CN107941754B - 一种气体折射率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气体折射率测量装置的测量方法，该装置包括宽谱光源、电光调制器和计算器，宽谱光源输出端连接第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的一个输出端与气体测量池连接，气体测量池的输出光和第一光纤耦合器的输出光经过第二光纤耦合器合束，第一光纤耦合器、气体测量池和第二光纤耦合器构成一个马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪的输出端连接电光调制器，电光调制器输出的调制信号经过色散光纤后入射到高速光电探测器上，高速光电探测器将光信号装换成微波信号并通过低噪放放大，低噪放输出端连接微波功分器；本发明可实现高精度折射率的测量，同时也适用于测量透明液体和固体的折射率。

Description

一种气体折射率的测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，具体为一种气体折射率的测量方法。

背景技术

折射率是光在真空(因为在空气中与在真空中的传播速度差不多，所以一般用在空气的传播速度)中的速度与光在该材料中的速度之比率。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力也就越强。折射率越高，镜片越薄，即镜片中心厚度相同，相同度数同种材料，折射率高的比折射率低的镜片边缘更薄。折射率与介质的电磁性质密切相关，折射率是表征物质光学物质特性的基本物理量，该参数是决定物质合成、制造和在各领域中应用的重要条件。

目前气体折射率的测量方法有光干涉法、表面等离子提共振法、光纤传感方法和临界角法，这些方法往往存在测量分辨率不高的缺陷，不能满足精确测量的要求，因此本发明提出一种新的基于微波光子技术的微波气体折射率测量方法，已解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有气体折射率测量装置测量分辨率不高的缺陷，提供一种气体折射率的测量装置，从而解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明为一种气体折射率的测量装置，包括宽谱光源、电光调制器和计算器，宽谱光源输出端连接第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的一个输出端与气体测量池连接，气体测量池的输出光和第一光纤耦合器的输出光经过第二光纤耦合器合束，第一光纤耦合器、气体测量池和第二光纤耦合器构成一个马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪的输出端连接电光调制器，电光调制器输出的调制信号经过色散光纤后入射到高速光电探测器上，高速光电探测器将光信号装换成微波信号并通过低噪放放大，低噪放输出端连接微波功分器，微波功分器将一部分微波信号注入到电光调制器中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪，频谱仪末端连接计算机。

作为本发明的一种优选技术方案，电光调制器、色散光纤、高速光电探测器、低噪放和微波功分器组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与马赫曾德干涉仪的输出端相连接，能够将马赫曾德干涉仪输出端产生的正弦梳状谱注入光电振荡器环路中，并通过光电振荡器环路产生微波信号。

作为本发明的一种优选技术方案，气体测量池包括左自聚焦透镜、右自聚焦透镜和进气阀，两个自聚焦透镜之间的距离为d，且各器件都密封安装在气体测量池的铝外壳中，通过在气体测量池中注入待测气体导致马赫曾德干涉仪光程差的改变，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测气体的折射率。

作为本发明的一种优选技术方案，宽谱光源可采用高斯型或矩形光源作为发射光源，使得光源发射装置的选择性更高。

本发明所达到的有益效果是：本发明为一种气体折射率的测量装置，通过第一光纤耦合器，气体测量池和第二光纤耦合器构成马赫曾德干涉仪，使得宽谱光源经该干涉仪后，当干涉仪两臂光程差在光源相干范围内时，在干涉仪的输出端将产生干涉条纹，该干涉条纹在频域上为一正弦梳状谱；通过电光调制器，色散光纤，高速光电探测器，低噪放和微波功分器构成光电振荡器环路，将光信号装换成微波信号并测量输出微波信号的中心频率；通过设置的气体测量池，能够改变马赫曾德干涉仪光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测气体的折射率；本发明提出的测试原理和方法可实现高精度折射率的测量，同时也适用于测量透明液体和固体的折射率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明系统框架结构示意图；

图2是本发明气体测量池结构示意图。

图中标号：101：宽谱光源；102：光纤起偏器；103：光纤耦合器；104：气体测量池；105：电光调制器；106：光纤耦合器；107：色散光纤；108：高速光电探测器；109：低噪放；201：微波功分器；202：频谱仪；203：计算机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：宽谱光源101(可采用高斯型或矩形宽谱光源)经光纤起偏器102后进入一光纤耦合器103。该光纤耦合器的一个输出端和气体测量池104连接。光纤耦合器103的另一路光进入一电光调制器105，该调制器的输出光和气体测量池104的输出光经过光纤耦合器106合束。光纤耦合器103，气体测量池104，电光调制器105和光纤耦合器106构成一个马赫曾德干涉仪。该干涉仪的两臂的两路光通过光纤耦合器合路后进入色散补偿光纤107，两路光经色散补偿光纤后将产生延时，经过延时的光信号通过高速光电探测器108实现光电转换并通过低噪放109放大，放大后的微波信号经过微波功分器201后分成两路，一路注入到电光调制器105中，从而将电光调制器105，光纤耦合器106，色散补偿光纤107，高速光电探测器108，低噪放109和功分器201组成一个光电振荡器环路，使得环路有微波信号产生，并且该微波信号的输出频率与马赫曾德干涉仪的两臂光程差有关。由光电振荡器产生的微波信号通过电光调制器105被调制到光域上，该光载微波信号经过色散补偿光纤107后入射到高速光电探测器108上，该探测器将光信号装换成微波信号，该微波信号通过低噪放109放大后经过一个微波功分器201功分后，一部分微波信号注入到电光调制器105中，一部分信号通过频谱仪202来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率并通过计算机203来记录该微波信号中心频率的变化。

气体测量池结构如图2所示：

气体测量池通过进气阀303将气体注入进测量池中，301和302分别为通光的自聚焦透镜，形成光路的对射，两个自聚焦透镜之间的距离为d，所有器件都密封安装在气体测量池的铝外壳304中。

具体测量原理如下：

本测量方法的原理是通过在气体测量池中注入待测气体导致马赫曾德干涉仪光程差的改变，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测气体的折射率。宽谱光源经过马赫曾德干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：

宽谱光源的电场可表示为：

式中ω为光源频率。则光源的光功率谱密度可表示为：

T(ω)＝|E(ω)|² (2)

光源经干涉以后，光路1中的气体测量池在注入待测气体前后，由于光路中气体折射率的变化，导致各光谱成份产生了一定的延时，在频域上可表示为：

E₁(ω)＝A₁E(ω)e^jωΔτ (3)

上式中A₁为光路1的幅度衰减系数，Δτ为待测气体相对与测量池中无气体时折射率的变化而引入的延迟量，可表示为：

式中c为光速，n为待测气体的折射率，d为气体测量池中两个自聚焦透镜之间的距离。干涉仪的光路2被射频信号调制，被调制后的光在频域上可表示为：

上式中A₂为光路2的幅度衰减系数，ξ为射频信号的角频率，

为调制的载波和边带之间的相位差。两路光经过干涉仪的第二个耦合器后，输出为：

干涉仪的输出经过一段色散光纤延时后，光载波发生了一个时延，该时延线的电场传递函数可表示为：

H(ω)＝|H(ω)|e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)为色散光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：

式中，τ(ω₀)为中心频率为ω₀时的群时延，β为光纤的色散，其单位为ps²/km，β可表示为：

式中D(ps/km/nm)为光纤的色散系数，λ₀为光源波长。

光电振荡器输出的响应函数可表示为：

H_RF(ξ)＝∫T(ω)[H^*(ω)H(ω+ξ)+H(ω)H^*(ω-ξ)]dω (10)

由式(6)——(9)可得响应函数为：

上式中H(ω)为理想的光电振荡器的响应函数，可表示为：H(ξ)＝∫T(ω)exp[-jξβL(ω-ω₀)]^dω(11)

由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

根据式(4)可得，待测气体的折射率为：

由上式可知，根据光电振荡器输出的射频信号的频率，光源的中心波长，气体测量池中两自聚焦透镜之间的距离，色散光纤的色散值和长度就可以得到待测气体的折射率。本发明提出的测量系统需要先确定光电振荡器中的色散光纤的长度和色散值，光源的中心频率，根据上述参数计算两自聚焦透镜之间的距离使得光电振荡器输出的微波信号的频率在常用频谱仪测量频段范围内(不失为一般性，一般频谱仪的频率带宽为几十KHz——26.5GHz)。本系统的分辨率可通过设置式(13)中的各项参数来改变。由式(12)可知光电振荡器输出的微波信号的中心频率3dB带宽可达80MHz左右，不失为一般性通过调节干涉仪两臂光程差使得系统输出的微波信号的频率分辨率为100MHz，色散光纤为1km，色散系数为-150ps/km/nm时，光源中心波长为1550nm，气体测量池中两自聚焦透镜之间的距离为10cm时，测试系统的折射率测量分辨率可达0.00024，从而可实现高精度折射率的测量。本发明提出的测试原理和方法也同样适用于测量透明液体和固体的折射率。

本发明提出的气体折射率测量系统的工作流程如下所示：

上电后，调制器驱动板通过程序自动控制强度型光调制器工作在线性工作点。调制器工作点确定后，先不将待测气体充入到气体测量池中，此时记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f₁。将待测气体充入到气体测量池中，再次记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f₂。根据式(13)就可以得到待测光学元器件的厚度为

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (1)

1.一种气体折射率的测量方法，该测量装置包括宽谱光源、电光调制器和计算器，宽谱光源输出端连接第一光纤耦合器，第一光纤耦合器的一个输出端与气体测量池连接，第一光纤耦合器的另一路进入一电光调制器，所述电光调制器的输出端和所述气体测量池的输出端经过经过第二光纤耦合器合束，第一光纤耦合器、气体测量池、电光调制器和第二光纤耦合器构成一个马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪的输出端连接色散补偿光纤，两路光经色散补偿光纤后产生延时，经过延时的光信号入射到高速光电探测器上，高速光电探测器将光信号装换成微波信号并通过低噪放放大，低噪放输出端连接微波功分器，微波功分器将一部分微波信号注入到电光调制器中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪，频谱仪末端连接计算机；

其特征在于：通过电光调制器，第二光纤耦合器，色散补偿光纤，高速光电探测器，低噪放和微波功分器构成光电振荡器环路，将光信号装换成微波信号并测量输出微波信号的中心频率；通过设置的气体测量池，能够改变马赫曾德干涉仪光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测气体的折射率；

通过在气体测量池中注入待测气体导致马赫曾德干涉仪光程差的改变，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测气体的折射率，气体折射率测量系统的工作流程如下：上电后，调制器驱动板通过程序自动控制强度光调制器工作在线性工作点，调制器工作点确定后，先不将待检测气体充入到气体检测池中，此时记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f1,将待检测气体充入到气体检测池中，再次记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f2；

宽谱光源经过马赫曾德干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：

宽谱光源的电场可表示为：

式中ω为光源频率，则光源的光功率谱密度可表示为：

T(ω)＝|E(ω)|² (2)

光源经干涉以后，光路1中的气体测量池在注入待测气体前后，由于光路中气体折射率的变化，导致各光谱成份产生了一定的延时，在频域上可表示为：

E₁(ω)＝A₁E(ω)e^jωΔτ (3)

上式中A₁为光路1的幅度衰减系数，Δτ为待测气体相对与测量池中无气体时折射率的变化而引入的延迟量，可表示为：

式中c为光速，n为待测气体的折射率，d为气体测量池中两个自聚焦透镜之间的距离，干涉仪的光路2被射频信号调制，被调制后的光在频域上可表示为：

上式中A₂为光路2的幅度衰减系数，ξ为射频信号的角频率，

为调制的载波和边带之间的相位差，两路光经过干涉仪的第二个耦合器后，输出为：

干涉仪的输出经过一段色散光纤延时后，光载波发生了一个时延，该时延线的电场传递函数可表示为：

H(ω)＝|H(ω)|e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)为色散光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：

式中，τ(ω₀)为中心频率为ω₀时的群时延，β为光纤的色散，其单位为ps²/km，β可表示为：

式中D(ps/km/nm)为光纤的色散系数，λ₀为光源波长；

光电振荡器输出的响应函数可表示为：

H_RF(ξ)＝∫T(ω)[H^*(ω)H(ω+ξ)+H(ω)H^*(ω-ξ)]dω (10)

由式(6)——(9)可得响应函数为：

上式中H(ω)为理想的光电振荡器的响应函数，可表示为

H(ξ)＝∫T(ω)exp[-jξβL(ω-ω₀)]dω (11)

由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

根据式(4)可得，待测气体的折射率为：

由上式可知，根据光电振荡器输出的射频信号的频率，光源的中心波长，气体测量池中两自聚焦透镜之间的距离，色散光纤的色散值和长度就能够得到待测气体的折射率。

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