CN104062266B - 一种基于白光频域干涉法测量气体折射率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于白光频域干涉法测量气体折射率的装置和方法。该测量装置由宽带光源、宽带分束镜、宽带全反镜、两个石英空腔气室和光谱仪等光学元器件组成，由宽带光源发出的光经宽带分束镜分束和宽带反射镜反射后，两次通过石英空腔气室，并经宽带分束镜合束，最终共同进入光谱仪在频率域内发生频域干涉，通过对频域干涉信号的分析，可以精确获得气体的折射率。该方法是一种精度高、无需实时记录或观测的绝对测量方法，具有较大的应用和推广价值。

Description

一种基于白光频域干涉法测量气体折射率的装置和方法

技术领域：

本发明属于气体折射率测量技术领域，特别适合于精密分析与微小测量仪器领域。

背景技术：

折射率是物质的重要光学常数之一，借助折射率可以了解物质的光学性质、纯度、浓度以及散射性能等。例如：在矿井中，可以通过测量空气的折射率来分析空气中混杂的沼气等有害气体的浓度；在锅炉设备中，可以通过测量烟道气体的折射率来分析烟道气体中二氧化碳与一氧化碳的含量，以此来确定燃烧的情况。因此，对于气体折射率的精确测量具有重要的理论和实践意义。测量气体折射率的方法一般采用干涉法，包括瑞利干涉法、迈克尔逊干涉法、激光合成波长干涉法及多波长激光干涉法，以上方法都属于时域干涉法。基于时域干涉法进行气体折射率测量属于相对测量，因此在充气或放气时需要控制气体的充放速度，以便通过CCD或其它成像设备能实时记录或观测干涉条纹的变化，而不会造成条纹的丢失；否则由于充气或放气时气体的充放速度过快，造成条纹的丢失会引入额外的误差。

发明内容:

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于白光频域干涉基本原理，测量不同压力下气体折射率的装置，该测量装置是一种方便易操作、精度高，无需导轨、无需实时记录或观测的绝对测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种基于白光频域干涉法测量气体折射率的装置：宽带光源1输出的光束首先经过一个小孔2，再经透镜3作用后变为平行光束，该平行光束经宽带分束镜4分为两束，其中一束称之为参考光束，另一束称之为信号光束，两光束经宽带反射镜5、6反射后均原路返回，两次通过石英空腔气室7、8，并在宽带分束镜4处合束，最后进入光谱仪9，两束光在频率域内发生干涉，并由光谱仪9记录干涉信号。两支路中均引入了相同的石英空腔气室7、8，主要原因是信号光经过气室壁时会引入额外的光程差和色散，采用完全相同的两只气室可以消除额外光程差和色散。

附图说明

通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：

图1为本发明的一种基于白光频域干涉法测量气体折射率的装置的原理示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

参考附图1，一种基于白光频域干涉法测量气体折射率的装置：宽带光源1输出的光束首先经过一个小孔2，再经透镜3作用后变为平行光束，该平行光束经宽带分束镜4分为两束，其中一束称之为参考光束，另一束称之为信号光束，两光束经宽带反射镜5、6反射后均沿原路返回，先后两次通过石英空腔气室7、8，并在宽带分束镜4处合束，最后进入光谱仪9，在频率域内反生频域干涉，并由光谱仪记录干涉信号。两支路中均引入了相同的石英空腔气室7、8，主要原因是信号光经过气室壁时会引入额外的光程差和色散，采用完全相同的两只气室可以消除额外光程差和色散。

正式实验前，先将两石英空腔气室抽真空，保证两气室的真空度相同。然后移动反射镜6，通过观察光谱仪中的干涉信号使得两支路的光程差基本相同，并保证信号光路(水平支路)光程l₂大于参考光路(竖直支路)l₁。先采集此时的干涉信号作为参考，然后向信号光路气室中注入待测气体，直至压强符合测量要求为止，再采集此时的干涉信号，经过对干涉信号进行理论计算即可得到该压强下的气体折射率。

假设白光光源的光谱分布为E₀(λ)，则从参考臂(竖直支路)和信号臂(水平支路)返回光的表达式E₁(λ,s₁)、E₂(λ,s₂)可以分别写为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_1(\mathrm{\λ},s_1)=a{E}_0\left(\mathrm{\λ}\right)e^{i2{\mathrm{ks}}_1}\\ E_2(\mathrm{\λ},s_2)=b{E}_0\left(\mathrm{\λ}\right)e^{i2{\mathrm{ks}}_2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中a、b为常数，由系统的透射率决定，k为波矢，s₁、s₂为竖直光路和水平光路的光程。因此，光谱仪记录的光谱强分布I(λ)可以写为：

$\begin{array}{c}I\left(\mathrm{\λ}\right)=[E_1(\mathrm{\λ},s_1)+E_2(\mathrm{\λ},s_2)]{[E_1(\mathrm{\λ},s_1)+E_2(\mathrm{\λ},s_2)]}^{*}\\ ={\left|E_0\left(\mathrm{\λ}\right)\right|}^2[{\mathrm{\α}}^2+b^2+2\mathrm{\α}b\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}\right)]\end{array}---\left(2\right)$

利用光波长λ与光频率ν的关系，可以将(2)式进一步改写为：

$I\left(\mathrm{\υ}\right)={\left|E_0\left(\mathrm{\υ}\right)\right|}^2[a^2+b^2+2\mathrm{ab}\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}}{c}\mathrm{\υ}\right)]---\left(3\right)$

其中v为光的频率，Δ为两支路的光程差，c为真空中的光速。设气室的长度为l，气室透光玻璃壁的折射率为n_gass，壁总厚为h_gass，当两支路均抽真空且真空度相同时，竖直支路和水平支路的光程分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_1=2[n_{\mathrm{air}}(l_1-l-h_{\mathrm{gass}})+l+n_{\mathrm{gass}}{h}_{\mathrm{gass}}]\\ s_2=2[n_{\mathrm{air}}(l_2-l-h_{\mathrm{gass}})+l+n_{\mathrm{gass}}{h}_{\mathrm{gass}}]\end{array}\right.---\left(4\right)$

此时，两支路的光程差Δ₁为：

Δ₁＝s₂-s₁＝2n_air(l₂-l₁) (5)

当往水平支路中充入待测气体后，设此时待测气体的折射率为n，则竖直支路和水平支路的光程分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{s_1}^{\′}=2[n_{\mathrm{air}}(l_1-l-h_{\mathrm{gass}})+l+n_{\mathrm{gass}}{h}_{\mathrm{gass}}]\\ {s_2}^{\′}=2[n_{\mathrm{air}}(l_2-l-h_{\mathrm{gass}})+\mathrm{nl}+n_{\mathrm{gass}}{h}_{\mathrm{gass}}]\end{array}\right.---\left(6\right)$

因此，此时两支路的光程差Δ₂为：

Δ₂＝2n_air(l₂-l₁)+2(n-1)l (7)

从(3)式可以看出，当选取的白光光源其频谱较为平坦时，频谱干涉信号在频域内为余弦函数，其周期为Δ/c，其物理意义是被宽带分束镜分束后的两束光进入光谱仪时由于光程不同而导致的飞行时间差。通过对(3)式进行傅里叶变换，可以得到频谱干涉信号的周期，即飞行时间差。

设抽真空后和加入待测气体后通过傅里叶变换频谱干涉信号得到的飞行时间差分别为Δt₁、Δt₂，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δt}}_1=2\frac{n_{\mathrm{air}}(l_2-l_1)}{c}\\ {\mathrm{\Δt}}_2=2\frac{n_{\mathrm{air}}(l_2-l_1)+(n-1)l}{c}\end{array}\right.---\left(8\right)$

利用(8)式可以得到待测气体在给定压强下的折射率为：

$n=1+\frac{(\mathrm{\Δ}{t}_2-{\mathrm{\Δt}}_1)c}{2l}---\left(9\right)$

本发明具有的有效效果是：

本发明将宽带光源分为两束，分别通过频域干涉光路系统中的石英空腔气室，携带待测气体的折射率信息，进入光谱仪后，在频率域内产生频域干涉，将干涉信号导出，通过进行傅里叶变换等简单计算反解出待测气压下气体的折射率。该方法是一种易于搭建与调试、高精度的绝对测量方法，无需实时记录或监测。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于白光频域干涉法测量气体折射率的装置，其特征在于：

宽带光源(1)输出的光束首先经过一个小孔(2)，再经透镜(3)作用后变为平行光束，该平行光束经宽带分束镜(4)分为两束，其中一束称之为参考光束，其所在的支路中设置石英空腔气室(7)，石英空腔气室(7)抽真空；另一束称之为信号光束，其所在的支路中设置石英空腔气室(8)，石英空腔气室(8)抽真空后注入待测气体；两支路中的石英空腔气室(7)和石英空腔气室(8)相同；两光束分别经宽带反射镜(5)、宽带反射镜(6)反射后均沿原光路返回，并在宽带分束镜(4)处合束，最后进入光谱仪(9)，由光谱仪记录其频域干涉信号；通过下述方法计算待测气体的折射率：其中，Δt₁、Δt₂分别为抽真空后和加入待测气体后通过傅里叶变换频谱干涉信号得到的飞行时间差，c为真空中的光速，l为气室的长度。

2.一种基于白光频域干涉法测量气体折射率的方法，使用权利要求1所述的基于白光频域干涉法测量气体折射率的装置，其特征在于：

正式实验前，先将两空腔气室(7)、(8)抽真空，并保证两气室的真空度相同；然后移动宽带反射镜(6)，通过观察光谱仪中的干涉信号使得两支路的光程差基本相同，并保证信号光路光程l₂大于参考光路l₁；先利用光谱仪(9)采集此时的干涉信号作为参考，然后向信号光路气室(8)中注入待测气体，直至气室(8)中的压强达到测量要求为止，再利用光谱仪(9)采集此时的干涉信号，通过对充气前后的频域干涉信号进行处理，通过下述方法计算待测气体的折射率：其中，Δt₁、Δt₂分别为抽真空后和加入待测气体后通过傅里叶变换频谱干涉信号得到的飞行时间差，c为真空中的光速，l为气室的长度。