CN103293130A - 一种数字式瑞利干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字式瑞利干涉仪，是在传统的瑞利干涉仪的光路中新增加一个激光干涉仪光路，并通过补偿器使激光干涉仪光路与传统的瑞利干涉仪的白光干涉光路并联成一体。该干涉仪测量精度高、使用方便（不用更换钠光灯或激光来定标），可精确测量气体、液体、光学材料的折射率。该仪器可用于光学元件生产加工质量的检测、光学材料均匀性的检测、研究光谱的精细结构、煤矿瓦斯气体浓度的检测、科学研究与实验教学等领域。

Description

一种数字式瑞利干涉仪

技术领域

本发明涉及干涉仪，具体是一种精确测量气体、液体、光学材料折射率的数字式瑞利干涉仪。

背景技术

瑞利干涉仪是一种精确测量气体、液体、光学材料的折射率的仪器。见杨之昌、马秀芳编著的<<物理光学实验>>第1—9页，（复旦大学出版社出版）。当用白光进行双缝干涉时，其干涉条纹的零级为白色条纹，而在零级白色条纹两侧分别都是彩色条纹。当用相同材料相同尺寸大小的两个样品容器分别放置在两光路中时，两束通分别过两个样品容器的光形成的干涉条纹与直接通过样品容器下面空气层形成的干涉条纹的位置没有变，也就是说在视场里可以看到相邻上下两套干涉条纹的零级条纹位置保持一致。当两个空样品容器分别放不同的液体（或不同的气体）时，其中一个样品容器里的液体（或气体）必须是已知的，这时在视场里可以看到相邻上下两套干涉条纹的零级条纹位置就会发生偏移，表明两光束经过样品容器后附加了光程差(光程差源于两容器中的化学成分、温度、压力等)，旋转补偿器可使上下俩零级条纹再次对齐，根据补偿器的旋转刻度，从而计算出光程差，再代入公式算出待测的量。而补偿器的旋转刻度，与光程差并非是线性关系。因此，在使用传统的瑞利干涉仪测量前必须更换钠光灯或激光来定标，作出定标曲线表或定标曲线图。根据补偿器的旋转刻度从定标曲线表或定标曲线图上找出钠光的干涉条纹移动的条数，然后,再进行计算，这样使用起来很不方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理、测量精度高、使用方便（不用更换钠光灯或激光来定标）的一种数字式瑞利干涉仪。

本发明提供的一种数字式瑞利干涉仪，是在传统的瑞利干涉仪的光路中新增加了一个激光干涉光路，并通过补偿器使激光干涉光路与传统的瑞利干涉仪的白光干涉光路并联使用。

本发明提供的一种数字式瑞利干涉仪，包括第一透镜、第二透镜、第一补偿器、第二补偿器，还包括激光光源、光栅、滤波器、扩束镜、光敏探头和显示装置；所述的第一透镜和第二透镜均为柱透镜；激光光源发出的光经光栅、滤波器分成两束光，并经透镜变成两束平行光，其中一束光经第一补偿器，另一束光经第二补偿器，然后两束平行光再经透镜汇聚成一个光点，光点经扩束镜扩束，扩束后的光场出现干涉条纹，光敏探头放置在能正确读出干涉条纹数的位置，光敏探头连接显示装置。

本发明提供的另一种数字式瑞利干涉仪，包括第二透镜、第一补偿器、第二补偿器，还包括激光光源、分束器、第一反射镜、第二反射镜、直角棱镜、扩束镜、光敏探头和显示装置；所述的第二透镜为柱透镜；激光光源发出的光经分束器分成两束光，两束光分别经第一反射镜和第二反射镜后，再经直角棱镜变成两束平行光，其中一束光经第一补偿器，另一束光经第二补偿器，然后两束平行光再经透镜汇聚成一个光点，光点经扩束镜扩束，扩束后的光场出现干涉条纹，光敏探头放置在能正确读出干涉条纹数的位置，光敏探头连接显示装置。

所述的激光光源是小型半导体激光器。

所述的光敏探头是光敏电阻、光敏二极管或光敏三极管。

所述的显示装置是由单片机与显示器构成，或者是计算机。

本发明是在传统的瑞利干涉仪的光路中新增加一个激光干涉仪光路，并通过共用补偿器使激光干涉仪光路与传统的瑞利干涉仪的白光干涉光路并联成一体。其测量精度高、使用方便（不用更换钠光灯或激光来定标），可精确测量气体、液体、光学材料的折射率。该仪器可用于光学元件的生产加工质量的检测、光学材料均匀性的检测、研究光谱的精细结构、煤矿瓦斯气体浓度的检测、科学研究与实验教学等领域。

附图说明

图1现有技术瑞利干涉仪的结构示意图（俯视）

图2本发明第一种实施方式的结构示意图

图3本发明第二种实施方式的结构示意图

图4瑞利干涉仪的白光干涉条纹示意图

图5本发明的激光干涉光信号接收、显示装置示意图

图中1-白光源；2-单缝；3-是第一透镜；4-是双缝；5第一样品容器；6-第二样品容器；7-第一补偿器；8-第二补偿器；9-第二透镜；10-小柱透镜；11-半导体激光器；12-光栅；13-滤波器；16-扩束镜；17-分束器；18-第一反射镜、19-第二反射镜；20-直角棱镜；24-光敏探头；25-显示装置。

具体实施方式

传统瑞利干涉仪，如图1所所示，是由白光源1、单缝2、第一透镜3、双缝4、第一样品容器5、第二样品容器6、第一补偿器7、第二补偿器与8、第二透镜9和小柱透镜10组成。

本发明的一种实施方式，如图2、图5所示：由白光源1、单缝2、第一透镜3、双缝4、第一样品容器5、第二样品容器6、第一补偿器7、第二补偿器与8、第二透镜9、小柱透镜10、小型半导体激光器11、光栅12、滤波器13、扩束镜16，光敏二极管24和单片机与显示器25；所述的第一透镜3和第二透镜9均为柱透镜；小型半导体激光器11发出的光经光栅12、滤波器13分成两束光，并经透镜3变成两束平行光，其中一束光经第一补偿器7，另一束光经第二补偿器8，然后两束平行光再经透镜9汇聚成一个光点，光点经扩束镜16扩束，扩束后的光场出现干涉条纹，光敏二极管24放置在能正确读出干涉条纹数的位置，光敏二极管24单片机与显示器25。

本发明提供了另一种实施方式，如图3、图5所示：由白光源1、单缝2、第一透镜3、双缝4、第一样品容器5、第二样品容器6、第一补偿器7、第二补偿器与8、第二透镜9、小柱透镜10、小型半导体激光器11、分束器17、第一反射镜18、第二反射镜19、直角棱镜20、扩束镜16，光敏电阻24和计算机25；所述的第二透镜9为柱透镜；小型半导体激光器11发出的光经分束器17分成两束光，两束光分别经第一反射镜18和第二反射镜19后，再经直角棱镜20变成两束平行光，其中一束光经第一补偿器7，另一束光经第二补偿器8，然后两束平行光再经透镜9汇聚成一个光点，光点经扩束镜16扩束，扩束后的光场出现干涉条纹，光敏电阻24放置在能正确读出干涉条纹数的位置，光敏电阻24连接计算机25。

测量前,通过调整补偿器使相邻的上下两套白光干涉条纹的零级条纹位置对齐。

测量时，在第一样品容器5和第二样品容器6中分别放置已知折射率的液体和未知折射率的液体，再通过小柱透镜10可以看到相邻的上下两套白光干涉条纹的零级条纹位置发生了偏移（见图4），通过旋转其中一个补偿器，使上下两套白光干涉条纹的零级条纹再次对齐，同时激光干涉条纹也在变化，通过光敏探头与显示装置可以完成计数、计算并输出被测量结果。

折射率计算公式：

根据光程差相等的原则，测量液体的折射率。

因为Δ=(n_x-n₀)l  -----------（1）

又因为Δ=kλ  -----------（2）

所以(n_x-n₀)l=kλ  -----------（3）

在公式（3）中λ是激光的波长，k是移动的激光条纹数，l是样品容器的长度，n₀是已知液体或气体的折射率，n_x是待测液体或气体的折射率。即可计算出n_x：

$n_x=\frac{\mathrm{k\&lambda;}+n_{0}l}{l}.$

Claims (5)

1.一种数字式瑞利干涉仪，包括第一透镜（3）、第二透镜（9）、第一补偿器（7）、第二补偿器（8），其特征在于，还包括激光光源（11）、光栅（12）、滤波器（13）、扩束镜（16）、光敏探头（24）和显示装置（25）；所述的第一透镜（3）和第二透镜（9）均为柱透镜；激光光源（11）发出的光经光栅（12）、滤波器（13）分成两束光，并经透镜（3）变成两束平行光，其中一束光经第一补偿器（7），另一束光经第二补偿器（8），然后两束平行光再经透镜（9）汇聚成一个光点，光点经扩束镜（16）扩束，扩束后的光场出现干涉条纹，光敏探头（24）放置在能正确读出干涉条纹数的位置，光敏探头（24）连接显示装置（25）。

2.一种数字式瑞利干涉仪，包括第二透镜（9）、第一补偿器（7）、第二补偿器（8），其特征在于，还包括激光光源（11）、分束器（17）、第一反射镜（18）、第二反射镜（19）、直角棱镜（20）、扩束镜（16）、光敏探头（24）和显示装置（25）；所述的第二透镜（9）为柱透镜；激光光源（11）发出的光经分束器（17）分成两束光，两束光分别经第一反射镜（18）和第二反射镜（19）后，再经直角棱镜（20）变成两束平行光，其中一束光经第一补偿器（7），另一束光经第二补偿器（8），然后两束平行光再经透镜（9）汇聚成一个光点，光点经扩束镜（16）扩束，扩束后的光场出现干涉条纹，光敏探头（24）放置在能正确读出干涉条纹数的位置，光敏探头（24）连接显示装置（25）。

3.如权利要求1或2所述的一种数字式瑞利干涉仪，其特征在于，所述的激光光源（11）是小型半导体激光器。

4.如权利要求1或2所述的一种数字式瑞利干涉仪，其特征在于，所述的光敏探头（24）是光敏电阻、光敏二极管或光敏三极管。

5.如权利要求1或2所述的一种数字式瑞利干涉仪，其特征在于，所述的显示装置（25）是由单片机与显示器构成，或者是计算机。

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