CN103076304A - 调制式激光干涉空气折射率测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调制式激光干涉空气折射率测量方法及装置。双频激光器输出波长为和
Figure 242546DEST_PATH_IMAGE004
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，通过移动参考角锥棱镜检测
Figure 959966DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 355175DEST_PATH_IMAGE004
的干涉信号的相位差变化2π测得合成波长
Figure 107231DEST_PATH_IMAGE006
，通过移动压电陶瓷驱动器调制测量角锥棱镜运动，测得石英真空腔被抽成真空和通入空气时
Figure 929693DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 632945DEST_PATH_IMAGE004
干涉信号的相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，根据真空腔长度
Figure DEST_PATH_IMAGE012
、合成波长
Figure 707211DEST_PATH_IMAGE006
和相位差变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，可测得空气折射率n。本发明测量精度达到10-9以上，抗环境干扰能力强等优点，可应用于精密测量和激光干涉仪等技术领域。

Description

调制式激光干涉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，尤其是涉及一种调制式激光干涉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一般分为间接测量和直接测量两大类。间接测量法是首先测量出空气的压力、温度和相对湿度，然后用Edlen公式计算得出空气折射率，该方法测量精度不优于3×10-8。直接测量法是采用干涉法来实现的，例如瑞利干涉法、法－珀干涉法和多波长干涉法等。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，会导致干涉条纹抖动，使测量精度受限，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
为了满足光学精密测量技术对空气折射率的高精度需求，本发明的目的在于提供一种调制式激光干涉空气折射率测量方法及装置，根据两路干涉信号相位差变化量与光程变化量以及合成波长之间的关系，将真空腔内折射率变化量的测量转化为对两路干涉信号相位差和合成波长的测量，不需要对整小数干涉条纹进行计数，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、一种调制式激光干涉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、参考角锥棱镜和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、偏振分光镜分光后由两个探测器接收，参考角锥棱镜固定在直线位移工作台上，测量角锥棱镜固定在压电陶瓷驱动器上，在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；测量空气折射率前，首先通过直线位移工作台移动参考角锥棱镜，检测λ1和λ2的干涉信号的相位差变化2π时参考角锥棱镜移动的位移ΔL，即为波长λ1和λ2形成的合成波长值λS/2；然后，直线位移工作台不动，通过压电陶瓷驱动器调制测量角锥棱镜在Δl＝0.5μm范围内往返运动，先将石英真空腔抽成真空，测得波长λ1和λ2的干涉信号相位差为接着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，再测得此时波长λ1和λ2的干涉信号相位差为最后根据石英真空腔长度L、合成波长λS和波长λ1和λ2的干涉信号的相位差变化量
Figure BDA00002705393300023
与空气折射率n的关系，得到空气折射率为：
二、一种调制式激光干涉空气折射率测量装置：
本发明包括双频激光器，分光镜，参考角锥棱镜，直线位移工作台，石英真空腔，测量角锥棱镜，压电陶瓷驱动器，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，分别由第一探测器和第二探测器接收，第一探测器和第二探测器接收的信号分别经相位差测量模块对两路干涉信号的相位差进行检测后，送计算机显示，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，参考角锥棱镜固定在直线位移工作台上，测量角锥棱镜固定在压电陶瓷驱动器上。
本发明具有的有益效果是：
本发明是通过调制测量角锥棱镜，将空气折射率变化引起的光程变化量调制成两路干涉信号相位差的测量，可实现对空气折射率的高精度测量。本发明测量精度可以达到10-9以上，具有测量精度高、抗环境干扰能力强等优点，可应用于精密测量、激光干涉仪和激光雷达等技术领域。
附图说明
图1是调制式激光干涉空气折射率测量原理图。
图2是波长λ1和λ2的干涉信号的相位差与参考角锥棱镜移动位移关系示意图。
图3是石英真空腔被抽成真空和通入空气后λ1和λ2的干涉信号的相位差变化示意图。
图中：1、双频激光器，2、分光镜，3、参考角锥棱镜，4、直线位移工作台，5、石英真空腔，6、测量角锥棱镜，7、压电陶瓷驱动器，8、偏振分光镜，9、第一探测器，10、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，直线位移工作台4，石英真空腔5，测量角锥棱镜6，压电陶瓷驱动器7，偏振分光镜8，第一探测器9和第二探测器10；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6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8分光后，分别由第一探测器9和第二探测器10接收，第一探测器9和第二探测器10接收的信号分别经相位差测量模块对两路干涉信号的相位差进行检测后，送计算机显示，在分光镜2和测量角锥棱镜6之间的测量光路中还置有石英真空腔5，参考角锥棱镜3固定在直线位移工作台上4，测量角锥棱镜6固定在压电陶瓷驱动器7上。
记L0为该迈克尔逊干涉仪中测量光路和参考光路的光路差，则两个探测器接收的波长为λ1和λ2的干涉信号的相位信号分别为：
Figure BDA00002705393300031
Figure BDA00002705393300032
式中：n1和n2分别为波长λ1和波长λ2的空气折射率。
当波长λ1和λ2非常接近时，例如：λ1＝632.992027nm，λ2＝632.990577nm，在相同的空气环境下，波长λ1的折射率n1和波长λ2的折射率n2之差在10-11数量级，因此，可以认为波长λ1和λ2的折射率近似相等，即n1≈n2＝n，则由式（1）和（2）可得波长λ1和λ2的干涉信号的相位差为：
Figure BDA00002705393300034
式中:λS＝λ1·λ2/|λ1-λ2|为波长λ1和λ2形成的合成波长。
公式（3）表明，当参考角锥棱镜3移动位移ΔL＝λS/2时，波长λ1和λ2的干涉信号的相位差变化2π，因此可以通过检测波长λ1和λ2的干涉信号两次同时过零点位置来测得合成波长值λS。
在图1所示装置中，通过压电陶瓷驱动器7调制测量角锥棱镜6在Δl＝0.5μm范围内往返运动，先将石英真空腔5抽成真空，测量此时λ1和λ2干涉信号的相位差为
Figure BDA00002705393300041
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，再次测量λ1和λ2的干涉信号的相位差为
Figure BDA00002705393300042
则石英真空腔中折射率变化时引起的光程变化量ΔOPL可表示为：
ΔOPL＝2L×(n-1)    （4）
该光程变化量ΔOPL用λ1和λ2的干涉信号的相位差变化量来表示为：
Figure BDA00002705393300043
设
Figure BDA00002705393300044
由公式（4）和公式（5），得到空气折射率n为：
Figure BDA00002705393300045
空气折射率测量的具体实施步骤是：
（1）干涉仪的测量角锥棱镜6静止不动，移动参考角锥棱镜3，此时波长λ1和λ2的干涉信号的相位关系与参考角锥棱镜3的移动位移之间的变化关系，如图2所示，V(λ1)表示波长λ1的干涉信号波形，V(λ2)表示波长λ2的干涉信号波形。通过检测波长λ1和λ2的干涉信号两次同时过零的位置（A和B），可测得合成波长λS的大小；
（2）干涉仪的参考角锥棱镜3静止不动，测量角锥棱镜6在压电陶瓷驱动器7的调制下在Δl＝0.5μm范围内往返运动，首先，石英真空腔5被抽成真空，测得此时波长λ1和λ2干涉信号相位差为
Figure BDA00002705393300046
然后，将空气通入石英真空腔5，直至该腔内部空气与外部空气一致时，再次测量波长λ1和λ2干涉信号相位差为
Figure BDA00002705393300047
两路干涉信号的这种相位差变化，如图3所示，V(λ1)表示波长λ1的干涉信号波形，V(λ2)表示真空腔被抽成真空时波长λ2的干涉信号波形，V(λ′2)表示真空腔中通入空气后波长λ2的干涉信号波形。
（3）根据石英真空腔5的长度L、测得的合成波长λS、测得的两路干涉信号的相位差变化量
Figure BDA00002705393300048
与空气折射率n的关系，得到空气折射率为：
Figure BDA00002705393300049
代入典型值：当相位测量精度为0.01°，合成波长的测量精度为0.1μm、石英真空腔长度L为1000mm时，空气折射率的测量精度可达1×10-9。
至此完成本发明。

Claims (2)

1.一种调制式激光干涉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、参考角锥棱镜和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、偏振分光镜分光后由两个探测器接收，参考角锥棱镜固定在直线位移工作台上，测量角锥棱镜固定在压电陶瓷驱动器上，在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；测量空气折射率前，首先通过直线位移工作台移动参考角锥棱镜，检测λ1和λ2的干涉信号的相位差变化2π时参考角锥棱镜移动的位移ΔL，即为波长λ1和λ2形成的合成波长值λS/2；然后，直线位移工作台不动，通过压电陶瓷驱动器调制测量角锥棱镜在Δl＝0.5μm范围内往返运动，先将石英真空腔抽成真空，测得波长λ1和λ2的干涉信号相位差为
Figure FDA00002705393200011
接着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，再测得此时波长λ1和λ2的干涉信号相位差为最后根据石英真空腔长度L、合成波长λS和波长λ1和λ2的干涉信号的相位差变化量
Figure FDA00002705393200013
与空气折射率n的关系，得到空气折射率为：
Figure FDA00002705393200014
2.根据权利要求1所述方法的一种调制式激光干涉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)，直线位移工作台(4)，石英真空腔(5)，测量角锥棱镜(6)，压电陶瓷驱动器(7)，偏振分光镜(8)，第一探测器(9)和第二探测器(10)；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(6)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(8)分光后，分别由第一探测器(9)和第二探测器(10)接收，第一探测器(9)和第二探测器(10)接收的信号分别经相位差测量模块对两路干涉信号的相位差进行检测后，送计算机显示，在分光镜(2)和测量角锥棱镜(6)之间的测量光路中还置有石英真空腔(5)，参考角锥棱镜(3)固定在直线位移工作台上(4)，测量角锥棱镜(6)固定在压电陶瓷驱动器(7)上。
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