CN103063608A - 基于双频正交线偏振光干涉的空气折射率测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双频正交线偏振光干涉的空气折射率测量方法及装置。双频激光器输出波长为

和

的正交线偏振光，射向由分光镜、参考角锥棱镜和测量角锥棱镜构成的迈克尔逊干涉仪，形成各自的干涉信号，再经分光镜、偏振分光镜分光后，由两个探测器接收。石英真空腔放置在测量光路中与光线传播方向平行，测量前被抽成真空，移动测量角锥棱镜找到两路干涉信号第一次同时过零位置，然后向石英真空腔通入空气直至与外部一致，再次移动测量角锥棱镜检测两路干涉信号的第二次同时过零位置，此时真空腔内折射率变化引起的光程变化量即为角锥棱镜移动的位移，根据真空腔长度

、角锥棱镜移动的位移Δl，求出空气折射率n。本发明测量精度高、应用范围广。

Description

基于双频正交线偏振光干涉的空气折射率测量方法及装置

技术领域

本发明涉及空气折射率测量方法及装置，尤其是涉及一种基于双频正交线偏振光干涉的空气折射率测量方法及装置。

背景技术

空气折射率测量精度是制约各种以激光波长作为长度基准的光学测量方法精度提高的一个重要因素。空气折射率测量方法大体上分为间接测量和直接测量两大类。间接测量法通过测量空气的压力、温度和相对湿度，然后用Edlen公式计算空气折射率。由于Edlen公式是在标准空气情况下得到的，测量环境中的空气成分与标准空气的差异会对测量结果产生误差，虽然通过测量空气中二氧化碳含量，可以对空气折射率进行进一步的修正，但是各种空气参数传感器所带来的测量不确定度，也限制了该方法测量精度一般小于3×10^-8。因此，在一些高精度，大范围的精密测量场合（如测量精度/测量范围<10^-9），必须直接测量空气折射率。

空气折射率的直接测量常用干涉法实现，包括瑞利干涉法、抽气测量法、法－珀干涉法、双波长干涉法和多波长干涉测量法等。干涉法测量空气折射率通常以真空的折射率作为标准，测量光束经过长度为L的真空和空气光路时的光程差所产生的干涉条纹数，即：2L·(n-1)＝(N+ε)·λ₀（其中n为空气折射率，N为干涉条纹的整数部分，ε为干涉条纹小数部分）。基于干涉法测量空气折射率，测量精度取决于干涉条纹的细分系数和真空、空气光路长度L，测量时，在真空腔抽气或者放气过程中，由于腔内气流变化太快且不均匀，会引起干涉条纹抖动现象，导致测量精度受限，因此，目前大多数基于干涉法的空气折射率测量精度仅能达到10^-8。

发明内容

为了满足以激光波长作为长度基准的光学精密测量技术领域中对高精度空气折射率测量的需要，本发明的目的在于提供一种基于双频正交线偏振光干涉的空气折射率测量方法及装置，将真空腔内折射率变化引起的光程变化量的测量转化为对测量角锥棱镜移动位移的测量，避免了对干涉条纹的直接计数，从而可精确测得所对应的空气折射率变化量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于双频正交线偏振光干涉的空气折射率测量方法：

双频激光器输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光，射向由分光镜、固定的参考角锥棱镜和可移动的测量角锥棱镜构成的迈克尔逊干涉仪，分别形成各自的干涉信号，再经分光镜、偏振分光镜分光后分别由两个探测器接收，在该干涉仪的测量光路中放置一个与光线传播方向平行的长度为L的石英真空腔；开始测量空气折射率之前，石英真空腔被抽成真空，移动测量角锥棱镜使波长λ₁和λ₂的干涉信号相位差为0，然后将空气通入石英真空腔，直至该腔内部空气与外部空气一致，接着再次移动测量角锥棱镜使波长λ₁和λ₂干涉信号的相位差再次为0，则石英真空腔中折射率变化引起的测量光路光程差的变化量即为测量角锥棱镜的移动位移，最后根据石英真空腔长度L、测量角锥棱镜的移动位移Δl与空气折射率n的关系，得到空气折射率为：

$n-1=\frac{\mathrm{\&Delta;l}}{L}.$

二、一种基于双频正交线偏振光干涉的空气折射率测量装置：

包括双频激光器，分光镜，参考角锥棱镜，石英真空腔，测量角锥棱镜，偏振分光镜，第一探测器和第二探测器；双频激光器输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光射向由分光镜、参考角锥棱镜和测量角锥棱镜组成的迈克尔逊干涉仪，形成各自的干涉信号，再经分光镜、偏振分光镜分光后，分别至第一探测器和第二探测器，在分光镜和测量角锥棱镜之间的测量光路中还置有石英真空腔。

本发明具有的有益效果是：

本发明是将空气折射率变化引起的光程变化量的检测转换成易于检测的角锥棱镜移动位移（毫米或微米级）的测量，能实现对空气折射率的高精度测量，而不是通过对干涉条纹直接计数的方法来测量空气折射率，而且本发明的光路结构简单，使用方便，测量精度可以达到10^-9以上，可广泛应用于长度、角度、直线度和绝对距离等光学精密测量技术领域。

附图说明

图1是基于双频正交线偏振光干涉的空气折射率测量原理图。

图中：1、双频激光器，2、分光镜，3、参考角锥棱镜，4、石英真空腔，5、测量角锥棱镜，6、偏振分光镜，7、第一探测器，8、第二探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括双频激光器1，分光镜2，参考角锥棱镜3，石英真空腔4，测量角锥棱镜5，偏振分光镜6，第一探测器7和第二探测器8；双频激光器1输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光射向由分光镜2、参考角锥棱镜3和测量角锥棱镜5组成的迈克尔逊干涉仪，形成各自的干涉信号，再经分光镜2、偏振分光镜6分光后，分别至第一探测器7和第二探测器8，在分光镜2和测量角锥棱镜5之间的测量光路中还置有石英真空腔4。

在图1所示装置中，石英真空腔内空气折射率从1变化到n时，引起测量光路的光程变化，该光程差变化量可通过移动测量角锥棱镜来补偿，因此，只要测得该补偿位移即可算出空气折射率，从而实现对空气折射率变化的高精度、高分辨率的精确测量。

空气折射率测量的具体实施是：

测量开始前，石英真空腔4被抽成为真空，移动测量角锥棱镜5，使波长λ₁和λ₂干涉信号相位差然后缓慢地将空气通入石英真空腔4，直至该腔内部空气与外部空气一致，在此过程中，石英真空腔4内空气折射率逐渐由1变为外部空气折射率n，腔内折射率变化将会导致测量光路的光程增加，从而使得波长λ₁和λ₂的干涉条纹信号相位差发生变化，然后再次移动测量角锥棱镜5使波长λ₁和λ₂干涉信号的相位差再次为0，则测量角锥棱镜的移动位移Δl即为真空腔中折射率变化时引起的光程变化量：

(n-1)L＝Δl

由上式可得空气折射率为：

$n-1=\frac{\mathrm{\&Delta;l}}{L}$

代入典型值：当测量角锥棱镜5的定位精度为5nm、石英真空腔4长度L为1000mm时，空气折射率的测量精度可达5×10^-9。

至此完成本发明。

Claims (2)

1.一种基于双频正交线偏振光干涉的空气折射率测量方法，其特征在于：双频激光器输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光，射向由分光镜、固定的参考角锥棱镜和可移动的测量角锥棱镜构成的迈克尔逊干涉仪，分别形成各自的干涉信号，再经分光镜、偏振分光镜分光后分别由两个探测器接收，在该干涉仪的测量光路中放置一个与光线传播方向平行的长度为L的石英真空腔；开始测量空气折射率之前，石英真空腔被抽成真空，移动测量角锥棱镜使波长λ₁和λ₂的干涉信号相位差为0，然后将空气通入石英真空腔，直至该腔内部空气与外部空气一致，接着再次移动测量角锥棱镜使波长λ₁和λ₂干涉信号的相位差再次为0，则石英真空腔中折射率变化引起的测量光路光程差的变化量即为测量角锥棱镜的移动位移，最后根据石英真空腔长度L、测量角锥棱镜的移动位移Δl与空气折射率n的关系，得到空气折射率为：

$n-1=\frac{\mathrm{\&Delta;l}}{L}.$

2.根据权利要求1所述方法的一种基于双频正交线偏振光干涉的空气折射率测量装置，其特征在于：包括双频激光器(1)，分光镜(2)，参考角锥棱镜(3)，石英真空腔(4)，测量角锥棱镜(5)，偏振分光镜(6)，第一探测器(7)和第二探测器(8)；双频激光器(1)输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光射向由分光镜(2)、参考角锥棱镜(3)和测量角锥棱镜(5)组成的迈克尔逊干涉仪，形成各自的干涉信号，再经分光镜(2)、偏振分光镜(6)分光后，分别至第一探测器(7)和第二探测器(8)，在分光镜(2)和测量角锥棱镜(5)之间的测量光路中还置有石英真空腔(4)。

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