CN105445225B - 一种气体群折射率的测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种气体群折射率的测量装置及测量方法，属于光学测量领域。该方法为：在波纹管内充入需要测量群折射率的气体；利用上平面镜调整台和下平面镜调整台将上平面镜下表面和下平面镜上表面调节平行；将双频激光干涉仪的示数置零，将镜面定位仪软件中空气的群折射率设置为，利用镜面定位仪测量此时上平面镜下表面和下平面镜上表面之间的距离d1；调整上移动台使上平面镜移动，读取此时双频激光干涉仪上的示数，得到上移动台移动的距离Δd，利用镜面定位仪测量此时上平面镜下表面和下平面镜上表面之间的距离d2；气体的群折射率n＝(d1‑d2)/Δd。本发明的装置结构简单、成本低、测量精度高。本发明的方法具有测量过程简单、检测不确定度高、测量精度高等优点。

Description

一种气体群折射率的测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种气体群折射率的测量装置及测量方法。
背景技术
相对于常规所说的折射率概念，材料及气体的群折射率不仅包含了折射率的含义，还体现了材料及气体的色散性质。近年来，随着飞秒冲激光、宽带光通信技术以及低相干光医学诊断技术的发展，其对光学元件的色散特性要求越来越高，因此精确测量光学材料及气体的群折射率也成为新的研究热点。虽然测试折射率的方法发展比较成熟并得到了商业化推广，但是对群折射率的精确而快速测量仍是一个亟需决的难题。
白光干涉方法以其结构简单和成本低廉等优点近年来已被广泛应用到光学元件的色散测量中。Murph等人最早将基于窗口傅里叶变换的白光干涉方法用于高色散材料的群折射率测量。随后，Reolon等人提出利用小波变换算法从干涉信号的小波脊中提取相位，进而得到材料的群折射率。但是这两种方法均不能克服相位求导过程中引入的误差放大效应最近，Kim等人提出将白光干涉仪和共焦扫描显微镜相结合来同时量材料的群折射率和厚度，但是需要机械扫描来测试宽波段的色散，因而测量过程比较复杂。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种气体群折射率的测量装置及测量方法，用于精确测量各种气体的群折射率。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种气体群折射率的测量装置，包括：上移动台、用于测量上移动台位移值的双频激光干涉仪系统、安装在上移动台上的上平面镜调整台、安装在上平面镜调整台上的上平面镜、下平台、安装在下平台上的下平面镜调整台、安装于下平面镜调整台上的下平面镜、设置在上移动台和下平台两侧的导轨、连接在上移动台和下平台之间的波纹管、放置于下平台下端中心位置的镜面定位仪；
所述上移动台、下平台和波纹管三者之间形成一个密封的空间，此密封空间内充入需要测量群折射率的气体；
所述镜面定位仪出射的激光一部分透过下平面镜上表面，一部分被下平面镜上表面反射回镜面定位仪中，其中由下平面镜上表面透射的激光被上平面镜下表面反射回镜面定位仪中，通过镜面定位仪测量上移动台移动前后下平面镜上表面和上平面镜下表面之间的距离，获得上移动台的位移距离测量值。
进一步的，所述双频激光干涉仪系统包括双频激光干涉仪、三个导光元件以及安装在上移动台上的三个反射角锥；所述双频激光干涉仪出射的激光经过三个导光元件分为三束，分束后的激光经过上移动台上的三个反射角锥反射形成双频激光干涉位移测量光路，用于测量上移动台的位移值。
本发明还提供了一种气体群折射率的测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、在波纹管内充入需要测量群折射率的气体；
步骤二、利用上平面镜调整台和下平面镜调整台将上平面镜下表面和下平面镜上表面调节平行；
步骤三、将双频激光干涉仪的示数置零，将镜面定位仪软件中空气的群折射率设置为，利用镜面定位仪测量此时上平面镜下表面和下平面镜上表面之间的距离d1；
步骤四、调整上移动台使上平面镜移动，读取此时双频激光干涉仪上的示数，得到上移动台移动的距离Δd，利用镜面定位仪测量此时上平面镜下表面和下平面镜上表面之间的距离d2；
步骤五、计算得到气体的群折射率n＝(d1-d2)/Δd。
本发明的有益效果是：本发明的一种气体群折射率的测量装置，利用双频激光干涉仪以及镜面定位仪同时侧量一段移动的距离，根据两种仪器测量结果的差别，计算出所测气体的群折射率，该装置结构简单、成本低、测量精度高。
本发明的一种气体群折射率的测量装置可以用于精确测量各种气体的群折射率。
本发明的一种气体群折射率的测量方法，该方法具有测量过程简单、检测不确定度高、测量精度高等优点。
附图说明
图1为本发明的一种气体群折射率的测量装置的结构示意图。
图中：1、双频激光干涉仪，2、双频激光干涉仪测量光路，3a、第一导光元件，3b、第二导光元件，3c、第三导光元件，4a、第一反射角锥，4b、第二反射角锥，4c、第三反射角锥，5、上平面镜调整台，6、上平面镜，7、下平面镜调整台，8、下平面镜，9、上移动台，10、下平台，11、导轨，12、镜面定位仪，13、镜面定位仪测量光路，14、波纹管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种气体群折射率的测量装置，主要包括：双频激光干涉仪系统、上平面镜调整台5、上平面镜6、下平面镜调整台7、下平面镜8、上移动台9、下平台10、导轨11、镜面定位仪12和波纹管14。双频激光干涉仪系统包括双频激光干涉仪1、三个导光元件3a、3b、3c以及三个反射角锥4a、4b、4c。
双频激光干涉仪1出射的激光经过三个导光元件3a、3b、3c分为三束，分束后的激光经过上移动台9上的三个反射角锥4a、4b、4c反射形成双频激光干涉位移测量光路2，从而获得上移动台9的位移值。
上平面镜6安装在上平面镜调整台5上，上平面镜调整台5安装在上移动台9上，下平面镜8安装于下平面镜调整台7上，下平面镜调整台7安装在下平台10上，上移动台9和下平台10两侧设置有导轨11，波纹管14连接在上移动台9和下平台10之间，使得上移动台9、下平台10和波纹管14三者之间形成一个密封的空间，此密封空间内可以充入需要测量群折射率的气体。
镜面定位仪12放置于下平台10下端中心位置，镜面定位仪12出射的激光一部分透过下平面镜8上表面，一部分被下平面镜8上表面反射回镜面定位仪12中；由下平面镜8上表面透射的激光被上平面镜6下表面接收并反射回镜面定位仪12中，由此形成镜面定位仪测量光路13。通过镜面定位仪12测量上移动台9移动前后下平面镜8上表面和上平面镜6下表面之间的距离，由此获得上移动台9的位移距离测量值。
在波纹管14内充入需要测量群折射率的气体，利用上平面镜调整台5和下平面镜调整台7将上平面镜6上表面和下平面镜8下表面调节平行，将镜面定位仪12软件中空气的群折射率设置为1，调整上移动台9使上平面镜6移动一段距离，利用镜面定位仪12移动和双频激光干涉仪1分别测量上平面镜6移动的距离，镜面定位仪12和双频激光干涉仪1测量的距离结果的比值即为所测气体的群折射率。
本发明的一种气体群折射率的测量装置可以用于各种气体群折射率的测量，如空气、氧气、氮气等。
本发明的一种气体群折射率的测量方法，具体步骤如下：
步骤一、在波纹管14内充入需要测量群折射率的气体。
步骤二、利用上平面镜调整台5和下平面镜调整台7将上平面镜6下表面和下平面镜8上表面调节平行。
步骤三、将双频激光干涉仪1的示数置零，将镜面定位仪12软件中空气的群折射率设置为1，利用镜面定位仪12测量此时上平面镜6下表面和下平面镜8上表面之间的距离d1。
步骤四、调整上移动台9使上平面镜6移动一段距离，读取此时双频激光干涉仪1上的示数，得到上移动台9移动的距离Δd，利用镜面定位仪12测量此时上平面镜6下表面和下平面镜8上表面之间的距离d2。
步骤五、通过计算得到气体的群折射率n即为n＝(d1-d2)/Δd。
具体实施方式一
以空气为例说明气体群折射率的测量装置的使用方法。
步骤一、将空气充入本发明的气体群折射率的测量装置的波纹管14内。
步骤二、利用上平面镜调整台5和下平面镜调整台7将上平面镜6下表面和下平面镜8上表面调节平行。
步骤三、将双频激光干涉仪1的示数置零，将镜面定位仪12软件中空气的群折射率设置为1，利用镜面定位仪12测量此时上平面镜6下表面和下平面镜8上表面之间的距离d1＝270.234140。
步骤四、调整上移动台9使上平面镜6移动一段距离，读取此时双频激光干涉仪1上的示数，得到上移动台9移动的距离Δd＝45.547628mm，利用镜面定位仪12测量此时上平面镜6下表面和下平面镜8上表面之间的距离d2＝224.674173。
步骤五、通过计算得到空气的群折射率n即为n＝(d1-d2)/Δd＝1.0002709。

Claims (3)

1.一种气体群折射率的测量装置，其特征在于，包括：上移动台(9)、用于测量上移动台(9)位移值的双频激光干涉仪系统、安装在上移动台(9)上的上平面镜调整台(5)、安装在上平面镜调整台(5)上的上平面镜(6)、下平台(10)、安装在下平台(10)上的下平面镜调整台(7)、安装于下平面镜调整台(7)上的下平面镜(8)、设置在上移动台(9)和下平台(10)两侧的导轨(11)、连接在上移动台(9)和下平台(10)之间的波纹管(14)、放置于下平台(10)下端中心位置的镜面定位仪(12)；
所述上移动台(9)、下平台(10)和波纹管(14)三者之间形成一个密封的空间，此密封空间内充入需要测量群折射率的空气；
所述镜面定位仪(12)出射的激光一部分透过下平面镜(8)上表面，一部分被下平面镜(8)上表面反射回镜面定位仪(12)中，其中由下平面镜(8)上表面透射的激光被上平面镜(6)下表面反射回镜面定位仪(12)中，通过镜面定位仪(12)测量上移动台(9)移动前后下平面镜(8)上表面和上平面镜(6)下表面之间的距离，获得上移动台(9)的位移距离测量值。
2.根据权利要求1所述的一种气体群折射率的测量装置，其特征在于，所述双频激光干涉仪系统包括双频激光干涉仪(1)、三个导光元件(3a、3b、3c)以及安装在上移动台(9)上的三个反射角锥(4a、4b、4c)；所述双频激光干涉仪(1)出射的激光经过三个导光元件(3a、3b、3c)分为三束，分束后的激光经过上移动台(9)上的三个反射角锥(4a、4b、4c)反射形成双频激光干涉位移测量光路(2)，用于测量上移动台(9)的位移值。
3.如权利要求1所述的一种气体群折射率的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在波纹管(14)内充入需要测量群折射率的空气；
步骤二、利用上平面镜调整台(5)和下平面镜调整台(7)将上平面镜(6)下表面和下平面镜(8)上表面调节平行；
步骤三、将双频激光干涉仪(1)的示数置零，将镜面定位仪(12)软件中空气的群折射率设置为1，利用镜面定位仪(12)测量此时上平面镜(6)下表面和下平面镜(8)上表面之间的距离d1；
步骤四、调整上移动台(9)使上平面镜(6)移动，读取此时双频激光干涉仪(1)上的示数，得到上移动台(9)移动的距离Δd，利用镜面定位仪(12)测量此时上平面镜(6)下表面和下平面镜(8)上表面之间的距离d2；
步骤五、计算得到气体的群折射率n＝(d1-d2)/Δd。
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