CN103743708B - 激光合成波长干涉测量空气折射率波动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光合成波长干涉测量空气折射率波动的方法。在由双频激光器、分光镜、两个偏振分光镜、参考角锥棱镜和测量角锥棱镜构成的激光合成波长干涉仪中，固定干涉仪的测量角锥棱镜，则测量臂的第一偏振分光镜和测量角锥棱镜之间的光路构成了空气折射率波动传感腔；该腔内空气折射率的波动引起的干涉仪测量臂的光程变化等效为一个微小的被测位移，通过激光合成波长干涉位移测量原理，将该微小被测位移的测量转换成参考角锥棱镜移动位移（毫米或微米级）的测量，从而实现了对空气折射率波动的高精度检测。本发明空气折射率波动的测量精度达到10^-11，可应用于空气折射率和精密长度测量等技术领域。

Description

激光合成波长干涉测量空气折射率波动的方法

技术领域

本发明涉及空气折射率测量方法，具体涉及一种激光合成波长干涉测量空气折射率波动的方法。

背景技术

空气折射率是以激光波长作为长度“尺子”的各种光学精密测量技术领域的一个重要参数。空气折射率测量方法分为空气折射率绝对测量和空气折射率波动测量两大类。空气折射率绝对测量是以真空为参考给出空气折射率测量结果的方法，例如，Edlen公式法：通过测量空气的压力、温度和相对湿度，以及二氧化碳含量，然后按Edlen公式计算得出空气折射率；瑞利干涉法、抽气测量法、法－珀干涉法和多波长干涉测量法等干涉法：检测激光光束经一定长度的真空腔和空气腔时所产生的干涉条纹变化数来实现空气折射率的测量。空气折射率波动测量是指在一固定或初始空气折射率值附近检测空气折射率的波动范围的测量方法。虽然现有空气折射率绝对测量方法可以实现较高测量精度，如Edlen公式法的测量精度一般在10^-8量级，大多数干涉法的空气折射率测量精度达到10^-8-10^-9量级，但是，由于很难获得真正的纯真空条件，因此，限制了空气折射率绝对测量精度的提高和测量过程的实施。空气折射率波动测量方法主要用于观测空气折射率的波动变化，可广泛应用于精密长度或形貌变化的相对测量，因此，在无需知道绝对空气折射率值的情况下，实施空气折射率变化的波动检测，在精密光学测量技术领域具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光合成波长干涉测量空气折射率波动的方法。干涉仪测量臂空气折射率的波动引起测量臂光程的变化，根据激光合成波长干涉位移测量原理精确测得，从而精密测得空气折射率的波动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，该方法的步骤如下：

1）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，第一偏振分光镜，参考角锥棱镜，测量角锥棱镜和第二偏振分光镜构成的激光合成波长干涉仪；

2）当激光合成波长干涉仪的参考角锥棱镜移动时，波长λ₁和λ₂的干涉信号分别由第一探测器和第二探测器接收，由数字信号处理器测量这两路干涉信号之间的相位差；

3）固定激光合成波长干涉仪的测量角锥棱镜，第一偏振分光镜和测量角锥棱镜之间的测量臂光路构成了长度为L的空气折射率波动传感腔；

4）开始测量空气折射率之前，移动参考角锥棱镜使波长λ₁和λ₂的干涉信号相位差为0；

5）当传感腔内的空气折射率变化波动Δn_air时，引起激光合成波长干涉仪测量臂光路变化一个等效的被测位移Δl_equva＝Δn_air·L，导致波长λ₁和λ₂的干涉信号相位差发生变化；

6）再次移动参考角锥棱镜使波长λ₁和λ₂干涉信号相位差为0，记录参考角锥棱镜移动的位移ΔL；

7）根据激光合成波长干涉位移测量原理：Δl、ΔL分别为测量角锥棱镜和参考角锥棱镜的位移，将空气折射率波动引起的等效被测位移Δl_equva、参考角锥棱镜移动位移ΔL代入该公式，得到空气折射率波动为：

$\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{air}}=\frac{1}{L}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_S}\·\mathrm{\ΔL}$

式中：λ_S为λ₁和λ₂形成的合成波长，且λ_S＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|。

本发明具有的有益效果是：

本发明是将空气折射率波动引起的测量臂光路变化等效为一个微小的被测位移，通过激光合成波长干涉位移测量原理，将该微小被测位移的测量转换成易于检测的参考角锥棱镜移动位移（毫米或微米级）的测量，从而实现对空气折射率波动的高精度测量，并且该方法光路结构简单，使用方便。

本发明测量精度可以达到10^-11以上，具有测量精度高、抗环境干扰能力强等优点，能应用于激光干涉精密测量技术领域。

附图说明

图1是激光合成波长干涉测量空气折射率波动的方法的原理框图。

图中：1、双频激光器，2、分光镜，3、参考角锥棱镜，4、第一偏振分光镜，5、测量角锥棱镜，6、第二偏振分光镜，7、第一探测器，8、第二探测器，9、数字信号处理器，10、直流电机控制器，11、直线位移工作台，12、低膨胀系数的殷钢平台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，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、第一偏振分光镜4、测量角锥棱镜5和第二偏振分光镜6构成的激光合成波长干涉仪，形成各自的干涉信号，经第二偏振分光镜6分光后，由第一探测器7接收波长为λ₁的干涉信号，第二探测器8接收波长为λ₂的干涉信号；第一探测器7和第二探测器8接收的干涉信号送入数字信号处理器9进行相位差测量，数字信号处理器9控制直流电机控制器10，驱动直线位移工作台11带动固定在其上的参考角锥棱镜3移动；分光镜2、第一偏振分光镜4、测量角锥棱镜5、第二偏振分光镜6、第一探测器7和第二探测器8安装在低膨胀系数的殷钢平台12上面。

根据激光合成波长干涉位移测量方法可知，测量角锥棱镜5移动的微小被测位移Δl（小于λ₂/2），可由参考角锥棱镜3移动的大位移ΔL来表征，即有：

$\mathrm{\Δl}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_s}\mathrm{\ΔL}---\left(1\right)$

在附图1所示光路中，固定测量角锥棱镜5，干涉仪测量臂中第一偏振分光镜4和测量角锥棱镜5之间的光路构成了长度为L的空气折射率波动传感腔。当该腔内空气折射率波动Δn_air时，第一偏振分光镜4和测量角锥棱镜5之间的光程发生变化，该变化的光程可以被看作干涉仪测量臂的一个等效被测位移Δl_equva：

Δl_equva＝Δn_air·L（2）

其中L为空气折射率波动传感腔长度，即第一偏振分光镜4和测量角锥棱镜5之间的距离。

结合公式（1）和（2）可得空气折射率波动Δn_air为：

$\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{air}}=\frac{1}{L}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_S}\·\mathrm{\ΔL}---\left(3\right)$

式中：λ_S为λ₁和λ₂形成的合成波长，且λ_S＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|。

由于合成波长λ_S远远大于单波长λ₂，因此公式（3）表明微小的空气折射率波动Δn_air可以通过测量参考角锥棱镜3较大的移动位移ΔL来获得。假设双频激光器1输出的单波长λ₂＝632.99nm，λ₁和λ₂的频差为1GHZ，λ_S＝280mm，则细分系数λ₂/λ_S≈1/440000。这就意味着空气折射率波动Δn_air被放大了440000倍。因此当腔长L＝400mm时，1×10^-8的Δn_air对应1.76mm的参考角锥棱镜3的移动位移，1×10^-10的Δn_air对应17.6μm的参考角锥棱镜3的移动位移，即如果测得参考角锥棱镜3移动的1.76mm或者17.6μm位移，就可获得1×10^-8或者1×10^-10的折射率波动Δn_air。因此，利用公式（3），可实现空气折射率波动Δn_air的高精度、高分辨率的精确测量。

空气折射率波动测量的具体实施是：

①空气折射率波动测量开始之前，数字信号处理器9控制直流电机控制器10，驱动直线位移工作台11带动参考角锥棱镜3移动，当数字信号处理器9检测到λ₁和λ₂两路干涉信号相位差为0时，参考角锥棱镜3停止移动；

②当空气折射率波动传感腔内空气折射率波动Δn_air时，第一偏振分光镜4和测量角锥棱镜5之间的光程变化，引起λ₁和λ₂两路干涉信号之间的相位差发生变化；

③数字信号处理器9再次通过直流电机控制器10、直线位移工作台11控制参考角锥棱镜3移动，使λ₁和λ₂两路干涉信号相位差再次为0，记录参考角锥棱镜3移动的位移ΔL；

④将测得的ΔL代入公式（3）即可得到空气折射率波动Δn_air。

代入典型值（波长λ₁和λ₂的频差为1GHz）计算：当第一角锥棱镜3的位移精度为2.91μm、空气折射率波动传感腔L为400mm时，空气折射率的测量精度可达1.67×10^-11。

Claims (1)

1.一种激光合成波长干涉测量空气折射率波动的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

1)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，第一偏振分光镜，参考角锥棱镜，测量角锥棱镜和第二偏振分光镜构成的激光合成波长干涉仪；

2)当激光合成波长干涉仪的参考角锥棱镜移动时，波长λ₁和λ₂的干涉信号分别由第一探测器和第二探测器接收，由数字信号处理器测量这两路干涉信号之间的相位差；

3)固定激光合成波长干涉仪的测量角锥棱镜，第一偏振分光镜和测量角锥棱镜之间的测量臂光路构成了长度为L的空气折射率波动传感腔；

4)开始测量空气折射率之前，移动参考角锥棱镜使波长λ₁和λ₂的干涉信号相位差为0；

5)当传感腔内的空气折射率变化波动Δn_air时，引起激光合成波长干涉仪测量臂光路变化一个等效的被测位移Δl_equva＝Δn_air·L，导致波长λ₁和λ₂的干涉信号相位差发生变化；

6)再次移动参考角锥棱镜使波长λ₁和λ₂干涉信号相位差为0，记录参考角锥棱镜移动的位移ΔL；

7)根据激光合成波长干涉位移测量原理：Δl、ΔL分别为测量角锥棱镜和参考角锥棱镜的位移，将空气折射率波动引起的等效被测位移Δl_equva、参考角锥棱镜移动位移ΔL代入公式得到空气折射率波动为：

${\mathrm{\Δn}}_{air}=\frac{1}{L}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_S}\·\mathrm{\Δ}L$

式中：λ_S为λ₁和λ₂形成的合成波长，且λ_S＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|。