CN102221535A - 三真空管气体折射率测量仪 - Google Patents

Abstract

三真空管气体折射率测量仪属气体折射率精密测量技术领域，其特征在于以正交偏振双频激光器为光源，依次设置在该光源发射端光路上的平板分光镜、圆形玻璃板及贴在其中心的1/4波片、气体池及放置在其中的三支不同长度的真空管、一维位移台、角锥反射棱镜、偏振分光棱镜和平面反射镜，分别设置在上述分光棱镜和平面反射镜光路上的两个光电探测器，用于对上述两个光电探测器进行信号放大、采集、相位比较的信号处理单元，及用于系统控制与数据处理的计算机控制系统。利用该装置可对多种气体的折射率进行精确测量。

Description

三真空管气体折射率测量仪

技术领域

本发明属于气体折射率测量技术领域，特别适用于在光学精密测长、光学设计等技术领域中监测环境气体折射率。

背景技术

气体折射率是光学精密干涉测量、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，且变化范围在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(例如氮气等惰性气体)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，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等。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，要么测量范围受限等。例如，清华大学殷纯永等人发明的双真空室双频测相空气折射率干涉仪(CN1095542C)，该仪器使用两根真空管，这就大大限制了仪器的测量范围，使得测量范围有限，只能测量3×10^-5范围内的空气折射率变化(例如，1.00024～1.00030)不适用于环境条件变化较为剧烈的场合，且仅适用于空气折射率的测量，不能测量除空气以外的其他气体。

发明内容

本发明提出的三真空管气体折射率测量仪，有效弥补了上述方法的不足，它的主要特点为：气体折射率的测量范围大、可测多种气体、测量速度快，测量准确度高等。

本发明提出了一种基于三真空管的气体折射率测量仪，该测量仪测量范围更大，可达4×10^-4，可满足不同场合下气体折射率的测量；另外，本发明不但可用于测量空气折射率，更可用于测量其他气体(如氮气，二氧化碳等)的折射率。另外，本发明还具有测量速度快、测量准确度高的优点。

本发明的目的在于提出一种新型的气体折射率测量方法和装置，有效解决现有方法的不足，该发明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。

根据本发明的一个方面，提供了一种气体折射率测量仪，其特征在于包括：

平板分光镜，用于把来自一个正交偏振双频激光光源的光分成正交偏振的第一光束和第二光束，

气体池，用于容纳待测气体，

并行设置在所述气体池中的第一真空管、第二真空管、第三真空管，

角锥棱镜，用于反射所述第一光束和第二光束，其中所述第二光束比所述第一光速更靠近所述角锥棱镜的轴线。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的三真空管气体折射率测量仪的系统图。

图2是根据本发明的一个实施例的圆形玻璃板(31)和1/4波片的左视图。

图3是根据本发明的一个实施例的等效合成波长链构造过程示意图。

图4是根据本发明的一个实施例的利用等效合成波长链进行折射率测量的原理图。

图5是根据本发明的一个实施例的气体折射率测量的流程图。

具体实施方式

本发明的原理如图1所示。图1中箭头和圆环分别表示由激光器(1)发出的一束偏振方向平行和垂直于纸面的两个正交偏振光，它们的频率分别为f₁、f₂，经平板分光镜(2)分为两束，分别为第一光束(101)和第二光束(102)，其中，第一光束(101)透过圆形玻璃板(31)和气体池(4)的观察窗(41)后沿第一真空管(5)的外部传播并经观察窗(42)出射，，第二光束(102)透过粘贴在所述圆形玻璃板(31)中心位置处的1/4波片(32)(圆形玻璃板(31)和1/4波片的侧视图如图2所示)和气体池(4)的第一观察窗(41)后沿第一真空管(5)的内部传播，并经第二观察窗(42)透射。第一光束和第二光束经角锥棱镜(9)反射后，再次透过第二观察窗(42)并通过第一真空管(5)的外部和内部，经第一观察窗(41)透射后，在平板分光镜(2)处合光成第三光束(103)，产生干涉。通过第一真空管(5)内部的第二光束(102)两次通过圆形玻璃板(3)上的1/4波片(32)，偏振方向将旋转90°，通过第一真空管(5)外部的第一光束(101)不经过1/4波片，因而偏振方向不发生改变。因此在平板分光镜(2)处通过第一真空管(5)内外的不同频率的第一光束(101)和第二光束(102)将产生干涉并形成第三光束(103)。利用偏振分光棱镜(10)和平板反射镜(11)将第三光束(103)的两个偏振态分开，即得到偏振态垂直于纸面的第四光束(104)和偏振态平行于纸面的第五光束(105)，分别用光电探测器(12)、(13)对第四光束(104)和第五光束(105)进行探测，再经信号处理单元(14)对光电探测器(12)和光电探测器(13)的探测信号进行相位比较后，通过计算即可得到气体池(4)中待测气体的折射率。

探测器(12)、(13)探测到的两路干涉信号可表示为

式中I₀₁、I₀₂为干涉信号强度，

为第一光束(101)和第二光束(102)的初始相位，

为第一真空管(5)内外光束的光程差引入的干涉信号相位差。探测器(12)探测到的是f₁激光通过第一真空管(5)外、f₂激光通过第一真空管(5)内形成的干涉信号，探测器(13)探测到的是f₂激光通过第一真空管(5)外、f₁激光通过第一真空管(5)内形成的干涉信号。探测器(12)和探测器(13)探测到的信号对应着同一个光程差，因此干涉信号表达式中含有的相位

大小相等但符号相反。假设气体池(4)中待测气体的折射率为n，则相位差与气体折射率之间的关系可表示为

式(2)中L为第一真空管(1)的长度，λ为激光器(1)的工作波长。

如果测得探测器(12)和(13)的相位差且将它表示成干涉信号整数级次N和小数ε的和，则(2)式可变为：

$(n-1)=(N+\mathrm{\ϵ})\·\frac{\mathrm{\λ}}{4L}---\left(3\right)$

定义

则(3)式变为：

(n-1)＝(N+ε)·λ_s    (4)

由(4)式可知，对于固定的激光光源和固定长度的真空管，λ_s是常量，通过测量它的干涉级次的整数和小数部分，即可得到待测气体的折射率。我们称λ_s为“等效合成波长”。

等效合成波长链的构建过程如图3所示。第二真空管(6)和第三真空管(7)仅在长度上与第一真空管(5)有差别，设第一真空管(5)、第二真空管(6)和第三真空管(7)的长度分别为L₁、L₂和L₃，且L₁＞L₂＞L₃。三支真空管平行放置在一维平移台(8)上，通过控制一维平移台(8)的运动可以依次将三支真空管送入第一光束(101)和第二光束(102)的光路中，需要注意的是，每次有且仅有一支真空管在光路中。利用一维位移台(8)依次将第二真空管(6)、第三真空管(7)送入光路中，重复第一真空管(5)在光路中的测量过程，则可得到三个与(4)式类似的等式，等效合成波长分别为λ_s1、λ_s2和λ_s3，我们称之为零级等效合成波长，并用λ_s1 ⁰、λ_s2 ⁰和λ_s3 ⁰重新表示它们(上脚标表示级次，下脚标表示次序)，如式(5)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\λ}}_{S1}}^0=\mathrm{\λ}/4L_1\\ {{\mathrm{\λ}}_{S2}}^0=\mathrm{\λ}/4L_2\\ {{\mathrm{\λ}}_{S3}}^0=\mathrm{\λ}/4L_3\end{array}\right.---\left(5\right)$

将式(5)中三个等式两两相减，可以得到两个类似于(4)式的等式，此时的等效合成波长称为一级等效合成波长，记为λ_s1 ¹、λ_s2 ¹，如式(6)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\λ}}_{S1}}^1=\frac{\mathrm{\λ}}{4(L_1-L_2)}\\ {{\mathrm{\λ}}_{S2}}^1=\frac{\mathrm{\λ}}{4(L_2-L_3)}\end{array}\right.---\left(6\right)$

利用同样的方法(将式(6)中两等式相减)还可得到二级等效合成波长λ_s1 ²，如式(7)所示：

${{\mathrm{\λ}}_{S1}}^2=\frac{\mathrm{\λ}}{4(L_1-2L_2+L_3)}---\left(7\right)$

通过上述处理即可构建一个如图3所示的等效合成波长链。

实际进行气体折射率测量时，与上述合成波长链的构造过程刚好相反，其过程如图4所示(图中int表示对括号内的函数做取整运算)。记三支真空管分别在光路中时测得的相位差分为N_s1 ⁰+ε_s1 ⁰、N_s2 ⁰+ε_s2 ⁰和N_s3 ⁰+ε_s3 ⁰，则根据定义，一级和二级等效合成波长的小数部分分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\ϵ}}_{s1}}^1={{\mathrm{\ϵ}}_{s1}}^0-{{\mathrm{\ϵ}}_{s2}}^0\\ {{\mathrm{\ϵ}}_{s2}}^1={{\mathrm{\ϵ}}_{s2}}^0-{{\mathrm{\ϵ}}_{s3}}^0\\ {{\mathrm{\ϵ}}_{S1}}^2={{\mathrm{\ϵ}}_{s1}}^0-2{{\mathrm{\ϵ}}_{s2}}^0+{{\mathrm{\ϵ}}_{s3}}^0\end{array}\right.---\left(8\right)$

实际中直接相位测量通常只能得到小数部分ε，不能得到整数N。然而，通过上述等效合成波长链的构造过程可知，高级次的等效合成波长要远远大于低级次的等效合成波长。根据(4)式可知，当真空管长度选择恰当时，可构造出合适的高级次等效合成波长(例如λ_s1 ²)，使得N_s1 ²＝0，从而利用直接测得的小数部分即可初步确定折射率n。利用由λ_s1 ²得到的折射率作为初值，结合级间过渡条件(由高级次向低级次传递时保证N的单值性)，可得到更精确的折射率值，当传递到最低级等效合成波长时，即可得到最高准确度的n。

激光光源可采用真空波长为632.991372nm、频差约为2.2MHz的正交偏振He-Ne激光器，三支真空管的设计长度分别为L₁＝165mm、L₂＝158mm和L₃＝151.5mm，实际长度可通过万能工具显微镜测量，长度测量不确定度约为2μm。使用的光电探测器是带宽3MHz的PIN管，相位计的测相准确度优于1°。

测量流程图如图5所示，详细测量过程描述如下：

A)根据待测气体的测量范围，选择三支长度合适的真空管，放置并固定在一维位移台(8)上；

B)在气体池(4)中充入待测气体；

C)利用一维位移台(8)将所述第一真空管(5)送入由第一光束(101)和第二光束(102)组成的光路，利用信号处理单元(14)测量得到相位差的小数部分ε_s1 ⁰；重复上述过程，可得到当第二真空管(6)和第三真空管(7)在光路中时的相位差的小数部分ε_s2 ⁰和ε_s3 ⁰。

D)利用步骤(3)测得的ε_s1 ⁰、ε_s2 ⁰和ε_s3 ⁰，根据公式(8)可计算得到等效合成波长对应的相位差ε_s1 ¹、ε_s2 ¹和ε_S1 ²。

E)利用等效合成波长理论，根据(5)、(6)、(7)式计算得到等效合成波长，利用图(4)即可依次计算得到2级等效合成波长测得的折射率1级等效合成波长测得的折射率

0级等效合成波长测得的折射率

其中

就是待测气体折射率的最终测量结果。

本发明的特点包括：

(1)测量范围大；通过合理选择真空管长度，气体折射率的测量范围可达3×10^-4。

(2)测量对象范围广；通过在气体池中充入不同气体，可对多种气体的折射率进行测量，例如，空气，氮气，二氧化碳等。

(3)测量准确度高；合理选择最长真空管的长度，可使测量仪的相对测量不确定度优于10^-8。

(4)测量速度快；单次测量时间可控制在1分钟之内，适用于在线测量。

Claims (7)

1.气体折射率测量仪，其特征在于包括：

平板分光镜(2)，用于把来自一个正交偏振双频激光光源(1)的光分成正交偏振的第一光束(101)和第二光束(102)，

气体池(4)，用于容纳待测气体，

并行设置在所述气体池(4)中的第一真空管(5)、第二真空管(6)、第三真空管(7)，

角锥棱镜(9)，用于反射所述第一光束(101)和第二光束(102)，其中所述第二光束(102)比所述第一光速(101)更靠近所述角锥棱镜(9)的轴线。

2.根据权利要求1的气体折射率测量仪，其特征在于进一步包括：

平移台(8)，所述第一真空管(5)、第二真空管(6)、第三真空管(7)被并行设置在所述平移台(8)上，从而能够通过所述平移台(8)的移动而把所述第一真空管(5)、第二真空管(6)、第三真空管(7)中选定的一个置于所述第一光束(101)和第二光束(102)的光路中，使得第一光束(101)透过气体池(4)的第一观察窗(41)和第二观察窗(42)后沿第一真空管(5)的外部传播，同时使得第二光束(102)透过气体池(4)的第一观察窗(41)和第二观察窗(42)后沿第一真空管(5)的内部传播。

3.根据权利要求2的气体折射率测量仪，其特征在于进一步包括：

设置在第二光束(102)的光路中的1/4波片(32)，以及设置在第一光束(101)和第二光束(102)光路中的圆形玻璃板(31)，所述1/4波片(32)通过胶合的方式紧贴在圆形玻璃板(31)的中心位置。

4.根据权利要求3的气体折射率测量仪，其特征在于进一步包括：

偏振分光棱镜(10)；

将从所述气体池(4)出射的所述第一光束(101)和第二光束(102)相干形成的出射光第三光束(103)分成两部分，第一部分光(104)沿原光路出射，第二部分光(105)沿与入射光路垂直的方向反射。

5.根据权利要求4的气体折射率测量仪，其特征在于进一步包括：

平面反射镜(11)，用于反射第一部分光(104)。

6.根据权利要求5的气体折射率测量仪，其特征在于进一步包括：

设置在所述第一部分光(104)的光路上的第一光电探测器(12)，

设置在所述第二部分光(105)的光路上的第二光电探测器(13)，

信号处理单元(14)，用于处理第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)所探测的信号。

7.气体折射率测量方法，其特征在于该方法基于如权利要求1-6所述的气体折射率测量仪，并包括：

A)根据待测气体的测量范围，选择三支长度合适的真空管，放置并固定在一维位移台(8)上；

B)在气体池(4)中充入待测气体；

C)利用一维位移台(8)将所述第一真空管(5)送入由第一光束(101)和第二光束(102)组成的光路，利用信号处理单元(14)测量得到相位差的小数部分ε_s1 ⁰；重复上述过程，可得到当第二真空管(6)和第三真空管(7)在光路中时的相位差的小数部分ε_s2 ⁰和ε_s3 ⁰；

D)利用步骤C)测得的ε_s1 ⁰、ε_s2 ⁰和ε_s3 ⁰，根据公式

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\ϵ}}_{s1}}^1={{\mathrm{\ϵ}}_{s1}}^0-{{\mathrm{\ϵ}}_{s2}}^0\\ {{\mathrm{\ϵ}}_{s2}}^1={{\mathrm{\ϵ}}_{s2}}^0-{{\mathrm{\ϵ}}_{s3}}^0\\ {{\mathrm{\ϵ}}_{S1}}^2={{\mathrm{\ϵ}}_{s1}}^0-2{{\mathrm{\ϵ}}_{s2}}^0+{{\mathrm{\ϵ}}_{s3}}^0\end{array}\right.$

计算得到等效合成波长对应的相位差ε_s1 ¹、ε_s2 ¹和ε_S1 ²；

E)根据

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\λ}}_{S1}}^0=\mathrm{\λ}/4L_1\\ {{\mathrm{\λ}}_{S2}}^0=\mathrm{\λ}/4L_2\\ {{\mathrm{\λ}}_{S3}}^0=\mathrm{\λ}/4L_3\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\λ}}_{S1}}^1=\frac{\mathrm{\λ}}{4(L_1-L_2)}\\ {{\mathrm{\λ}}_{S2}}^1=\frac{\mathrm{\λ}}{4(L_2-L_3)}\end{array}\right.---\left(6\right)$

${{\mathrm{\λ}}_{S1}}^2=\frac{\mathrm{\λ}}{4(L_1-2L_2+L_3)}---\left(7\right)$

计算得到等效合成波长，利用关系

依次计算得到2级等效合成波长测得的折射率

1级等效合成波长测得的折射率0级等效合成波长测得的折射率

其中

就是待测气体折射率的最终测量结果。

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