BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Refraktometer zur integralen Messung des Brechungsindexes der Luft, dessen Messstrecke durch mindestens einen planparallelen Stab bekannter Länge begrenzt wird, dessen Endflächen Spiegel tragen.
Die Einheit der Länge ist durch die Meterdefinition von
1983 als Laufzeit einer elektromagnetischen Strahlung im Vakuum definiert.
Wird eine Länge durch elektromagnetische Strahlung in freier Atmosphäre gemessen, so muss der Brechungsindex zur Zeit der Messung bestimmt und die Wellenlänge korrigiert werden.
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 sein, das unbeeinflusst bleibt von den Parametern, die den Brechungsindex der Luft verändern.
Der Anschluss an die Vakuummessstrecke 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.
Interferometrische Refraktometer können durch Messungen des Phasenversatzes der beiden Interferenzstreifensysteme am Anfang und Ende einer doppelten Messstrecke unter Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen als differentielle Entfernung zwischen den beiden optischen Reflektoren gemessen werden.
Die beiden Messstrecken unterscheiden sich dadurch, dass die eine in freier Atmosphäre, die andere im Vakuum verläuft. Gemessen wird die Phasendifferenz zwischen den beiden Strecken und daraus die optische Wegdifferenz und der Brechungsindex errechnet. Diese Methode ist einfach und robust, hat aber den Nachteil, dass bei verschlossener Vakuumstrecke das Vakuum nicht kontrolliert werden kann ohne grösseren Aufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Refraktometer anzugeben, mit welchem alle drei Messmethoden verwirklicht werden können und zusätzlich eine hochauflösende Entfernungsmessung.
Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass der Strahlenteiler des Interferometers und der die Messstrecke begrenzende spiegeltragende Stab so gestaltet sind, dass eine Entfernungsmessung in freier Atmosphäre und im Vakuum, und dass durch die Anbringung eines weiteren beweglichen Spiegels, eine Wegmessung möglich sind.
Der Strahlenteiler ist als Differentialinterferometer ausgebildet, der den Mess- und Referenzstrahl über zwei parallele Strecken lenkt, wobei die optischen Reflektoren die die Messstrecke begrenzenden Planspiegel sind. Der Strahlteiler ist so ausgebildet, dass die optischen Weglängen für Mess- und Referenzstrahl im Strahlteiler gleich sind. Die Messstrecke besteht aus zwei planparallelen Säulen, die auf einer Seite durch ein Joch, auf der anderen durch den Strahlteiler begrenzt werden. Die messstreckenbegrenzenden Säulen sind aus einem Material hergestellt, dessen Länge praktisch unabhängig ist von den Parametern, die den Brechungsindex der Luft variieren. Sie können darüber hinaus als Führungen für einen mechanisch linear verschiebbaren Reflektor ausgebildet werden.
Der bewegliche Reflektor ist aus dem gleichen Material hergestellt wie die messstreckenbegrenzenden Säulen, damit keine Dilatationsdifferenz die Messung verfälscht.
Das Refraktometer kann komplett in ein Vakuumgefäss mit Fenster für den Ein- und Austritt der Strahlung gebracht und evakuiert werden zur Messung der Messstreckenlänge in Vakuum und der Messung der optischen Weglängendifferenz zwischen Vakuum und Luft.
Das Refraktometer kann konstruktiv auch so ausgebildet werden, dass nur die Messstrecke von einem Vakuumgefäss umgeben ist. Zweckmässigerweise wird das durch Anbringen einer planparallelen Glasplatte zwischen Strahlenteiler und Messstrecke erreicht.
Zur Erhöhung der Auflösung des Interferometers kann der Strahlengang im Interferometer fortlaufend, mehrfach gefaltet werden.
Zur Durchführung einer heterodynen Entfernungsmessung mit zwei eng benachbarten linear polarisierten Laserfrequenzen muss vor dem Strahlteiler ein optisches Mittel vorhanden sein, mit welchem der Polarisationszustand der Strahlung um 90 " gedreht werden kann; das kann eine B/2-Platte sein. Die Teilerflächen des Strahlenteilers müssen für diese Messungen als polarisationsoptische Teile ausgeführt sein.
Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 die schematische Darstellung des Refraktometers und Fig. 2 dessen Seitenansicht.
Die von Nr. 2 bis 13 bezeichneten Teile sind die optischen Komponenten des Strahlenteilers, Nr. 14 und 15 die Säulen, Nr. 16 das Joch der Messstrecke und Nr. 17 der bewegliche Spiegel. Nr. 1 ist die B/2-Platte zur Drehung der Polarisationsrichtung.
Der in den Strahlteiler eintretende Strahl wird zwischen (2 + 3) in seine beiden polarisationsoptischen Komponenten zerlegt und über die Mess- und Referenzstrecke gelenkt.
Der Referenzstrahl durchsetzt (3 + 4) sowie die k/4-Platte 613), wird am messstreckenbegrenzenden Planspiegel der Säule (14) in sich reflektiert, um 90 in seiner Polarisationsrichtung gedreht, durchsetzt (4-5-9-10-9-5-4-13) und trifft auf den Planspiegel der Säule (15), durchsetzt (13-4-5-6) und tritt aus oder wird über (12) gefaltet.
Der Messstrahl durchsetzt (2-7-6-4-13), durchläuft die Messstrecke und wird vom beweglichen Spiegel (17) oder festen Spiegel ( 16) in sich reflektiert, von ( 13) gedreht, durchsetzt (4-6-7-2-4-13) und die Messstrecke zum zweiten Mal, wird gedreht, durchsetzt (4 + 6), vereinigt sich mit dem Referenzstrahl und tritt aus oder wird gefaltet.
Die Planparallelplatte (9) stellt den gleich langen Glasweg zwischen Referenz- und Messstrahl her.
Die Umlenk-Tripelprismen (12 - 11 - 8) bewirken die Faltung des Interferometers zu einer zweiten Durchsetzung und einer Verdopplung des Messweges, was für dieses Beispiel eine 8fache Durchsetzung der Messstrecke bedeutet.
Die Ä/2-Platte (1) kann für die heterodyne Entfernungsmessmethode in den Strahlengang geschwenkt werden.
Der bewegliche Messspiegel (17) wird nur für den Fall der Anwendung dieser wegmessenden Methoden eingesetzt.
Mit dem beschriebenen Refraktometer lassen sich interferometrische Entfernungsmessungen, interferometrische Wegmessungen im Vakuum und in freier Atmosphäre durchführen sowie Wegmessungen mit linear bewegtem Messspiegel in freier Atmosphäre.
Damit besteht die Möglichkeit, das Refraktometer in einer Basismessung an die Vakuumwellenlänge anzuschliessen, diesen Wert in Form der festen Messstrecken zu speichern und in freier Atmosphäre jederzeit aus Vergleichsmessungen den Brechungsindex der Luft zu bestimmen.
DESCRIPTION
The invention relates to a refractometer for the integral measurement of the refractive index of the air, the measuring section of which is delimited by at least one plane-parallel rod of known length, the end faces of which carry mirrors.
The unit of length is by the meter definition of
Defined in 1983 as the duration of electromagnetic radiation in a vacuum.
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.
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 be made of a material that remains unaffected by the parameters that change the refractive index of the air.
The connection to the vacuum measuring 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.
Interferometric refractometers can be measured by measuring the phase offset of the two interference fringe systems at the beginning and end of a double measuring section using at least two different wavelengths as the differential distance between the two optical reflectors.
The two measurement sections differ in that one runs in a free atmosphere, the other in a vacuum. The phase difference between the two sections and the optical path difference and the refractive index are calculated. This method is simple and robust, but has the disadvantage that the vacuum cannot be checked with great effort when the vacuum path is closed.
The invention is based on the object of specifying a refractometer with which all three measurement methods can be implemented and additionally a high-resolution distance measurement.
According to the invention, this is achieved in that the beam splitter of the interferometer and the mirror-carrying rod delimiting the measuring section are designed in such a way that a distance measurement in a free atmosphere and in a vacuum, and that a distance measurement is possible by attaching a further movable mirror.
The beam splitter is designed as a differential interferometer, which directs the measuring and reference beam over two parallel paths, the optical reflectors being the plane mirrors delimiting the measuring path. The beam splitter is designed in such a way that the optical path lengths for the measuring and reference beams in the beam splitter are the same. The measuring section consists of two plane-parallel columns that are delimited on one side by a yoke and on the other by the beam splitter. The columns that limit the measuring distance are made of a material whose length is practically independent of the parameters that vary the refractive index of the air. They can also be designed as guides for a mechanically linearly movable reflector.
The movable reflector is made of the same material as the columns that delimit the measuring section so that no dilation difference falsifies the measurement.
The refractometer can be placed completely in a vacuum vessel with a window for the entry and exit of the radiation and can be evacuated to measure the length of the measuring section in vacuum and to measure the optical path length difference between vacuum and air.
The refractometer can also be designed so that only the measuring section is surrounded by a vacuum vessel. This is expediently achieved by attaching a plane-parallel glass plate between the beam splitter and the measuring section.
To increase the resolution of the interferometer, the beam path in the interferometer can be continuously folded several times.
To carry out a heterodyne distance measurement with two closely adjacent linearly polarized laser frequencies, an optical means must be available in front of the beam splitter with which the polarization state of the radiation can be rotated by 90 "; this can be a B / 2 plate. The splitting surfaces of the beam splitter must be be designed as polarization-optical parts for these measurements.
In the following an embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. 1 shows the schematic representation of the refractometer and FIG. 2 shows its side view.
The parts designated from No. 2 to 13 are the optical components of the beam splitter, No. 14 and 15 the columns, No. 16 the yoke of the measuring section and No. 17 the movable mirror. No. 1 is the B / 2 plate for rotating the direction of polarization.
The beam entering the beam splitter is split between (2 + 3) into its two polarization-optical components and directed over the measuring and reference path.
The reference beam passes through (3 + 4) as well as the k / 4 plate 613), is reflected in the plane mirror of the column (14) that limits the measuring section, is rotated through 90 in its polarization direction, passed through (4-5-9-10-9- 5-4-13) and meets the plane mirror of the column (15), penetrates (13-4-5-6) and exits or is folded over (12).
The measuring beam passes through (2-7-6-4-13), passes through the measuring section and is reflected by the movable mirror (17) or fixed mirror (16), rotated by (13), passed through (4-6-7- 2-4-13) and the measuring section for the second time, is rotated, interspersed (4 + 6), combines with the reference beam and emerges or is folded.
The plane parallel plate (9) creates the same long glass path between the reference and measuring beam.
The deflecting triple prisms (12 - 11 - 8) cause the interferometer to fold for a second enforcement and a doubling of the measuring path, which in this example means an 8-fold enforcement of the measuring section.
The Ä / 2 plate (1) can be swiveled into the beam path for the heterodyne distance measuring method.
The movable measuring mirror (17) is only used if these path-measuring methods are used.
With the refractometer described, interferometric distance measurements, interferometric distance measurements in vacuum and in a free atmosphere can be carried out, as well as distance measurements with a linearly moving measuring mirror in a free atmosphere.
This makes it possible to connect the refractometer to the vacuum wavelength in a basic measurement, to save this value in the form of the fixed measuring sections and to determine the refractive index of the air at any time in a free atmosphere from comparative measurements.