CN102346140B - 一种空气折射率测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种空气折射率测量系统及其测量方法，主要基于光频梳和F-P腔技术。从光频梳发出两个相邻的飞秒脉冲，调整光频梳的重复频率，可使走过不同光程的两脉冲产生相干叠加；通过精确控制F-P腔的腔长变化，可以得到在不同位置处的光频梳重复频率的变化量，从而计算当前的空气折射率，具有系统简单，使用方便的优点，另外，系统对外界震动、温度和气流等环境因素的变化有较强的抗干扰能力。

Description

一种空气折射率测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，具体涉及一种空气折射率测量系统及其测量方法。

背景技术

空气折射率是干涉测量、光学设计领域重要的参数。在非真空环境中进行高精度的激光干涉测量以及光学设计时，必须要考虑空气折射率的影响。

传统的折射率测量方法包括Edlen公式法、真空腔干涉测量法。1965年，Edlen利用大量实验结果得出经验公式，即Edlen公式——空气折射率与气压、温度、湿度和二氧化碳含量有关。由于大气条件不断变化，即使后来人们多次修正Edlen公式也很难保证较高的测量精度，而且这种方法测量精度依赖于气压、温度、湿度以及二氧化碳浓度的测量。真空腔干涉测量法使用较为广泛，其基本原理是设置真空光路作为参考光路，空气光路为测量光路，获得包含有空气折射率信息的干涉信号。通过对信号的分析处理，可获得空气折射率。但是这种方法由于引入真空腔导致测量装置结构复杂、体积大且操作复杂。

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测量系统及其测量方法，实现了系统简单，使用方便的优点，另外对外界震动和温度气流等环境因素的变化有较强的抗干扰能力。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种空气折射率测量系统，包括光频梳3，光频梳3的出射光路上设置有反射镜4，反射镜4的反射镜面面对着光频梳3的出射光路，在反射镜4的出射光路上依次设置有第一分束镜5和第二分束镜8，第一分束镜5和第二分束镜8的分束镜面面对着反射镜4的出射光路，第一分束镜5的一路分束光方向同反射镜4的出射光路方向一致而第一分束镜5的另一路分束光方向同反射镜4的出射光路方向相垂直，所述的第一分束镜5的另一路分束光方向上设置有第一光电探测器6，第一光电探测器6的光电探测头面对该第一分束镜5的另一路分束光方向，第一光电探测器6同计数器7相通信连接，而计数器7同计算机14相通信连接，计算机14还接入有第二光电探测器11，第二光电探测器11的光电探测头面对第二分束镜8的同反射镜4的出射光路方向相垂直的一路分束光方向的逆方向，而该第二分束镜8的同反射镜4的出射光路方向相垂直的一路分束光方向上依次平行相对设置有能透射光的第一平行平板9和第二平行平板10，第一平行平板9和第二平行平板10组成F-P腔，第一平行平板9和第二平行平板10的法线方向同第二分束镜8的同反射镜4的出射光路方向相垂直的一路分束光方向相一致，第一平行平板9和第二平行平板10相对的表面上镀有高反膜，第二平行平板10的外表面上设置有同驱动电源13相电连接且能推动第二平行平板10沿第二平行平板10的法线方向做一维运动的压电陶瓷12。

所述的空气折射率测量系统的测量方法，首先光频梳3发出重复频率为f_p的飞秒脉冲激光，则依次相邻的第一飞秒脉冲1和第二飞秒脉冲2的时间间隔为1/f_p，第一飞秒脉冲1经过第一分束镜5分光，第一飞秒脉冲1经由所述的第一分束镜5的另一路分束光进入第一光电探测器6，同时将获取的光信号转换成电信号并发送到计数器7进行计数，第一飞秒脉冲1经由第一分束镜5的同反射镜4的出射光路方向一致的一路分束光入射第二分束镜8，经由第二分束镜8分光后，第二分束镜8的同反射镜4的出射光路方向相垂直的一路分束光透射第一平行平板9和第二平行平板10组成的F-P腔，经过两次往返后从第一平行平板9透射到达第二分束镜8，而第二飞秒脉冲2经过第一分束镜5分光，第二飞秒脉冲2经由所述的第一分束镜5的另一路分束光进入第一光电探测器6，同时第一光电探测器6将获取的光信号转换成电信号并发送到计数器7进行计数，第二飞秒脉冲2经由第一分束镜5的同反射镜4的出射光路方向一致的一路分束光入射第二分束镜8，经由第二分束镜8分光后，第二飞秒脉冲2经由第二分束镜8的同反射镜4的出射光路方向相垂直的一路分束光被第一平行平板9的内表面反射到达第二分束镜8，这样第一飞秒脉冲1和第二飞秒脉冲2在第二分束镜8内叠加相干后透射至第二光电探测器11接收，计算机14接收到从计数器7发送来的计数信号、第二光电探测器11的电信号，此时调整光频梳3的重复频率，直到使得第一飞秒脉冲1和第二飞秒脉冲2在第二分束镜8内完全叠加相干，这时第一平行平板9和第二平行平板10之间的距离为L而光频梳的重复频率为f_p1，启动驱动电源13驱动压电陶瓷12，压电陶瓷12推动第二平行平板10沿第二平行平板10的法线方向做一维运动移动距离ΔL，使得第一平行平板9和第二平行平板10之间的距离为L+ΔL，此时继续调整光频梳3的重复频率，直到使得第一飞秒脉冲1和第二飞秒脉冲2在第二分束镜8内完全叠加相干，此时光频梳的重复频率为f_p2，然后计算机14利用

公式来实现对空气折射率n_g的计算，其中c表示光在真空中的速度。

本发明与传统的真空腔干涉法相比，因为本系统中没有真空腔，所以系统简单，使用方便；使用准共路系统，对外界震动和温度气流等环境因素的变化有较强的抗干扰能力。

附图说明

附图是本发明的工作原理结构示意图，第一平行平板和第二平行平板之上的虚线部分上的波折箭头表示第一飞秒脉冲和第二飞秒脉冲的光路。

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，空气折射率测量系统，包括光频梳3，光频梳3的出射光路上设置有反射镜4，反射镜4的反射镜面面对着光频梳3的出射光路，在反射镜4的出射光路上依次设置有第一分束镜5和第二分束镜8，第一分束镜5和第二分束镜8的分束镜面面对着反射镜4的出射光路，第一分束镜5的一路分束光方向同反射镜4的出射光路方向一致而第一分束镜5的另一路分束光方向同反射镜4的出射光路方向相垂直，所述的第一分束镜5的另一路分束光方向上设置有第一光电探测器6，第一光电探测器6的光电探测头面对该第一分束镜5的另一路分束光方向，第一光电探测器6同计数器7相通信连接，而计数器7同计算机14相通信连接，计算机14还接入有第二光电探测器11，第二光电探测器11的光电探测头面对第二分束镜8的同反射镜4的出射光路方向相垂直的一路分束光方向的逆方向，而该第二分束镜8的同反射镜4的出射光路方向相垂直的一路分束光方向上依次平行相对设置有能透射光的第一平行平板9和第二平行平板10，第一平行平板9和第二平行平板10组成F-P腔，第一平行平板9和第二平行平板10的法线方向同第二分束镜8的同反射镜4的出射光路方向相垂直的一路分束光方向相一致，第一平行平板9和第二平行平板10相对的表面上镀有高反膜，第二平行平板10的外表面上设置有同驱动电源13相电连接且能推动第二平行平板10沿第二平行平板10的法线方向做一维运动的压电陶瓷12。

所述的空气折射率测量系统的测量方法，首先光频梳3发出重复频率为f_p的飞秒脉冲激光，则依次相邻的第一飞秒脉冲1和第二飞秒脉冲2的时间间隔为1/f_p，第一飞秒脉冲1经过第一分束镜5分光，第一飞秒脉冲1经由所述的第一分束镜5的另一路分束光进入第一光电探测器6，同时将获取的光信号转换成电信号发送到计数器7进行计数，第一飞秒脉冲1经由第一分束镜5的同反射镜4的出射光路方向一致的一路分束光入射第二分束镜8，经由第二分束镜8分光后，第二分束镜8的同反射镜4的出射光路方向相垂直的一路分束光透射第一平行平板9和第二平行平板10组成的F-P腔，经过两次往返后从第一平行平板9透射到达第二分束镜8，而第二飞秒脉冲2经过第一分束镜5分光，第二飞秒脉冲2的所述的第一分束镜5的另一路分束光进入第一光电探测器6，同时第一光电探测器6将获取的光信号转换成电信号并发送到计数器7进行计数，第二飞秒脉冲2经由第一分束镜5的同反射镜4的出射光路方向一致的一路分束光入射第二分束镜8，经由第二分束镜8分光后，第二飞秒脉冲2经由第二分束镜8的同反射镜4的出射光路方向相垂直的一路分束光被第一平行平板9的内表面反射到达第二分束镜8，这样第一飞秒脉冲1和第二飞秒脉冲2在第二分束镜8内叠加相干后透射至第二光电探测器11接收，计算机14接收到从计数器7发送来的计数信号、第二光电探测器11的电信号，此时调整光频梳3的重复频率，直到使得第一飞秒脉冲1和第二飞秒脉冲2在第二分束镜8内完全叠加相干，这时第一平行平板9和第二平行平板10之间的距离为L而光频梳的重复频率为f_p1，启动驱动电源13驱动压电陶瓷12，压电陶瓷12推动第二平行平板10沿第二平行平板10的法线方向做一维运动移动距离ΔL，使得第一平行平板9和第二平行平板10之间的距离为L+ΔL，此时继续调整光频梳3的重复频率，直到使得第一飞秒脉冲1和第二飞秒脉冲2在第二分束镜8内再次完全叠加相干，此时光频梳的重复频率为f_p2，然后计算机14利用

公式来实现对空气折射率n_g的计算，其中c表示光在真空中的速度，经估算，本发明的测量不确定度可达到10^-7量级。

Claims (2)

1.一种空气折射率测量系统，包括光频梳（3），其特征在于：光频梳（3）的出射光路上设置有反射镜（4），反射镜（4）的反射镜面面对着光频梳（3）的出射光路，在反射镜（4）的出射光路上依次设置有第一分束镜（5）和第二分束镜（8），第一分束镜（5）和第二分束镜（8）的分束镜面面对着反射镜（4）的出射光路，第一分束镜（5）的一路分束光方向同反射镜（4）的出射光路方向一致而第一分束镜（5）的另一路分束光方向同反射镜（4）的出射光路方向相垂直，所述的第一分束镜（5）的另一路分束光方向上设置有第一光电探测器（6），第一光电探测器（6）的光电探测头面对该第一分束镜（5）的另一路分束光方向，第一光电探测器（6）同计数器（7）相通信连接，而计数器（7）同计算机（14）相通信连接，计算机（14）还接入有第二光电探测器（11），第二光电探测器（11）的光电探测头面对第二分束镜（8）的同反射镜（4）的出射光路方向相垂直的一路分束光方向的逆方向，而该第二分束镜（8）的同反射镜（4）的出射光路方向相垂直的一路分束光方向上依次平行相对设置有能透射光的第一平行平板（9）和第二平行平板（10），第一平行平板（9）和第二平行平板（10）组成F-P腔，第一平行平板（9）和第二平行平板（10）的法线方向同第二分束镜（8）的同反射镜（4）的出射光路方向相垂直的一路分束光方向相一致，第一平行平板（9）和第二平行平板（10）相对的表面上镀有高反膜，第二平行平板（10）的外表面上设置有同驱动电源（13）相电连接且能推动第二平行平板（10）沿第二平行平板（10）的法线方向做一维运动的压电陶瓷（12）。

2.基于权利要求1所述的空气折射率测量系统的测量方法，其特征在于：首先光频梳（3）发出重复频率为f_p的飞秒脉冲激光，则依次相邻的第一飞秒脉冲（1）和第二飞秒脉冲（2）的时间间隔为1/f_p，第一飞秒脉冲（1）经过第一分束镜（5）分光，第一飞秒脉冲（1）经由所述的第一分束镜（5）的另一路分束光进入第一光电探测器（6），第一光电探测器（6）将光信号转换成电信号，同时将获取的电信号发送到计数器（7）进行计数，第一飞秒脉冲（1）经由第一分束镜（5）的同反射镜（4）的出射光路方向一致的一路分束光入射第二分束镜（8），经由第二分束镜（8）分光后，第二分束镜（8）的同反射镜（4）的出射光路方向相垂直的一路分束光透射第一平行平板（9）和第二平行平板（10）组成的F-P腔，经过两次往返后从第一平行平板（9）透射到达第二分束镜（8），而第二飞秒脉冲（2）经过第一分束镜（5）分光，第二飞秒脉冲（2）经由所述的第一分束镜（5）的另一路分束光进入第一光电探测器（6），第一光电探测器（6）将光信号转换成电信号，同时将电信号发送到计数器（7）进行计数，第二飞秒脉冲（2）经由第一分束镜（5）的同反射镜（4）的出射光路方向一致的一路分束光入射第二分束镜（8），经由第二分束镜（8）分光后，第二飞秒脉冲（2）经由第二分束镜（8）的同反射镜（4）的出射光路方向相垂直的一路分束光被第一平行平板（9）的内表面反射到达第二分束镜（8），这样第一飞秒脉冲（1）和第二飞秒脉冲（2）在第二分束镜（8）内叠加相干后透射至第二光电探测器（11）接收，计算机（14）接收到从计数器（7）发送来的计数信号、第二光电探测器（11）的电信号，此时调整光频梳（3）的重复频率，直到使得第一飞秒脉冲（1）和第二飞秒脉冲（2）在第二分束镜（8）内完全叠加相干，这时第一平行平板（9）和第二平行平板（10）之间的距离为L而光频梳的重复频率为f_p1，启动驱动电源（13）驱动压电陶瓷（12），压电陶瓷（12）推动第二平行平板（10）沿第二平行平板（10）的法线方向做一维运动移动距离ΔL，使得第一平行平板（9）和第二平行平板（10）之间的距离为L+ΔL，此时继续调整光频梳（3）的重复频率，直到使得第一飞秒脉冲（1）和第二飞秒脉冲（2）在第二分束镜（8）内再次完全叠加相干，此时光频梳的重复频率为f_p2  ，然后计算机（14）利用

公式来实现对空气折射率n_g的计算，其中c表示光在真空中的速度。

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