CN108254339A - 一种大量程气体折射率实时测量系统 - Google Patents

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刘晓旭
张修建
王兵
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
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Abstract

本发明属于气体折射率测量技术领域，具体涉及一种大量程气体折射率实时测量系统。可变腔长的真空腔由三个反射镜W1～W3构成，反射镜W1与W2形成一个真空腔，改变反射镜W1的位置改变真空腔的腔长；反射镜W2和W3固定不变，二者之间为空气；激光干涉系统包含四束激光干涉光路，从不同的位置分别射入可变腔长的真空腔，光束1由反射镜W1反射，光束2经过反射镜W1和真空腔由反射镜W2反射，光束3经过反射镜W1、W2和真空腔由反射镜W3反射，光束4经过反射镜W1、W2和空气由反射镜W3反射。本发明通过比较真空腔腔长改变前后干涉信号的相位差，实现气体折射率的绝对测量，然后通过实时测量真空腔内外光路光程差的相位变化，实现气体折射率的实时测量。

Description

一种大量程气体折射率实时测量系统
技术领域
本发明属于气体折射率测量技术领域，具体涉及一种基于激光干涉技术和可变腔长真空腔的大量程气体折射率实时测量系统。
背景技术
气体折射率是各类光学系统设计中特别关注的一个物理量，气体折射率的准确测量是开展光学精密测量的基础。在精密制造等需要高精度光学测量的领域中，气体折射率的实时测量是现场对高精度光学测量仪器开展误差补偿工作的有效途径，是提高光学测量仪器测量精度的重要手段之一。
目前，常见的气体折射率测量方法可分为两类：间接测量法和直接测量法。间接测量法也称为经验公式法，主要是通过测量环境的温度、湿度、压力和CO2含量，依据理论公式和实验摸索的经验公式(如著名的Edlén公式)计算获得空气折射率。该方法虽然可实现气体折射率的实时测量，但受经验公式的限制，只适用于空气，无法适用于其他气体。同时，折射率的测量范围也受公式适用范围的影响，相对较小。该方法属于本领域的公知方法。
直接测量法主要利用电磁波的特性直接对气体折射率进行测量，常用的测量原理是利用微波或光波比对其在真空中和被测气体中传输的光程差异，从而实现气体折射率的直接测量。根据实现方式的不同，现存的各种直接测量方法存在测量时间长、仪器复杂、适用范围小等缺点。如发明专利CN102221535A和CN102323237A公开了一种应用三真空管的气体折射率测量仪，尽管应用三个真空管扩大了气体折射率测量范围，但针对不同的气体，仍需要设计不同腔长的真空管，适用性仍有待提高。尽管单次测量速度可控制在1分钟之内，但仍无法做到实时测量。
发明专利CN102183486B公开了一种基于光频梳的气体折射率测量方法，利用光频梳的多波长合成实现对气体折射率的估算，可实现气体折射率的快速测量，但由于真空管长度的限制，气体折射率的测量范围仍然有限。
发明专利CN103454247A公开了应用全反射原理的大量程折射率测量装置，通过图像比较计算获得折射率，可应用于气体折射率的测量，但此方法准确度受测量原理的限制，仅可达到10-4～10-5量级，尚无法满足气体折射率的高精度测量需求。
传统依靠F-P腔的方法，属于本领域的公知方法，但需要在测量过程中进行充放气操作，无法实现气体折射率的实时测量。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提出一种能够在大量程范围内实现气体折射率实时测量的系统，使气体折射率的测量范围摆脱真空腔腔长的限制，并实现任意气体折射率的实时测量。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种大量程气体折射率实时测量系统，包含可变腔长的真空腔和激光干涉系统；可变腔长的真空腔由三个反射镜W1～W3构成，反射镜W1与W2形成一个真空腔，可通过改变反射镜W1的位置来改变真空腔的腔长；反射镜W2和W3固定不变，二者之间为空气；激光干涉系统包含四束激光干涉光路，从不同的位置分别射入可变腔长的真空腔，由不同的反射镜反射：光束1由反射镜W1反射，光束2经过反射镜W1和真空腔由反射镜W2反射，光束3经过反射镜W1、W2和真空腔由反射镜W3反射，光束4经过反射镜W1、W2和空气由反射镜W3反射。
所述的反射镜W1、W2和W3上均镀有针对激光光源波长的全反膜，其中反射镜W1和W2还开有局部透射的窗口，窗口处对激光波长高透。
所述的反射镜W1开有3的倍数个透射窗口，其中2的倍数个透射窗口位置在真空腔半径之内，保证透射过去的激光射入真空腔内，剩余1的倍数个透射窗口位置在真空腔半径之外，保证通过该窗口透射的激光射入空气。
所述的反射镜W2开有2的倍数个透射窗口，其中1的倍数个透射窗口位置在真空腔半径之内，另外1的倍数个透射窗口位置在真空腔半径之外。
所述的激光干涉系统也可包含4的倍数激光干涉光路，每四路光束为一组，与其他组的四路光束相对于真空腔的轴线呈轴对称分布，通过各组之间的干涉信号平均处理，可削弱由于真空腔反射镜变形带来的影响；激光干涉光路采用外差干涉或零差干涉光路结构，计算任意两个光束之间的相位差。
该系统的测量方法为：首先由电机带动反射镜W1移动，测量出移动前后光束1和光束2两路干涉信号的相位变化，则可通过相位变化与移动距离的关系计算出绝对折射率；而后，实时测量光束3、光束4的相位差值，即可计算出当前时刻气体折射率相对于起始测量点的折射率差值，从而实现折射率的实时测量。
本发明所取得的有益效果为：
本发明通过比较真空腔腔长改变前后干涉信号的相位差，实现气体折射率的绝对测量，然后通过实时测量真空腔内外光路光程差的相位变化，实现气体折射率的实时测量。该方法在测量过程中通过改变真空腔腔长摆脱了比较真空腔充放气前后光程差的步骤，一旦完成绝对测量，即可实现气体折射率的实时测量。该方法将绝对测量与相对测量结合到一起，避免了固定腔长真空腔对气体折射率测量范围的限制，适用于大量程的气体折射率测量。该方法采用了激光干涉的原理，可实现气体折射率的高精度测量。
附图说明
图1为气体折射率测量原理图；
图2为实施方式1中激光在反射镜上的入射位置示意图；
W1反射镜：1～4为激光入射位置，2～3为透射窗口；
W2反射镜：2～4为激光入射位置，3～4为透射窗口；
图3为实施方式2中激光在反射镜上的入射位置示意图；
W1反射镜：1～8为激光入射位置，2～3、6～8为透射窗口；
W2反射镜：2～4、6～8为激光入射位置，3、4、7、8为透射窗口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种大量程气体折射率实时测量系统包含可变腔长的真空腔和激光干涉系统，其工作过程包含绝对测量和实时测量两个步骤，测量原理如图1所示。
可变腔长的真空腔结构由三个反射镜W1～W3构成，上面开有透射窗口可使激光通过。W1与W2形成一个真空腔，可通过改变W1的位置来改变真空腔的腔长。W2和W3镜固定不变，二者之间为空气。
反射镜W1、W2和W3上均镀有针对激光光源波长的全反膜，其中反射镜W1和W2还开有局部透射的窗口，窗口处对激光波长高透。
W1开有3(或3的倍数)个透射窗口，其中2(或2的倍数)个透射窗口位置在真空腔半径之内，能够保证透射过去的激光射入真空腔内，剩余1(或1的倍数)个透射窗口位置在真空腔半径之外，保证通过该窗口透射的激光射入空气。
W2开有2(或2的倍数)个透射窗口，1(或1的倍数)个窗口位置在真空腔半径之内，另1(或1的倍数)个窗口位置在真空腔半径之外。
激光干涉系统包含4(或4的倍数)路激光干涉光路，激光干涉光路可采用外差干涉或零差干涉光路结构，计算任意两个光束之间的相位差。
四束激光光束从不同的位置分别射入可变腔长的真空腔，由不同的反射镜反射。光束1由W1镜片反射；光束2经过W1和真空腔，由W2镜片反射；光束3经过W1、W2和真空腔，由W3反射；光束4经过W1、W2和空气，由W3反射。
测量仪工作过程分为绝对测量和实时监测两个步骤。
首先由电机带动W1移动，测量出移动前后光束1和光束2两路干涉信号的相位变化，则可通过相位变化与移动距离的关系计算出绝对折射率。
而后，实时测量光束3、4的相位差值，即可计算出当前时刻气体折射率相对于起始测量点的折射率差值，从而实现折射率的实时测量。
激光干涉系统的光束数量可为4的倍数，每四路光束为一组，与其他组的四路光束相对于真空腔的轴线呈轴对称分布，通过各组之间的干涉信号平均处理，可削弱由于真空腔反射镜变形带来的影响。
实施方式1：
如图1所示，一种大量程气体折射率实时测量系统包含可变腔长的真空腔和四路激光干涉系统，其工作过程包含绝对测量和实时测量两个步骤。
可变腔长的真空腔结构由三个窗口镜片W1～W3构成，上面镀有对激光光源波长的高反膜并在某些位置开有局部透射窗口。W1通过波纹管与W2形成一个真空腔，W1可由电机控制移动，从而改变真空腔的腔长，W2和W3镜片固定，二者之间为空气。
反射镜W1、W2和W3上均镀有针对激光光源波长的全反膜，其中反射镜W1和W2还开有局部透射的窗口，窗口处对激光波长高透。
W1开有3个透射窗口，其中2个窗口位置在真空腔半径之内，能够保证透射过去的激光射入真空腔内，剩余1个透射窗口位置在真空腔半径之外，保证通过该窗口透射的激光射入空气。
W2开有2个透射窗口，1个窗口位置在真空腔半径之内，另1个窗口位置在真空腔半径之外，如图2所示。
激光干涉系统分为四束光，四束光同时射入这空腔由不同的镜片和位置反射，光束1由W1镜片反射；光束2经过W1和真空腔，由W2镜片反射；光束3经过W1、W2和真空腔，由W3反射；光束4经过W1、W2和空气，由W3反射。
整个系统的工作过程分为绝对测量和实时测量两个工作步骤。在绝对测量时，由电机带动W1镜移动一定的距离Δz1，测量出移动前后光束1和光束2两路干涉信号的相位变化ΔΦ1～ΔΦ2，在理想情况下两路干涉信号为
其中λ为真空中激光波长，n为周围环境的空气折射率，通过公式(1)(2)即可求得空气的绝对折射率n。此后，系统以此绝对折射率n为参考值，进入实时测量步骤。
在实时测量步骤中，真空腔长L保持不变，则光束3和光束4两路干涉信号之间的相位差值为
准确测量出腔长L，则可根据任意时刻的相位差值ΔΦ3,4计算出该时刻的相对空气折射率，根据之前绝对折射率的参考值，即可实现对空气折射率的实时测量。
实施方式2：
一种大量程气体折射率实时测量系统包含可变腔长的真空腔和八路激光干涉系统，其工作过程包含绝对测量和实时测量两个步骤。
本实施方式与实施方式1的区别在于：
激光干涉系统采用八路光束，每四路光束为一组，每四路光束的工作原理和工作步骤与实施方式1完全相同。
八路光束射入真空腔的位置以真空腔轴线为参考两两对称分布。
反射镜W1、W2和W3上均镀有针对激光光源波长的全反膜，其中反射镜W1和W2还开有局部透射的窗口，窗口处对激光波长高透。
其中W1开有6个透射窗口，其中4个窗口位置在真空腔半径之内，能够保证透射过去的激光射入真空腔内，剩余2个透射窗口位置在真空腔半径之外，保证通过该窗口透射的激光射入空气。
W2开有4个透射窗口，2个窗口位置在真空腔半径之内，另2个窗口位置在真空腔半径之外，如图3所示。
实施方式1中的公式(1)(2)(3)中ΔΦ1～ΔΦ2和ΔΦ3,4可依据两两对称的光束，通过对应的光束之间的相位差取平均进行计算获得。通过此方法可消除由于腔镜发生变形对测量结果造成的影响。

Claims (6)

1.一种大量程气体折射率实时测量系统，其特征在于：包含可变腔长的真空腔和激光干涉系统；可变腔长的真空腔由三个反射镜W1～W3构成，反射镜W1与W2形成一个真空腔，可通过改变反射镜W1的位置来改变真空腔的腔长；反射镜W2和W3固定不变，二者之间为空气；激光干涉系统包含四束激光干涉光路，从不同的位置分别射入可变腔长的真空腔，由不同的反射镜反射：光束1由反射镜W1反射，光束2经过反射镜W1和真空腔由反射镜W2反射，光束3经过反射镜W1、W2和真空腔由反射镜W3反射，光束4经过反射镜W1、W2和空气由反射镜W3反射。
2.根据权利要求1所述的大量程气体折射率实时测量系统，其特征在于：所述的反射镜W1、W2和W3上均镀有针对激光光源波长的全反膜，其中反射镜W1和W2还开有局部透射的窗口，窗口处对激光波长高透。
3.根据权利要求2所述的大量程气体折射率实时测量系统，其特征在于：所述的反射镜W1开有3的倍数个透射窗口，其中2的倍数个透射窗口位置在真空腔半径之内，保证透射过去的激光射入真空腔内，剩余1的倍数个透射窗口位置在真空腔半径之外，保证通过该窗口透射的激光射入空气。
4.根据权利要求2所述的大量程气体折射率实时测量系统，其特征在于：所述的反射镜W2开有2的倍数个透射窗口，其中1的倍数个透射窗口位置在真空腔半径之内，另外1的倍数个透射窗口位置在真空腔半径之外。
5.根据权利要求1所述的大量程气体折射率实时测量系统，其特征在于：所述的激光干涉系统也可包含4的倍数激光干涉光路，每四路光束为一组，与其他组的四路光束相对于真空腔的轴线呈轴对称分布，通过各组之间的干涉信号平均处理，可削弱由于真空腔反射镜变形带来的影响；激光干涉光路采用外差干涉或零差干涉光路结构，计算任意两个光束之间的相位差。
6.根据权利要求1所述的大量程气体折射率实时测量系统，其特征在于：该系统的测量方法为：首先由电机带动反射镜W1移动，测量出移动前后光束1和光束2两路干涉信号的相位变化，则可通过相位变化与移动距离的关系计算出绝对折射率；而后，实时测量光束3、光束4的相位差值，即可计算出当前时刻气体折射率相对于起始测量点的折射率差值，从而实现折射率的实时测量。
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