CN102183486B - 一种基于光频梳的气体折射率测量仪及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光频梳的气体折射率测量仪及其测量方法，通过光频梳对应的激光脉冲信号光路的分光和反射方向上设置的平板分光镜、真空管、角锥反射棱镜、分光棱镜以及平面反射镜，另外还带有在对应光路上设置和计算机处理系统相连接的光谱分析仪和光电探测器，经由计算机处理系统的待测气体折射率估算模块估算出待测气体折射率，这样具有设备简单、测量准确度高、测量范围大、测量速度快以及可测量多种气体的优点，并由此可对环境气体的折射率进行精确、实时监控，从而有望在光学精密测长、光学设计和大气监测中获得应用。
Description
技术领域
本发明属于气体折射率测量技术领域，具体涉及一种基于光频梳的气体折射率测量仪及其测量方法。
背景技术
气体折射率是光学精密干涉测量以及光学设计等领域中的重要参数，工作在空气环境中的仪器在设计以及数据处理时均需考虑空气折射率的影响。通常情况下空气折射率约为1.00027，且变化范围为10-6，因此一般将空气折射率近似为1，但在高精度的长度测量时，这一项近似所引入的误差将不容忽视。为实现纳米甚至亚纳米的测量不确定度，需要将空气折射率值精确测量到万分之一、十万分之一甚至是更高精度。其次，某些光学仪器需要在保护气体，常见为氮气等惰性气体的环境下工作，为了得到满足设计要求的成像效果，需要对保护气体的折射率进行精确测量。此外，在大气环境监测、温室气体效应监测中，也需要对大气折射率进行精确测量。
目前常见的气体折射率测量方法可分为两类：间接测量法和直接测量法。其中，间接测量法是在由Edlen于1966年推导得出的经验公式基础上发展而来的，它通过测量环境的温度、湿度、压力和CO2含量计算得到空气折射率，该方法的最大问题在于它只适用于空气折射率的测量，对于其他气体则完全不适用。直接测量法是根据折射率的定义对其进行直接测量。根据实现方法不同，又可细分为表面等离子波测量法、瑞利干涉仪法、抽/充气干涉测量法、梯形真空腔法、多波长干涉测量法和双真空室干涉测量法。这些测量方法各有特点，同时也各自存在不足：要么测量准确度有限，要么测量时间过长，要么仪器加工困难，要么测量范围受限的缺陷。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于光频梳的气体折射率测量仪及其测量方法，通过光频梳对应的激光脉冲信号光路的分光和反射方向上设置的平板分光镜、真空管、角锥反射棱镜、分光棱镜以及平面反射镜，另外还带有在对应光路上设置和计算机处理系统相连接的光谱分析仪和光电探测器，经由计算机处理系统的待测气体折射率估算模块估算出待测气体折射率，这样具有设备简单、测量准确度高、测量范围大、测量速度快以及可测量多种气体的优点，并由此可对环境气体的折射率进行精确、实时监控，从而有望在光学精密测长、光学设计和大气监测中获得应用。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于光频梳的气体折射率测量仪，包括光频梳1，在光频梳1的发射端光路上设置有其镜面与该发射端光路相倾斜的平板分光镜2，在平板分光镜2的针对光频梳1的发射光的分光光路上依次设置有其端部同该分光光路相垂直的真空管3以及底部同该分光光路相垂直的角锥反射棱镜4，在平板分光镜2的针对光频梳1的发射光的另一条分光光路的逆时针垂直方向上依次设置有其一表面同该逆时针垂直方向相垂直的分光棱镜5和其镜面同该逆时针垂直方向相倾斜的平面反射镜6，且所述的另一条分光光路的分光针对分光棱镜5的反射光路和平面反射镜6的反射光路上分别设置有光谱分析仪8和光电探测器7，该光谱分析仪8和光电探测器7同计算机处理系统9相连接，所述的计算机处理系统9含有待测气体折射率估算模块。
所述的光频梳1是能稳定输出周期性超短光脉冲序列的光源且其光脉冲宽度为飞秒量级。
所述的平板分光镜2的上表面反射率为50％和下表面反射率为100％。
所述的真空管3为中空的圆柱形玻璃管，以及分别固定在所述玻璃管两个端面上的圆形玻璃板。
所述的角锥反射棱镜4能将入射光沿与入射方向平行的方向反射出去。
所述的分光棱镜5能将入射光能量平均分成两部分，一部分沿原光路出射，另一部分沿与入射光路垂直的方向反射。
所述的平面反射镜6能将入射光沿与入射方向垂直的方向反射出去。
所述的光电探测器7能用于探测飞秒脉冲的时域信号。
所述的光谱分析仪8能对飞秒脉冲信号进行频谱探测与分析。
所述的基于光频梳的气体折射率测量仪的测量方法是：由光频梳1发出的激光脉冲信号被平板分光镜2上表面和下表面均匀分成两束，其中在平板分光镜2上表面分光的光束经过真空管3的外侧上部传播，被角锥反射棱镜4反射后沿真空管3的的外侧下部传播；在平板分光镜2下表面分光的光束经真空管3的内侧上部传播，被角锥反射棱镜4反射后沿真空管3的内侧下部传播，这样分别沿真空管3外侧和内侧传播的光束在平板分光镜2表面重合后被反射至分光棱镜5，再经分光棱镜5分束后被光谱分析仪8和光电探测器7接收，光谱分析仪和光电探测器7分别将探测到的脉冲信号和脉冲信号的频谱探测与分析结果发送到计算机处理系统9中，并通过其待测气体折射率估算模块估算出待测气体折射率。
所述的待测气体折射率估算模块通过时域分析方法，即为根据公式τ0＝2lT(n-1)/c估算出待测气体折射率，其中τ0为分别经过真空管3的外侧和内侧激光脉冲信号后的时间延迟，lT为真空管3长度，c为真空中的光速，n为环境气体的折射率。
所述的待测气体折射率估算模块通过频域分析方法，即为根据公式
和
估算出待测气体折射率，其中
和
分别为经过真空管3外侧和内侧的光束，
为合成光，Φ(λ)为两束光产生的相位差，lT为真空管3长度，m为整数，λ为激光的真空波长，n为环境气体的折射率。
通过光频梳1对应的激光脉冲信号光路的分光和反射方向上设置的平板分光镜2、真空管3、角锥反射棱镜4、分光棱镜5以及平面反射镜6，另外还带有在对应光路上设置和计算机处理系统9相连接的光谱分析仪8和光电探测器7，经由计算机处理系统9的待测气体折射率估算模块估算出待测气体折射率，这样具有设备简单、测量准确度高、测量范围大、测量速度快以及可测量多种气体的优点，并由此可对环境气体的折射率进行精确、实时监控，从而有望在光学精密测长、光学设计和大气监测中获得应用。
附图说明
附图是本发明的工作原理结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更详细的说明。
如附图所示，基于光频梳的气体折射率测量仪，包括光频梳1，在光频梳1的发射端光路上设置有其镜面与该发射端光路相倾斜的平板分光镜2，在平板分光镜2的针对光频梳1的发射光的分光光路上依次设置有其端部同该分光光路相垂直的真空管3以及底部同该分光光路相垂直的角锥反射棱镜4，在平板分光镜2的针对光频梳1的发射光的另一条分光光路的逆时针垂直方向上依次设置有其一表面同该逆时针垂直方向相垂直的分光棱镜5和其镜面同该逆时针垂直方向相倾斜的平面反射镜6，且所述的另一条分光光路的分光针对分光棱镜5的反射光路和平面反射镜6的反射光路上分别设置有光谱分析仪8和光电探测器7，该光谱分析仪8和光电探测器7同计算机处理系统9相连接，所述的计算机处理系统9含有待测气体折射率估算模块。所述的光频梳1能稳定输出周期性超短光脉冲序列的光源且其光脉冲宽度为飞秒量级。所述的平板分光镜2的上表面反射率为50％和下表面反射率为100％。所述的真空管3为中空的圆柱形玻璃管，以及分别固定在所述玻璃管两个端面上的圆形玻璃板。所述的角锥反射棱镜4能将入射光沿与入射方向平行的方向反射出去。所述的分光棱镜5能将入射光能量平均分成两部分，一部分沿原光路出射，另一部分沿与入射光路垂直的方向反射。所述的平面反射镜6能将入射光沿与入射方向垂直的方向反射出去。所述的光电探测器7能用于探测飞秒脉冲的时域信号。所述的光谱分析仪8能对飞秒脉冲信号进行频谱探测与分析。
实施例1：
本发明的该实施例的基于光频梳的气体折射率测量仪的测量方法是：由光频梳1发出的激光脉冲信号被平板分光镜2上表面和下表面均匀分成两束，其中在平板分光镜2上表面分光的光束经过真空管3的外侧上部传播，被角锥反射棱镜4反射后沿真空管3的的外侧下部传播；在平板分光镜2下表面分光的光束经真空管3的内侧上部传播，被角锥反射棱镜4反射后沿真空管3的内侧下部传播，这样分别沿真空管3外侧和内侧传播的光束在平板分光镜2表面重合后被反射至分光棱镜5，再经分光棱镜5分束后被光谱分析仪8和光电探测器7接收，光谱分析仪和光电探测器7分别将探测到的脉冲信号和脉冲信号的频谱探测与分析结果发送到计算机处理系统9中，并通过其待测气体折射率估算模块估算出待测气体折射率。所述的待测气体折射率估算模块通过时域分析方法，即为根据公式τ0＝2lT(n-1)/c估算出待测气体折射率，其中τ0为分别经过真空管3的外侧和内侧激光脉冲信号后的时间延迟，lT为真空管3长度，c为真空中的光速，n为环境气体的折射率。
实施例2：
本发明的该实施例的基于光频梳的气体折射率测量仪的测量方法是：由光频梳1发出的激光脉冲信号被平板分光镜2上表面和下表面均匀分成两束，其中在平板分光镜2上表面分光的光束经过真空管3的外侧上部传播，被角锥反射棱镜4反射后沿真空管3的的外侧下部传播；在平板分光镜2下表面分光的光束经真空管3的内侧上部传播，被角锥反射棱镜4反射后沿真空管3的内侧下部传播，这样分别沿真空管3外侧和内侧传播的光束在平板分光镜2表面重合后被反射至分光棱镜5，再经分光棱镜5分束后被光谱分析仪8和光电探测器7接收，光谱分析仪和光电探测器7分别将探测到的脉冲信号和脉冲信号的频谱探测与分析结果发送到计算机处理系统9中，并通过其待测气体折射率估算模块估算出待测气体折射率。所述的待测气体折射率估算模块通过频域分析方法，即为根据公式
和
估算出待测气体折射率，其中
和
分别为经过真空管3外侧和内侧的光束，
为合成光，Φ(λ)为两束光产生的相位差，lT为真空管3长度，m为整数，λ为激光的真空波长，n为环境气体的折射率。
通过光频梳1对应的激光脉冲信号光路的分光和反射方向上设置的平板分光镜2、真空管3、角锥反射棱镜4、分光棱镜5以及平面反射镜6，另外还带有在对应光路上设置和计算机处理系统9相连接的光谱分析仪8和光电探测器7，经由计算机处理系统9的待测气体折射率估算模块估算出待测气体折射率，这样具有设备简单、测量准确度高、测量范围大、测量速度快以及可测量多种气体的优点，并由此可对环境气体的折射率进行精确、实时监控，从而有望在光学精密测长、光学设计和大气监测中获得应用。
Claims (12)
1.一种基于光频梳的气体折射率测量仪，包括光频梳(1)，其特征在于：在光频梳(1)的发射端光路上设置有其镜面与该发射端光路相倾斜的平板分光镜(2)，在平板分光镜(2)的针对光频梳(1)的发射光的分光光路上依次设置有其端部同该分光光路相垂直的真空管(3)以及底部同该分光光路相垂直的角锥反射棱镜(4)，在平板分光镜(2)的针对光频梳(1)的发射光的另一条分光光路的逆时针垂直方向上依次设置有其一表面同该逆时针垂直方向相垂直的分光棱镜(5)和其镜面同该逆时针垂直方向相倾斜的平面反射镜(6)，且所述的另一条分光光路的分光针对分光棱镜(5)的反射光路和平面反射镜(6)的反射光路上分别设置有光谱分析仪(8)和光电探测器(7)，该光谱分析仪(8)和光电探测器(7)同计算机处理系统(9)相连接，所述的计算机处理系统(9)含有待测气体折射率估算模块，由光频梳(1)发出的激光脉冲信号被平板分光镜(2)上表面和下表面均匀分成两束，其中在平板分光镜(2)上表面分光的光束经过真空管(3)的外侧上部传播，被角锥反射棱镜(4)反射后沿真空管(3)的外侧下部传播；在平板分光镜(2)下表面分光的光束经真空管(3)的内侧上部传播，被角锥反射棱镜(4)反射后沿真空管(3)的内侧下部传播。
2.根据权利要求1所述的基于光频梳的气体折射率测量仪，其特征在于：所述的光频梳(1)是能稳定输出周期性超短光脉冲序列的光源且其光脉冲宽度为飞秒量级。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光频梳的气体折射率测量仪，其特征在于：所述的平板分光镜(2)的上表面反射率为50％和下表面反射率为100％。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光频梳的气体折射率测量仪， 其特征在于：所述的真空管(3)为中空的圆柱形玻璃管，以及分别固定在所述玻璃管两个端面上的圆形玻璃板。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光频梳的气体折射率测量仪，其特征在于：所述的角锥反射棱镜(4)能将入射光沿与入射方向平行的方向反射出去。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光频梳的气体折射率测量仪，其特征在于：所述的分光棱镜(5)能将入射光能量平均分成两部分，一部分沿原光路出射，另一部分沿与入射光路垂直的方向反射。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光频梳的气体折射率测量仪，其特征在于：所述的平面反射镜(6)能将入射光沿与入射方向垂直的方向反射出去。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光频梳的气体折射率测量仪，其特征在于：所述的光电探测器(7)能用于探测飞秒脉冲的时域信号。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光频梳的气体折射率测量仪，其特征在于：所述的光谱分析仪(8)能对飞秒脉冲信号进行频谱探测与分析。
10.根据权利要求1所述的基于光频梳的气体折射率测量仪的测量方法，其特征在于：由光频梳(1)发出的激光脉冲信号被平板分光镜(2)上表面和下表面均匀分成两束，其中在平板分光镜(2)上表面分光的光束经过真空管(3)的外侧上部传播，被角锥反射棱镜(4)反射后沿真空管(3)的外侧下部传播；在平板分光镜(2)下表面分光的光束经真空管(3)的内侧上部传播，被角锥反射棱镜(4)反射后沿真空管(3)的内侧下部传播，这样分别沿真空管(3)外侧和内侧传播的光束在平板分光镜(2)表面重合后被反射至分光棱镜(5)，再经分光棱镜(5)分束后被光谱分析仪(8)和光电探测器(7)接收， 光谱分析仪和光电探测器(7)分别将探测到的脉冲信号和脉冲信号的频谱探测与分析结果发送到计算机处理系统(9)中，并通过其待测气体折射率估算模块估算出待测气体折射率。
11.根据权利要求10所述的基于光频梳的气体折射率测量仪的测量方法，其特征在于：所述的待测气体折射率估算模块通过时域分析方法，即为根据公式τ0＝2lT(n-1)/c估算出待测气体折射率，其中τ0为分别经过真空管(3)的外侧和内侧激光脉冲信号后的时间延迟，lT为真空管(3)长度，c为真空中的光速，n为待测气体的折射率。
12.根据权利要求10所述的基于光频梳的气体折射率测量仪的测量方法，其特征在于：所述的待测气体折射率估算模块通过频域分析方法，即为根据公式 和 
估算出待测气体折射率，其中 
和 
分别为经过真空管(3)外侧和内侧的光束， 
为合成光，Φ(λ)为两束光产生的相位差，lT为真空管(3)长度，m为整数，λ为激光的真空波长，n为待测气体的折射率。
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