应多变的实验环境。

1979年清华大学研究成功双频(抽气式)折射率干涉仪并以此为基础建立了自动补偿***。1988英国国家物理研究院也报导了采用抽真空方法的折射率干涉仪，现在，德国、瑞士、意大利、荷兰等国仍然采用抽真空方法。这种方法不可能实现便携式结构。但是量程不受限制。后来的很多工作都集中在省掉抽气***方面。计量院完成的改进的瑞利干涉仪，真空管长1200mm目视测量达到2×10^-8精度，用于光电比长仪。1987年陕西机械工程学院侯文玫完成了梯形真空腔干涉仪，在真空腔横向连续运动过程中计数测量。美国NIST采用波纹管密封变筒长连续技术结构。

其中，计量院的研制的双瑞利空气折射率干涉仪(专利申请号97112286.5)的结构如图1所示，主要包括：S为垂直光缝，位于透镜L1的前焦点上，将透过S光缝的光变成平行光。D为有三条垂直图面狭缝的光栏阑，T1和T2是两个长度不同的真空管，分别对准光栏阑D的上、下狭缝，透镜L2和柱面镜L3重合干涉光束形成干涉场。干涉场分为6个区域如图2所示。真空室T1位于A-1空间，真空室T2位于A-3空间。真空室的端部平板玻璃位于B-1和B-3空间。而A-2和B-2空间完全是空气层。所以干涉场上2区的条纹是固定的参考条纹，1区和3区的条纹因空气折射率变化而移动。条纹图由CCD摄取有计算机处理得到小数干涉级。

这种测量方法的原理是单波长小数重合法。光干涉测量的基本公式是：

                n·L＝(N+ε)·λ

在空气折射率干涉仪中，测量的是空气折射率n与真空折射率1之差，即(n-1)，而不是几何长度L。这时，可以将小数重合法作如下变更，在测量过程中不改变光波波长，而代之以改变真空管的几何长度，即采用单一光波波长。如果采用两种不同的真空管长度L₁和L₂，则可得：

               n-1＝(N₁+ε₁)·λ/L₁

               n-1＝(N₂+ε₂)·λ/L₂

所以 $\frac{L_1}{L_2}=\frac{(N_1+{\mathrm{\ϵ}}_1)}{(N_2+{\mathrm{\ϵ}}_2)}$ 由于真空管长度L₁和L₂可以被精确测出，N₁和N₂在设计的气压范围内(10^-6)只会变1个条纹。比较

和 是否“相等”，如果不相等，调整整数值，直到“相等”。最后由正确的整数值和测出的小数值求出空气折射率。这种设计的量程较小，遇到超过量程的情况就无法工作。也因为CCD测量小数条纹精度较低，影响

比值判断的不确定度。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种双真空室双频测相空气折射率干涉仪，可提高测量的精度和分辨率，便于得到便携式高精度仪器，对环境振动、光束漂移具有自适应性。测量结果稳定等优点。本发明提出的一种双真空室双频测相空气折射率干涉仪，其特征在于，包括稳频横向赛曼激光器，依次设置在该激光器发射端的光路上的分光板、补偿环及置于补偿环中的1/4波片、两个不同长度的真空室和直角四面体反射镜，设置在直角四面体反射镜和分光板反射光路上的偏振分光棱镜和全反射棱镜，分别设置在该偏振分光棱镜和全反射棱镜反射光路上的两个光电探测器，以及与两个光电探测器相连的相位计和数据处理器构成的信号处理单元；所说的分光板将所说的激光器发出的光分成两束并使之在垂直方向反射，所说的补偿环及1/4波片垂直放置于光轴上，所说的两个不同长度的真空室与光轴平行，该两个真空室固定在一个由电机带动的将两个真空室依次送入该光路的拖动台上。

本发明的光学原理如图3所示。从横向塞曼激光器发出正交线偏振光，设频率f₁平行纸面；f₂垂直纸面。在分光板1的前后表面上分成两束，设一束中均包含f₁和f₂两种频率。其中一束从真空室4内部通过，另一束从外部通过二者相互平行。由直角四面体5返回。两次从真空室内部通过的光束也在1/4波片3(快轴位于45°方向)中通过两次，相当于通过一次快轴在45°的1/2波片，从而使两个返回的偏振分量转过90°。从真空室外部通过并返回的光束则两次通过玻璃补偿环2，偏振方向没有变化。内外两光束在分光板1上重新会合时并不形成肉眼可见的条纹，经偏振分光棱镜6和全反射棱镜7把相同偏振方向的辐射分别送到两个光电探测器8上。形成(f₁+Δf)-f₂和f₁-(f₂+Δf)两个信号。经相位计9检测得到2Δf的相位变化。又因为直角四面体使光路折叠，又有2倍的光程倍增，由直线超声电机带动的拖动台10交替把两个真空管送入干涉光路，对应的测量方程为

         n-1＝(N₁+ε₁)·λ/4L₁    (1)

         n-1＝(N₂+ε₂)·λ/4L₂式中，n为空气折射率，N为条纹整数，ε为条纹小数值(相位计测得值)，λ为激光波长，此处为0.6328μm。过去曾经认为交替两个真空室进行测量是一种不简洁的设计，由于超声电机的出现改变了这个观点。因为它噪声小、体积小、重量轻、直接给出直线位移、不需要另加螺杆导轨。因为相位计的测量精度很高，测量误差的来源主要是真空室长度的不确定度。 $\frac{\mathrm{\δ}(n_a-1)}{(n_a-1)}\≈\frac{\mathrm{\δ}{L}_1}{L_1}$ 因为(n_a-1)≈0.00027所以 $\mathrm{\δ}(n_a-1)\≈0.00027\frac{\mathrm{\δ}{L}_1}{L_1}----\left(2\right)$ 该式为根据精度要求选取真空室长度的依据。由于相位计只能测量360°以内的相位变化，所以图3干涉光路中两路输出信号之间相位变化的整数部分N是不能直接得到的。因此使用两个不同长度的真空室。真空室长度差是根据要求的折射率测量范围(单值区间)Δ(n-1)确定的： $L_2>(L_1-\frac{\mathrm{\λ}}{4\·\mathrm{\Δ}(n-1)\·})\·----\left(3\right)$ 根据(2)、(3)可以确定两个真空管的长度。由公式(1)可以推出： $n-1=\frac{(N_1-N_2+{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)\·\mathrm{\λ}}{4(L_1-L_2)}----\left(4\right)$ 在要求的折射率测量范围(单值区间)Δ(n-1)内，并由公式(2)、(3)确定管长L₁，L₂后由公式(4)求出的N₁-N₂是一个定值。因此用干涉仪测出ε₁，ε₂，再根据下面的步骤就可以计算出待测的空气折射率n_a。

1)由(ε₁-ε₂)求出近似的折射率值n′_a $(n_a^{\′}-1)=(N_1-N_2+{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)\frac{\mathrm{\λ}}{4(L_1-L_2)}----\left(5\right)$

2)利用近似的折射率n′_a根据公式(1)求条纹整数 $N_1=\mathrm{Int}\left[\frac{4(n_a^{\′}-1)L_1}{\mathrm{\λ}}\right]----\left(6\right)$

3)求出准确折射率值(由长真空室相应参数求出) $n_a-1=(N_1+{\mathrm{\ϵ}}_1)\frac{\mathrm{\λ}}{4L_1}----\left(7\right)$

本发明有以下特点：

1)采用的是横向塞曼双频激光作光源(频差300KHz左右)测相而不是分析条纹图。测相的精度和分辨率达到1/3600是不困难的，条纹图分析测相的精度通常只能达到1/100。

2)本发明不采用比值做判据，因为小数变化的比值不如差值灵敏。所以采用(ε₁-ε₂)直接参与计算。使单值区间增大。

3)本发明的灵敏度有4倍的光学倍乘，所以在精度要求相同的情况下真空管的长度可以短4倍。便于得到便携式高精度仪器，在不同实验室进行比对测量。

4)本发明对环境振动、光束漂移具有自适应性。测量结果稳定。

附图说明

图1为已有的双瑞利空气折射率干涉仪的结构示意图。

图2为图1所示干涉仪的干涉场分布区域示意图。

图3为本发明的实施例结构原理图。

具体实施方式

本发明的一种双真空室双频测相空气折射率干涉仪实施例如图3所示，主要包括：发出正交线偏振光的横向塞曼激光器，将该激光器发出的光分成两束并在垂直方向反射出的分光板1，与该分光板反射出的光的光轴垂直设置的补偿环2及置于其中的1/4波片3，直角四面体反射镜5，以及设置在所说的1/4波片与直角四面体反射镜之间与光轴平行的两个不同长度的真空室41，42，所说的两个真空室固定在一个由超声直线电机带动的将两个真空管送入干涉光路的拖动台10上，还包括接收该分光板反射回光的偏振分光棱镜6和全反射棱镜7，接收所说的偏振分光棱镜和全反射棱镜出射光的两个光电探测器8和一个相位计9，以及与该相位计相连的数据处理器。

本实施例采用633nmHe-Ne横向塞曼激光器，频差300KHz，相位计分辨率0.1°。

L₁＝88.008，L₂＝82.026

单值区间  ＞2.5×10^-5

0.1°相位对应的空气折射率值：0.7×10^-9

空气折射率测量不确定度：(1～2)×10^-8

Claims (1)

1.一种双真空室双频测相空气折射率干涉仪，其特征在于，包括稳频横向赛曼激光器，依次设置在该激光器发射端的光路上的分光板、补偿环及置于补偿环中的1/4波片、两个不同长度的真空室和直角四面体反射镜，设置在直角四面体反射镜和分光板反射光路上的偏振分光棱镜和全反射棱镜，分别设置在该偏振分光棱镜和全反射棱镜反射光路上的两个光电探测器，以及与两个光电探测器相连的相位计和数据处理器构成的信号处理单元；所说的分光板将所说的激光器发出的光分成两束并使之在垂直方向反射，所说的补偿环及1/4波片垂直放置于光轴上，所说的两个不同长度的真空室与光轴平行，该两个真空室固定在一个由电机带动的将两个真空室依次送入该光路的拖动台上。