CN102323237A - 一种空气折射率快速高精度绝对测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种空气折射率快速高精度绝对测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

一种空气折射率快速高精度绝对测量装置，测量装置和方法没有抽充气过程，且三支真空管同时测量，测量速度最快可在10秒内完成，该装置的测量范围可达4×10-4，测量不确定度可达10-8，是一种空气折射率的快速、高精度的绝对测量方法和装置，实现了测量准确度高、测量时间短、仪器加工方便以及测量范围大的优点，同时还适用于除了空气外的其他气体的折射率测量。

Description

一种空气折射率快速高精度绝对测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于空气折射率精密测量技术领域，具体涉及一种空气折射率快速高精度绝对测量装置及其测量方法。
背景技术
空气折射率是光学精密干涉测量和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。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。
目前常见的空气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，或者测量范围受限等。
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空气折射率快速高精度绝对测量装置及其测量方法，实现了测量准确度高、测量时间短、仪器加工方便以及测量范围大的优点，同时还适用于除了空气外的其他气体的折射率测量。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种空气折射率快速高精度绝对测量装置，包括正交偏振双频激光器1，在正交偏振双频激光器1的出射光路方向上依次顺序设置有第一分束镜11、第二分束镜21以及第一反射镜31，第一分束镜11和第二分束镜21的第一路分束光的方向同正交偏振双频激光器1的出射光路方向相一致，第一分束镜11和第二分束镜21的第二路分束光的方向同正交偏振双频激光器1的出射光路方向相垂直，第一反射镜31的反射光路方向同正交偏振双频激光器1的出射光路方向相垂直，第一分束镜11的同正交偏振双频激光器1的出射光路方向相垂直的一路分束光的方向上、第二分束镜21的同正交偏振双频激光器1的出射光路方向相垂直的一路分束光的方向以及第一反射镜31的反射光路方向上设置有平板反射镜4，平板反射镜4反射第一分束镜11的第二路分束的反射光路方向上依次设置有第一1/4波片12、第一真空管13以及第一角锥棱镜14，平板反射镜4反射第二分束镜21的第二路分束的反射光路方向上依次设置有第二1/4波片22、第二真空管23以及第二角锥棱镜24，平板反射镜4反射第一反射镜31的反射光的反射光路方向上依次设置有第三1/4波片32、第三真空管33以及第三角锥棱镜34，平板反射镜4反射第一角锥棱镜14的返回光的反射光路上依次设置第二反射镜16和第一偏振分光棱镜15，平板反射镜4反射第二角锥棱镜24的返回光的反射光路上依次设置第三反射镜26和第二偏振分光棱镜25，平板反射镜4反射第三角锥棱镜34的返回光的反射光路上依次设置第四反射镜36和第三偏振分光棱镜35，第二反射镜16的反射光路上设置有第一光电探测器17，第一偏振分光棱镜15发出的垂直于平板反射镜4反射第一角锥棱镜14的返回光的反射光路的分光光路上设置有第二光电探测器18，第三反射镜26的反射光路上设置有第三光电探测器27，第二偏振分光棱镜25发出的垂直于平板反射镜4反射第二角锥棱镜24的返回光的反射光路的分光光路上设置有第四光电探测器28，第四反射镜36的反射光路上设置有第五光电探测器37，第三偏振分光棱镜35发出的垂直于平板反射镜4反射第三角锥棱镜34的返回光的反射光路的分光光路上设置有第六光电探测器38，第一光电探测器17和第二光电探测器18同第一相位计19相通信连接，第三光电探测器27和第四光电探测器28同第二相位计29相通信连接，第五光电探测器37和第六光电探测器38同第三相位计39相通信连接。
所述的第一分束镜11和第二分束镜21的理论反射率为33％。
所述的第一反射镜31、第二反射镜16、第三反射镜26以及第四反射镜35均为平面反射镜，其理论反射率为100％。
所述的平板分光镜4的上下两个表面互相平行，其中上表面理论反射率为50％，下表面理论反射率为100％。
所述的第一真空管13、第二真空管23以及第三真空管33均是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，所述玻璃板的径向面与所述玻璃管端面互相垂直放置并固定，所述两个玻璃板之间互相平行，所述玻璃管的轴向与入射光路平行。
所述的第一角锥棱镜14、第二角锥棱镜24以及第三角锥棱镜34能将入射光沿与入射方向平行的方向反射出去。
所述的第一偏振分光棱镜15、第二偏振分光棱镜25和第三偏振分光棱镜35能将入射偏振光分成两部分，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。
所述的第一相位计19、第二相位计29以及第三相位计39为能准确测量并输出两通道输入信号的相位差双通道电信号处理单元。
所述的空气折射率快速高精度绝对测量装置的测量方法为正交偏振双频激光器1发出的正交双频光束被第一分束镜11、第二分束镜21和第一反射镜31分成能量相等的三束，被第一分束镜11反射的光束依次经平板反射镜4、第一1/4波片12、第一真空管13、第一角锥棱镜14、第一偏振分光棱镜15、第二反射镜16传输，并被第一探测器17和探测器18分别探测得到对应的光电信号，该光电信号传输到第一相位计19分析得到第一相位差为其中为第一真空管13引入的单路相位差；被第二分束镜21反射的光束依次经平板反射镜4、第二1/4波片22、第二真空管23、第二角锥棱镜24、第二偏振分光棱镜25以及第三反射镜26传输，并被第三探测器27和第四探测器28分别探测得到对应的光电信号，该光电信号传输到第二相位计29分析得到第二相位差为
Figure BDA0000069190090000043
其中
Figure BDA0000069190090000044
为第二真空管23引入的单路相位差；被第一反射镜31反射的光束依次经平板反射镜4、第三1/4波片32、第三真空管33、第三角锥棱镜34、第三偏振分光棱镜35以及第四反射镜36传输，并被第五探测器37和第六探测器38分别探测得到对应的光电信号，该光电信号传输到第三相位计39分析得到第三相位差为
Figure BDA0000069190090000045
其中
Figure BDA0000069190090000046
为第三真空管33引入的单路相位差；最后通过下列公式(1)、公式(2)和公式(3)联合求解空气折射率n：
Figure BDA0000069190090000047
Figure BDA0000069190090000048
其中，L1、L2以及L3分别表示是第一真空管13、第二真空管23和第三真空管33的长度，λ是正交偏振双频激光器的波长，m1和ε1分别是测得第一相位差的整数部分和小数部分，m2和ε2分别是测得第二相位差的整数部分和小数部分，m3和ε3分别是测得第三相位差的整数部分和小数部分。
本发明提出的测量装置和方法没有抽充气过程，且三支真空管同时测量，测量速度最快可在10秒内完成，该装置的测量范围可达4×10-4，测量不确定度可达10-8，是一种空气折射率的快速、高精度的绝对测量方法和装置，实现了测量准确度高、测量时间短、仪器加工方便以及测量范围大的优点，同时还适用于除了空气外的其他气体的折射率测量。
附图说明
附图是本发明的工作原理结构示意图，其中的箭头表示光路通行方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更详细的说明。
如附图所示，空气折射率快速高精度绝对测量装置，包括正交偏振双频激光器1，在正交偏振双频激光器1的出射光路方向上依次顺序设置有第一分束镜11、第二分束镜21以及第一反射镜31，第一分束镜11和第二分束镜21的第一路分束光的方向同正交偏振双频激光器1的出射光路方向相一致，第一分束镜11和第二分束镜21的第二路分束光的方向同正交偏振双频激光器1的出射光路方向相垂直，第一反射镜31的反射光路方向同正交偏振双频激光器1的出射光路方向相垂直，第一分束镜11的同正交偏振双频激光器1的出射光路方向相垂直的一路分束光的方向上、第二分束镜21的同正交偏振双频激光器1的出射光路方向相垂直的一路分束光的方向以及第一反射镜31的反射光路方向上设置有平板反射镜4，平板反射镜4反射第一分束镜11的第二路分束的反射光路方向上依次设置有第一1/4波片12、第一真空管13以及第一角锥棱镜14，平板反射镜4反射第二分束镜21的第二路分束的反射光路方向上依次设置有第二1/4波片22、第二真空管23以及第二角锥棱镜24，平板反射镜4反射第一反射镜31的反射光的反射光路方向上依次设置有第三1/4波片32、第三真空管33以及第三角锥棱镜34，平板反射镜4反射第一角锥棱镜14的返回光的反射光路上依次设置第二反射镜16和第一偏振分光棱镜15，平板反射镜4反射第二角锥棱镜24的返回光的反射光路上依次设置第三反射镜26和第二偏振分光棱镜25，平板反射镜4反射第三角锥棱镜34的返回光的反射光路上依次设置第四反射镜36和第三偏振分光棱镜35，第二反射镜16的反射光路上设置有第一光电探测器17，第一偏振分光棱镜15发出的垂直于平板反射镜4反射第一角锥棱镜14的返回光的反射光路的分光光路上设置有第二光电探测器18，第三反射镜26的反射光路上设置有第三光电探测器27，第二偏振分光棱镜25发出的垂直于平板反射镜4反射第二角锥棱镜24的返回光的反射光路的分光光路上设置有第四光电探测器28，第四反射镜36的反射光路上设置有第五光电探测器37，第三偏振分光棱镜35发出的垂直于平板反射镜4反射第三角锥棱镜34的返回光的反射光路的分光光路上设置有第六光电探测器38，第一光电探测器17和第二光电探测器18同第一相位计19相通信连接，第三光电探测器27和第四光电探测器28同第二相位计29相通信连接，第五光电探测器37和第六光电探测器38同第三相位计39相通信连接。所述的第一分束镜11和第二分束镜21的理论反射率为33％。所述的第一反射镜31、第二反射镜16、第三反射镜26以及第四反射镜35均为平面反射镜，其理论反射率为100％。所述的平板分光镜4的上下两个表面互相平行，其中上表面理论反射率为50％，下表面理论反射率为100％。所述的第一真空管13、第二真空管23以及第三真空管33均是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，所述玻璃板的径向面与所述玻璃管端面互相垂直放置并固定，所述两个玻璃板之间互相平行，所述玻璃管的轴向与入射光路平行。所述的第一角锥棱镜14、第二角锥棱镜24以及第三角锥棱镜34能将入射光沿与入射方向平行的方向反射出去。所述的第一偏振分光棱镜15、第二偏振分光棱镜25和第三偏振分光棱镜35能将入射偏振光分成两部分，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。所述的第一相位计19、第二相位计29以及第三相位计39为能准确测量并输出两通道输入信号的相位差双通道电信号处理单元。
所述的空气折射率快速高精度绝对测量装置的测量方法为正交偏振双频激光器1发出的正交双频光束被第一分束镜11、第二分束镜21和第一反射镜31分成能量相等的三束，被第一分束镜11反射的光束依次经平板反射镜4、第一1/4波片12、第一真空管13、第一角锥棱镜14、第一偏振分光棱镜15、第二反射镜16传输，并被第一探测器17和探测器18分别探测得到对应的光电信号，该光电信号传输到第一相位计19分析得到第一相位差为其中
Figure BDA0000069190090000072
为第一真空管13引入的单路相位差；被第二分束镜21反射的光束依次经平板反射镜4、第二1/4波片22、第二真空管23、第二角锥棱镜24、第二偏振分光棱镜25以及第三反射镜26传输，并被第三探测器27和第四探测器28分别探测得到对应的光电信号，该光电信号传输到第二相位计29分析得到第二相位差为
Figure BDA0000069190090000073
其中
Figure BDA0000069190090000074
为第二真空管23引入的单路相位差；被第一反射镜31反射的光束依次经平板反射镜4、第三1/4波片32、第三真空管33、第三角锥棱镜34、第三偏振分光棱镜35以及第四反射镜36传输，并被第五探测器37和第六探测器38分别探测得到对应的光电信号，该光电信号传输到第三相位计39分析得到第三相位差为
Figure BDA0000069190090000081
其中
Figure BDA0000069190090000082
为第三真空管33引入的单路相位差；最后通过下列公式(1)、公式(2)和公式(3)联合求解空气折射率n：
Figure BDA0000069190090000084
其中，L1、L2以及L3分别表示是第一真空管13、第二真空管23和第三真空管33的长度，λ是正交偏振双频激光器的波长，m1和ε1分别是测得第一相位差的整数部分和小数部分，m2和ε2分别是测得第二相位差的整数部分和小数部分，m3和ε3分别是测得第三相位差的整数部分和小数部分。

Claims (9)

1.一种空气折射率快速高精度绝对测量装置，包括正交偏振双频激光器(1)，其特征在于：在正交偏振双频激光器(1)的出射光路方向上依次顺序设置有第一分束镜(11)、第二分束镜(21)以及第一反射镜(31)，第一分束镜(11)和第二分束镜(21)的第一路分束光的方向同正交偏振双频激光器(1)的出射光路方向相一致，第一分束镜(11)和第二分束镜(21)的第二路分束光的方向同正交偏振双频激光器(1)的出射光路方向相垂直，第一反射镜(31)的反射光路方向同正交偏振双频激光器(1)的出射光路方向相垂直，第一分束镜(11)的同正交偏振双频激光器(1)的出射光路方向相垂直的一路分束光的方向上、第二分束镜(21)的同正交偏振双频激光器(1)的出射光路方向相垂直的一路分束光的方向以及第一反射镜(31)的反射光路方向上设置有平板反射镜(4)，平板反射镜(4)反射第一分束镜(11)的第二路分束的反射光路方向上依次设置有第一1/4波片(12)、第一真空管(13)以及第一角锥棱镜(14)，平板反射镜(4)反射第二分束镜(21)的第二路分束的反射光路方向上依次设置有第二1/4波片(22)、第二真空管(23)以及第二角锥棱镜(24)，平板反射镜(4)反射第一反射镜(31)的反射光的反射光路方向上依次设置有第三1/4波片(32)、第三真空管(33)以及第三角锥棱镜(34)，平板反射镜(4)反射第一角锥棱镜(14)的返回光的反射光路上依次设置第二反射镜(16)和第一偏振分光棱镜(15)，平板反射镜(4)反射第二角锥棱镜(24)的返回光的反射光路上依次设置第三反射镜(26)和第二偏振分光棱镜(25)，平板反射镜(4)反射第三角锥棱镜(34)的返回光的反射光路上依次设置第四反射镜(36)和第三偏振分光棱镜(35)，第二反射镜(16)的反射光路上设置有第一光电探测器(17)，第一偏振分光棱镜(15)发出的垂直于平板反射镜(4)反射第一角锥棱镜(14)的返回光的反射光路的分光光路上设置有第二光电探测器(18)，第三反射镜(26)的反射光路上设置有第三光电探测器(27)，第二偏振分光棱镜(25)发出的垂直于平板反射镜(4)反射第二角锥棱镜(24)的返回光的反射光路的分光光路上设置有第四光电探测器(28)，第四反射镜(36)的反射光路上设置有第五光电探测器(37)，第三偏振分光棱镜(35)发出的垂直于平板反射镜(4)反射第三角锥棱镜(34)的返回光的反射光路的分光光路上设置有第六光电探测器(38)，第一光电探测器(17)和第二光电探测器(18)同第一相位计(19)相通信连接，第三光电探测器(27)和第四光电探测器(28)同第二相位计(29)相通信连接，第五光电探测器(37)和第六光电探测器(38)同第三相位计(39)相通信连接。
2.根据权利要求1所述的空气折射率快速高精度绝对测量装置，其特征在于：所述的第一分束镜(11)和第二分束镜(21)的理论反射率为33％。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的空气折射率快速高精度绝对测量装置，其特征在于：所述的第一反射镜(31)、第二反射镜(16)、第三反射镜(26)以及第四反射镜(35)均为平面反射镜，其理论反射率为100％。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的空气折射率快速高精度绝对测量装置，其特征在于：所述的平板分光镜(4)的上下两个表面互相平行，其中上表面理论反射率为50％，下表面理论反射率为100％。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的空气折射率快速高精度绝对测量装置，其特征在于：所述的第一真空管(13)、第二真空管(23)以及第三真空管(33)均是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，所述玻璃板的径向面与所述玻璃管端面互相垂直放置并固定，所述两个玻璃板之间互相平行，所述玻璃管的轴向与入射光路平行。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的空气折射率快速高精度绝对测量装置，其特征在于：所述的第一角锥棱镜(14)、第二角锥棱镜(24)以及第三角锥棱镜(34)能将入射光沿与入射方向平行的方向反射出去。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的空气折射率快速高精度绝对测量装置，其特征在于：所述的第一偏振分光棱镜(15)、第二偏振分光棱镜(25)和第三偏振分光棱镜(35)能将入射偏振光分成两部分，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。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的空气折射率快速高精度绝对测量装置，其特征在于：所述的第一相位计(19)、第二相位计(29)以及第三相位计(39)为能准确测量并输出两通道输入信号的相位差双通道电信号处理单元。
9.根据权利要求1所述的空气折射率快速高精度绝对测量装置的测量方法，其特征为，正交偏振双频激光器(1)发出的正交双频光束被第一分束镜(11)、第二分束镜(21)和第一反射镜(31)分成能量相等的三束，被第一分束镜(11)反射的光束依次经平板反射镜(4)、第一1/4波片(12)、第一真空管(13)、第一角锥棱镜(14)、第一偏振分光棱镜(15)、第二反射镜(16)传输，并被第一探测器(17)和探测器(18)分别探测得到对应的光电信号，该光电信号传输到第一相位计(19)分析得到第一相位差为
Figure FDA0000069190080000031
其中
Figure FDA0000069190080000032
为第一真空管(13)引入的单路相位差；被第二分束镜(21)反射的光束依次经平板反射镜(4)、第二1/4波片(22)、第二真空管(23)、第二角锥棱镜(24)、第二偏振分光棱镜(25)以及第三反射镜(26)传输，并被第三探测器(27)和第四探测器(28)分别探测得到对应的光电信号，该光电信号传输到第二相位计(29)分析得到第二相位差为
Figure FDA0000069190080000033
其中
Figure FDA0000069190080000034
为第二真空管(23)引入的单路相位差；被第一反射镜(31)反射的光束依次经平板反射镜(4)、第三1/4波片(32)、第三真空管(33)、第三角锥棱镜(34)、第三偏振分光棱镜(35)以及第四反射镜(36)传输，并被第五探测器(37)和第六探测器(38)分别探测得到对应的光电信号，该光电信号传输到第三相位计(39)分析得到第三相位差为
Figure FDA0000069190080000041
其中
Figure FDA0000069190080000042
为第三真空管(33)引入的单路相位差；最后通过下列公式(1)、公式(2)和公式(3)联合求解空气折射率n：
Figure FDA0000069190080000043
Figure FDA0000069190080000044
Figure FDA0000069190080000045
其中，L1、L2以及L3分别表示是第一真空管(13)、第二真空管(23)和第三真空管(33)的长度，λ是正交偏振双频激光器的波长，m1和ε1分别是测得第一相位差的整数部分和小数部分，m2和ε2分别是测得第二相位差的整数部分和小数部分，m3和ε3分别是测得第三相位差的整数部分和小数部分。
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