CN1048553C - 高精度激光腔变位移/折射率测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测量技术领域，本发明提出一种激光腔变位移/空气折射率测量方法，利用氦氖激光器腔内光程差或腔长变化会引起输出功率出现兰姆凹陷、换模凹陷及频率分裂量改变的现象，通过将被测物与腔反射镜固定在一起，或腔内引起空气折射率的变化，测出功率周期性出现的凹陷数，即可得到被测物位移量或腔内空气折射率的变化值。该方法的实现装置结构简单，成本低，装配调整容易，测量精度高。适用于测量位移及空气折射率的各种场合。

Description

高精度激光腔变位移/折射率测量方法及其装置

本发明属于激光测量技术领域。

当前激光技术已成功地用于对许多物理量、几何量的高精度测量，一般常用的测量方法是利用激光的干涉现象，即激光干涉仪。例如，对被测物的位移量的高精度测量方法，采用将激光器输出的光束分为二束，(即参考光束和测量光束)，当被测物发生位移时，这两束光将产生干涉，干涉条纹将发生移动记录出干涉条纹的移动数目即可转换成位移变化量。若测量空气折射率时，可将一气室置于测量光束中，当气室空气密度变化(逐渐抽为真空)时，记录出干涉条纹的变化数，即可转换成当时的空气折射率。采用上述测量方法，精度最高的装置还有双频激光干涉仪等，测量位移的精度可达0.01μm。这类装置由激光器、分束器、干涉系统、稳频装置及信号处理单元组成，其结构复杂，各组成部分精度要求高，整个装置价格昂贵。

本发明的目的在于克服已有激光测量技术的不足之处，提出一种新的高精度激光测量位移，空气折射率的方法及其实现装置。该方法实现简单，测量精度高，该装置成本低。

本发明提出一种高精度位移测量方法，其特征在于采用半内腔单模氦氖激光器为传感器，该激光器的增益管二端分别固定一片谐振腔反射镜及增透窗片，另一片谐振腔反射镜固定在被测物上，被测物发生位移时，探测器探测出激光输出功率周期性变化的信号，计数器记录功率凹陷数，处理器以此对应地计算出激光谐振腔长的变化值。

本发明提出的方法还包括所说的增透窗片采用晶体石英片，所说的激光输出光束含两正交线偏振光并先经偏振分光元件分为相位差90°的两束光，所说的探测器分别探测出这两束光功率周期性变化的信号，所说的计数器分别记录出这两束光功率凹陷数，所说的处理器将两束光信号进行判向，求和，得出被测物位移的变化方向及数值。

本发明上述方法进一步还包括另一个半内腔氦氖激光器作为辅助传感器，该激光器的增透窗片为晶体石英片，一块谐振腔反射镜也与被测物固定在一起，该辅助传感器的输出光束为有一定频差的两正交线偏振光，该输出光束通过一偏振片形成光拍，由另一探测器接收后由所说计数器计数再送入所说的处理器对所说的测得的位移量进行细分。

本发明提出一种高精度空气折射率的测量方法，其特征在于采用半内腔单模氨氖激光器为传感器，在该激光器谐振腔内沿光轴放置一气室，该气室两端封接增透窗片，气室侧壁有一气嘴，测量抽气时泵与该气嘴相连接，当抽气泵开始抽气时，探测器探测出激光输出功率周期性变化的信号，计数器记录功率凹陷数，直到气室抽为真空，处理器以此对应地计算出抽气前空气折射率。

本发明的原理如下所示：图1为测量所用半内腔单模氦氖激光器示意图

图1中，半内腔激光器，由反射镜[2]，增益管体[1]和增益管窗片[3]构成。反射镜[2]和反射镜[4]组成一个半内腔激光器谐振腔。当[4]沿箭头方向移动时，激光器谐振腔长L就要改变。如[4]向左移动时，腔长缩短。按激光原理，激光频率V_q表达式为： $V_q=\frac{G}{2L}q$

从上式可知，L改变，纵模的频率v_q-n，v_q-n+1，……v_q-1，v_q，v_q+1，……都要增加，即在频率轴上向右移动。图2给出了各纵模依次通过增益线G的情况。由激光原理，当任一纵模v_q通过增益线G时，激光功率出现一个周期的功率调谐曲线，即所谓的兰姆凹陷。每当一个频率(v_q-2，v_q-1，v_q，v_q+1……)通过增益曲线时，就出现一个兰姆凹陷，从而形成如图3的功率P随腔长L变化的关系曲线，这一曲线可被光电接收器接受并变成电信号。从激光原理可推得，出现一周期的凹陷(从一个凹的最低点到相邻凹的最低点)即意味着频率移动了一个纵模间隔Δv₁， ${\mathrm{\Δv}}_1=\frac{C}{2\mathrm{Ln}}---\left(1\right)$

其中，C是光速；n是腔内介质折射率，Ln应理解为腔的总光程，而频率移动量δv和反射镜[4]的位移ΔL的相互关系是： $\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{\δv}}{v}L---\left(2\right)$ 当δv＝Δv₁时，有 $\mathrm{\ΔL}=\frac{C}{2\mathrm{vL}}L=\frac{C}{2v}=\frac{1}{2}\mathrm{\λ}---\left(3\right)$

λ是激光波长。此式表明：激光频率移动一个纵模间隔意味着反射镜[4]移动了二分之一个波长(在谐振腔空气光路内)。

值得注意的是，式(3)和腔长L无关，换言之，对任何腔长L，只要腔长改变λ/2，就会有一个纵模通过增益线中心频率v。(见图2)并获得一个图3中的凹陷谷点L1，因此只要数出谷点数N，即可知镜[4]移动的距离，此距离d可表示为： $d=\frac{1}{2}\mathrm{N\λ}---\left(4\right)$ 式(4)即是本发明的原理性公式之一。

除了镜[4]移动可引起腔长改变外，腔内空气折射率n的改变也引起腔长的改变，设腔内光路上改变折射率部分的长为l，则应有： $\mathrm{I\Δn}=\frac{1}{2}\mathrm{N\λ}$ $\mathrm{\Δn}=\frac{1}{2l}\mathrm{N\λ}---\left(5\right)$

由(4)可知，本发明可做为镜位移的测量仪器，当镜随被测物运动时，即可由(4)算出位移的大小。

由(5)可知，只要测出N，则可知空气折射率的改变量Δn。

由于激光器对折射率n和腔长L的改变都能感测，做为位移传感器，在测量时间内，空气折射率(气压和温度)应保持稳定。做为折射率传感器，在测量时间内腔长应保持稳定。

从以上讨论看，本发明在原理上比激光干涉仪优越之处是不需要进行频率稳定，而激光干涉仪以波长λ作为尺寸，这就要求激光器输出的光频率(即波长λ)稳定，同时又要求光路上折射率稳定以保持λ的长度稳定。

我们还可把两个相邻兰姆凹陷之间的功率凹陷(图3的A点，B点，C点)计入，它是由换模引起的。为了区别，我们称这种凹陷为换模凹陷，兰姆凹陷和换模凹陷总称为功率凹陷。

显然，两相邻换模凹陷之间的间隔也是λ/2。即如不区别兰姆凹陷和换模凹陷，每出现一个功率凹陷即意味着腔长改变了λ/4，于是，式(4)和式(5)变成： $d=\frac{1}{4}\mathrm{N\λ}---\left(6\right)$ $\mathrm{\Δn}=\frac{1}{4l}\mathrm{N\λ}---\left(7\right)$ 由(6)可知，对于λ＝0.6328μm。每出现一个功率凹陷(N＝1)，可知反射镜[4]移动了 $d=\frac{1}{4}\×0.6328\mathrm{\μm}=0.1582\mathrm{\μm}$ 或在l＝50mm时折射率改变了 $\mathrm{\Δn}=\frac{1}{4}\×\frac{1}{50\×{10}^3}\×0.6328=0.3164\×{10}^{-5}=0.000003164$

对于λ＝1.15μm，每出现一个功率凹陷(N＝1)，其反射镜[4]移动了：

d＝0.287500μm

或在l＝50mm时，折射率改变了：

Δn＝0.00000575

本发明所述方法还可进一步提高精度。其原理是采用晶体石英片为增透窗片。谐振腔内有晶体石英时，分裂纵模为正交的线偏振光(o光和e光)，o光和e光的频率差为Δv_s ${\mathrm{\Δv}}_s=\frac{v}{\mathrm{Ln}}\mathrm{\δ}---\left(8\right)$

δ是晶片光程差。合理布置晶片表面法线，晶片厚度以及晶轴取向，可获得δ＝λ/4。代δ＝λ/4入式(8)，有： ${\mathrm{\Δv}}_s=\frac{v}{\mathrm{Ln}}\frac{1}{4}\mathrm{\λ}=\frac{1}{4}\frac{C}{\mathrm{Ln}}---\left(9\right)$ 参看式(1)可知： $\mathrm{\Δ}{v}_s=\frac{1}{2}{\mathrm{\Δv}}_1---\left(10\right)$ 即激光频率分裂恰为激光纵模间隔之一半，换言之激光器输出的激光束包含了多一倍的纵模、间隔变成了C/4Ln，而且相邻频率为相互正交偏振(见图4)。当反射镜[4]沿激光束轴线方向运动时，每一个Δv_s(或Δv₁/2)的频率移动将出现一次兰姆凹陷和一次换模凹陷，重复从式(1)到式(7)的推导，在满足(10)的条件下，有 $d=\frac{1}{8l}\mathrm{N\λ}---\left(11\right)$ $\mathrm{\Δn}=\frac{1}{8l}\mathrm{N\λ}---\left(12\right)$ 将(11)、(12)和(6)、(7)比较可知，(11)和(12)的测量精度提高了一倍。此外，由于o光、e光相位差相对提前还是滞后与镜片位移方向有关，如图5所示，则在信号处理部分增加一判相器，即可确定位移的方向。

本发明所述测量方法在某些应用场合测量精度还可进一步提高。增加一辅助传感器可高精度细分λ/4，其原理是：辅助传感器腔内的石英晶片使激光纵横分裂Δv_s为频差60至100MHz的两正交线偏振光(如选为70MHz)，当该光束通过其光轴与两正交偏振光振动方向成45°放置的偏振片时即形成光拍，由于激光介质反常色散效应，此光拍频率在半个换模长度内(相对于半个出光带宽)频差Δv_s有10^-3的变化，Δv_s和L的关系曲线见图6。随L的改变，每走过λ/2出现一个Δv_s相对的周期变化过程并与P～L关系曲线的两换模间隔相对应。而其一半则为λ/4，由于Δv_s和L有对应关系，由计数器测出了X点和Y点的拍频值Δv_s(X)和Δv_s(Y)则可由计算机算出Δ1和Δ2的大小，曲线Δv_s和L的关系应在测量前存于计算机中。

专用计算机给出的镜[4]的实际位移是： $d=\frac{1}{4}\mathrm{N\λ}+\mathrm{\Δ}1+\mathrm{\Δ}2---\left(13\right)$ 此方法的测量灵敏度可达到纳米量级。

辅助传感器B可单独使用，在λ/4范围内进行纳米量级测量。为了估算本发明在测量位移时测量范围，先定义两个概念：模出光频宽和模出光长度。所谓纵模出光频宽即是激光损耗线之上的激光增益线的宽度，用δv₁表出光频宽度，由式(2)可知： $\mathrm{\Δ}{v}_1=\frac{v}{L}\mathrm{\δ}{L}_1$ 式中δL₁为模出光长度，即走过一个出光频宽时，反射镜[4]移动的距离： ${\mathrm{\δL}}_1=\frac{{\mathrm{\Δv}}_1}{v}L---\left(14\right)$ 一般认为在毛细管100mm长度时，0.6328μm波长出光带宽可有800MH左右，由(14) ${\mathrm{\δL}}_1=\frac{800\×{10}^6\mathrm{Hz}}{4.74\×{10}^{14}\mathrm{HZ}}L=1.69\×{10}^{-6}L$ δL和腔长有关，

如L＝100mm    δL₁＝0.169μm

如L＝250mm    δL₁＝0.422μm

如L＝300mm    δL₁＝0.507μm但是兰姆凹陷的间距是和腔长无关的，两相邻兰姆凹陷之间总是λ/2(0.3164μm)，图7曲线画出了δL₁和L的关系。

从图7可知：

L＜187mm时，δL₁＜λ/2，相邻两凹陷曲线不相连，即在一定L范围内无激光输出。

L＝187mm时，δL₁＝λ/2，两邻凹陷恰连在一起。

L＞187mm时，δL₁＞λ/2；

L越长两相邻凹陷重迭越多，以至于凹陷消失，传感器不能工作。

以上讨论看，在800MHz出光宽时，腔长187mm为最佳位移传感器长度状态。

若不使用拍频进行超精密测量，仅计算凹陷数目，在Δv₁＞δv₁(即纵模间隔大于出光带宽)的情况下仍能进行位移测量。在Δv₁稍小于δv₁情况下，只要换模凹陷仍然存在，传感器仍可工作。L为200mm时，仍然能满足这一要求，如果增益管[1]长130mm，测量范围应为200mm-130mm＝70mm。

计数器只计算兰姆凹陷，只要一个周期的P-L曲线换模凹陷的根部不超过相邻一个周期的兰姆凹陷中心即可，即有关系：兰姆凹陷间隔 $\frac{1}{2}\mathrm{\λ}=\frac{1}{2}\mathrm{\δ}{L}_1=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\Δv}}_1}{v}L$

即          按Δv₁＝800MHz有：L＝375mm如增益管[1]为130mm，测量范围可有245mm。

使用0.6328μm光波的优点是光为可见的橙红色，调整方便。但如使用HeNe激光器的1.15μm和3.39μm这两种波长，尽管装调不方便，但由于出光带宽和换模长度要小很多，测量范围比使用0.6328μm大的多。

本发明所述测量方法的实现装置包括位移测量装置，其特征在于包括一半内腔单模氦氖激光器作为传感器，该激光器的增益管两端分别封接一谐振腔反射镜和增透窗片，另一谐振腔反射镜安装在一导轨的滑动部分上，所说的激光器输出端安装一接收激光输出功率并转成电信号的光电探测器，还包括将所说电信号进行放大整形的放大电路，将放大后的信号的凹陷数计数的计数器，以及将凹陷数转化成镜移功的专用计算器。

上述装置还可将晶体石英片作为所说的增透窗片，还包括将输出光束分为两路光的偏振分光镜，分别对两路光信号进行接收、放大、计数的二个所说的光电探测器，放大电路及计数器，将两路光相位进行判断的判相器，对两个所说计数器的数据求和并根据所说判相器的信息进行位移量及方向的计算及判断的专用计算器。

上述装置还可进一步改进，其特征在于还包括另一半内腔氦氖激光器作为辅助传感器，该激光器的增透窗片为晶体石英片，一块谐振腔反射镜也固定在所说滑动导轨上，该激光输出端依次安装有偏振片、光电探测器及计数器，该计数器的输出端与所说专用计算机相连。

本发明所述测量方法的实现装置还包括空气折射率测量装置，其特征在于包括作为传感器的一半内腔单模氦氖激光器，在该激光器谐振腔内沿光轴放置一气室，该气室两端封接增透窗片，气室侧壁有一气嘴，装置不使用时，该气嘴与大气相连，测量时，抽气泵与该气嘴相连接，在该激光器输出端安装一光电探测器，还包括对接收的信号进行放大整形的放大电路，对放大后的信号的凹陷数计数的计数器以及将凹陷数转换成空气折射率的专用计算器。

本发明所述方法实现简单，测量精度可高于现有的激光干涉仪的测量精度，且实现装置所用器件少，装配调整精度要求低，价格便宜，同样适用于用激光干涉仪进行位移及空气折射率测量的各种场合。

附图简要说明：

图1为本发明所述方法采用半内腔单模氦氖激光器示意图；

图2为本发明所述激光器的各纵模依次通过增益线G的示意图；

图3为本发明所述激光输出功率凹陷及换模凹陷示意图；

图4为本发明所述纵模分裂为o光与e光频率分布示意图；

图5为本发明所述o光与e光功率曲线相位差示意图；

图6为本发明所述拍频频差的变化示意图；

图7为本发明所述光频宽度与腔长L关系曲线示意图；

图8为本发明所述装置实施例一结构示意图；

图9为本发明所述装置实施例二结构示意图；

图10为本发明所述装置实施例三结构示意图；

图11为本发明所述装置实施例四结构示意图；

本发明列出四个实施例，分别见图8、图9、图10、图11。

实施例一见图8。

激光反射镜[2]，[4]组成一个谐振腔，增益管[1]的窗片[3]两面镀增透并和增益管[1]封接在一起。镜[4]安装在滑动导轨[6]上，[6]随被测物一起运动，元件[7]为导轨静止部分，元件[8]为激光传感头底座，[9]为传感头壳罩[7]、[8]和[9]固定成一个整体。当导规[6]随被测件左右运动时，从激光传感头左端输出的激光功率具有图[3]的波形，此凹陷波形被光电探测器[10]转化成波形相同的电信号，再由放大电路[11]放大整形，计数器[12]计出凹陷数，[13]是一专用计算器、把凹陷数按式(6)转化成镜[4]的位移。

实施例二见图9。

由于缺少判向功能，实施例一能胜任导轨[6]做单向运动的测量，本实施例二使用激光频率分裂技术，不仅具有测量位移中的判向功能而还可提高一倍的精度。

与图8相比，图9的激光传感器部分没有什么外观的变化，但图8中的元件[2]被图9的元件[201]所代替。[3]是一熔石英窗片，而[201]是封接在增益管上的一片晶体石英，由于晶体石英的双折射效应，激光的每一个纵模将分裂成两个，即激光输出多了一倍纵模，取[201]一定厚度和晶体切割角度，恰让纵模分裂量等于半个纵模间隔。即纵模间隔比不加入[201]时小了一倍。

纵模间隔小了1/2后，在HeNe增益线内就容易出现两个频率同时工作，激光器输出总功率不再有明确的兰姆凹陷和换模凹陷，要得到兰姆和换模凹陷必须使用不同于实施一的探测方法。

图9中，元件[17]是一个偏振分光镜(或片)。[17]把来自激光传感器光束中的o光、e光分成两路，o光射向光电探测器[10]，e光射向光电探测器[13]，尽管o光、e光未分开时光功率没有明显的凹陷特性，但两分开的光成分的光功率仍存在兰姆凹陷和换模凹陷，并分别由[10]和[13]转化成电信号，放大整形电路[11]，计数器[12]把o光的功率凹陷数计出。放大整形电路[14]、计数器[15]把e光的凹陷数计出。专用计算机[16]将[12]，[15]的计数求和并按式(12)转化成镜[4]的位移。

o光(用⊥号表示)和e光(用11号表示)将因镜[4]移动依次通过增益曲线G时，o光和e光的功率凹陷曲线如图5，两曲线恰好有90°位相差，两曲线整形后变成位相差90°的方波送入[18]判向并控制[16]做加法还是做减法。

电路[18]是一个在测量领域通用的判向器，决定送入专用计算机[16]的信号计数是加还是减，当镜[4]处于初始位置时将专用计算机[16]清零，即为位移零点。如[4]沿箭头方向运动为正，[16]将凹陷数取为正(加)，而在[4]运动中或运动开始时[4]做与箭头相反的方向运动，[16]将凹陷数取为负数(减)，即[18]的判向功能是决定[16]把来自[12]，[15]的信号做加法还是做减法运算。这样[16]给出[4]的实际位移。

实施例三见图10；

本实施例是为比实施例二、三更高的测量精度设计的。本实施例由主传感器A(下面的虚线框内)和辅助传感器B(上面的虚框内)组成。比较主传感器A和实施例二的图9可知，主传感器，少了计数器[12]，即计算器[16]只计算[15]的计数，因此主传感器A按式(6)计出功率凹陷数N，一个数表示反射镜[4]有λ/4的位移，判向器[18]判断反射镜[4]移动的方向。

辅助传感器B的作用是高精度细分λ/4。即探测图9中示出的Δ1和Δ2部分。

[302]同[1]，是一个HeNe激光增益管，元件[301]也是一石英晶片，和增益管[302]封接在一起。但它使激光纵模分裂Δv_s为频差60至100MHz的两正交线偏振光。如选为70MHz。元件[300]是和[4]相同的一个激光反射镜并和[4]安装在同一导轨上，随被测物一起移动。元件[304]是一偏振片，使其通光轴与两正变偏振光振动方向成45°放置，从而光通过此偏振器即形成光拍，此光拍被光电探测器[305]探测，又被放大整形器[306]整形并送入计数器[307]计数。此光拍计数在半个出光带宽4/λ内相对改变10^-3。光拍计数Δv_s和激光谐振腔长L的关系如图6，光拍计数和L是一一对应的。计出了光拍计数就知道了镜[4]小于位移λ/4的位移。

实施例四见图11；

本实施例四是用本发明测量空气折射率，空气折射率测量是测量空气成分校正仪器误差的一种基本手段。

以往测量空气折射率，是由激光干涉仪或F-P标准具。除了使用激光器外还需较为复杂的光学系统，本发明的结构相当简单。

和图8相同，反射镜[2]、[4]和HeNe增益管[1]组成半内腔式激光器，而凹陷探测仍由光电探测器[10]，放大整形[11]，计数器[12]和专用计算机[13]组成。本实施例在激光谐振腔内安装了一个玻璃管[401]。[401]经卡子[405]固定在外壳[8]内。[401]两端由增透的窗片[402]、[403]封住并有一个排气(进气)口[404]。

从抽气开始，玻璃管内空气越来越稀薄，折射率n也越来越小，直至处于真空状态。真空状态下折射率n等于1。由式(12) $n=\mathrm{\Δn}+1=1+\frac{1}{8l}\mathrm{N\λ}$

Claims (8)

1、一种高精度位移测量方法，其特征在于采用半内腔单模氦氖激光器为传感器，该激光器的增益管二端分别固定一片谐振腔反射镜及增透窗片，另一片谐振腔反射镜固定在被测物上，被测物发生位移时，探测器探测出激光输出功率周期性变化的信号，计数器记录功率凹陷数，处理器以此对应地计算出激光谐振腔长的变化值。

2、如权利要求1所述的测量方法，其特征在于所说的增透窗片采用晶体石英片，所说的激光输出光束含两正交线偏振光并先经偏振分光元件分为相位差90°的两束光，所说的探测器分别探测出这两束光功率周期性变化的信号，所说的计数器分别记录出这两束光功率凹陷数，所说的处理器将两束光信号进行判向，求和，得出被测物位移的变化方向及数值。

3、如权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于还包括另一个半内腔氦氖激光器作为辅助传感器，该激光器的增透窗片为晶体石英片，一块谐振腔反射镜也与被测物固定在一起，该辅助传感器的输出光束为有一定频差的两正交线偏振光，该输出光束通过一偏振片形成光拍，由另一探测器接收后由所说计数器计出光拍频率再送入所说的处理器对所说的测得的位移量进行细分。

4、一种高精度空气折射率的测量方法，其特征在于采用半内腔单模氦氖激光器为传感器，在该激光器谐振腔内沿光轴放置一气室，该气室两端封接增透窗片，气室侧壁有一气嘴，抽气泵与该气嘴相连接，当抽气泵开始抽气时，探测器探测出激光输出功率周期性变化的信号，计数器记录功率凹陷数，直到气室抽为真空，处理器以此对应地计算出抽气前空气折射率。

5、一种采用如权利要求1所述方法的位移测量装置，其特征在于包括一半内腔单模氦氖激光器作为传感器，该激光器的增益管两端分别封接一谐振腔反射镜和增透窗片，另一谐振腔反射镜安装在一导轨的滑动部分上，所说的激光器输出端安装一接收激光输出功率并转成电信号的光电探测器，还包括将所说电信号进行放大整形的放大电路，将放大后的信号的凹陷数计数的计数器，以及将凹陷数转化成镜位移的专用计算器。

6、如权利要求5所述的测量装置，其特征在于所说的增透窗片为晶体石英片，还包括将输出光束分为两路光的偏振分光镜，分别对两路光信号进行接收、放大、计数的二个所说的光电探测器，放大电路及计数器，将两路光相位进行判断的判相器，对两个所说计数器的数据求和并根据所说判相器的信息进行位移量及方向的计算及判断的专用计算器。

7、如权利要求6所述的测量装置，其特征在于还包括另一半内腔氦氖激光器作为辅助传感器，该激光器的增透窗片为晶体石英片，一块谐振腔反射镜也固定在所说滑动导轨上，该激光输出端依次安装有偏振片、光电探测器及计数器，该计数器的输出端与所说专用计算机相连。

8、一种采用如权利要求4所述方法的空气折射率测量装置，其特征在于包括作为传感器的一半内腔单模氦氖激光器，在该激光器谐振腔内沿光轴放置一气室，该气室两端封接增透窗片，气室侧壁有一气嘴，抽气泵与该气嘴相连接，在该激光器输出端安装一光电探测器，还包括对接收的信号进行放大整形的放大电路，对放大后的信号的凹陷数计数的计数器以及将凹陷数转换成空气折射率的专用计算器。

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