CN108982418B - 基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空气折射率测量装置和方法，其中，所述空气折射率测量装置包括：泵浦激光器、微腔、第一反射镜、平行平晶、真空管、空心角镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机；所述泵浦激光器输出的激光通过微腔至第一反射镜，依次经平行平晶、真空管、空心角镜、第二反射镜、分光光谱仪至计算机。本发明提供的空气折射率测量装置通过泵浦激光器、微腔、第一反射镜、平行平晶、真空管、空心角镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机测量空气折射率，在保证高精度空气折射率测量的前提下，根据光谱色散干涉原理，使测试系统易于实现小型仪器化。

Description

基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置和方法

技术领域

本发明涉及距离测量技术领域，特别涉及一种基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置和方法。

背景技术

在激光绝对距离测量领域，空气折射率的精确测量起着举足轻重的作用。通常，空气折射率主要由Edlén经验公式求解。Edlén经验公式是依据实验数据的拟合数据，其不确定度为10^-8水平。空气折射率的直接实验测量采用准合成波长法。这种方法由于测量原理的要求，测量时间较长，测量结果的准确性大打折扣。

飞秒激光器的发展引出了宽带相干激光色散干涉的空气折射率测量，测量不确定度达到10^-8水平。此类测量装置主要采用常规的锁模激光器，光源结构体积巨大，并且重复频率通常为100MHz-1.5GHz，测量后端的色散光谱探测部件因无法分辨单纵模而需要加入额外的光谱滤波元件，进一步增加系统体积。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供一种基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置。

本实施例提供的一种基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置，包括：微腔、平行平晶、真空管、空心角镜、分光光谱仪和计算机；

入射激光束在微腔内产生光学非线性效应，获得宽带频域内的纵模梳状离散分布的激光束；

所述激光束经第一反射镜入射至平行平晶，产生两路光束，并经真空管产生两路具有光程差的光束；

所述两路具有光程差的光束经空心角镜反射，再次经由真空管入射至平行平晶上重合，产生相位干涉光束；

所述干涉光束通过第二反射镜入射至分光光谱仪进行处理，获得待分析数据；

所述计算机基于所述待分析数据，计算得到空气折射率。

可选地，该装置进一步包括：作为激光束光源的泵浦激光器。

可选地，分光光谱仪包括：光栅、第三反射镜及线阵CCD；

所述相位干涉光束经光栅分光后，由第三反射镜传输至线阵CCD。

可选地，所述线阵CCD采集到的宽带相干激光的色散干涉g(ν)＝a(ν)+b(ν)cosΦ(ν)；

其中，ν为纵模频率，a(ν)为干涉光束的平均强度，b(ν)为干涉调制幅度，Φ(ν)为干涉光束相位差，Φ(ν)＝2πνα，

n(ν)为空气相折射率，L为真空管长度，c为光速。

可选地，所述计算机确定相位变化斜率与空气折射率满足如下公式：

其中，n_g为空气群折射率。

可选地，所述泵浦激光器输出的激光通过光波导或光纤进入微腔。

可选地，所述平行平晶将激光分为2束，1束沿真空管外侧传播，1束沿真空管内侧传播。

可选地，1束被反射沿真空管外侧传播，1束透射至平行平晶下表面后，内反射后沿真空管内侧传播。

可选地，2束激光经过空心角镜再次经过真空管与平行平晶，在平行平晶上表面重合叠加。

可选地，重合叠加后的光束经第二反射镜至分光光谱仪中。

可选地，所述光栅将所述相位干涉光束分为不同频率的多个光束。

一种基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量方法，方法的步骤包括：

对入射激光束进行采集，获得宽带离散激光束；

所述宽带离散激光束经平行平晶产生两路光束，并在真空管中往复传输后，在平行平晶上产生相位干涉光束；

对所述相位干涉光束进行处理，获得待分析数据；

基于所述待分析数据，计算得到空气折射率。

有益效果如下：

基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置通过泵浦激光器、微腔、第一反射镜、平行平晶、真空管、空心角镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机测量空气折射率，在保证高精度空气折射率测量的前提下，根据光谱色散干涉原理，使测试系统易于实现小型仪器化。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的具体实施例，其中：

图1为本发明实施例中的一种基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

飞秒激光器的发展引出了宽带相干激光色散干涉的空气折射率测量，测量不确定度达到10^-8水平。此类测量装置主要采用常规的锁模激光器，光源结构体积巨大，并且重复频率通常为100MHz-1.5GHz，测量后端的色散光谱探测部件因无法分辨单纵模而需要加入额外的光谱滤波元件，进一步增加系统体积。

基于此，本发明实施例提供了一种基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置，通过泵浦激光器、微腔、第一反射镜、平行平晶、真空管、空心角镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机测量空气折射率，在保证高精度空气折射率测量的前提下，根据光谱色散干涉原理，使测试系统易于实现小型仪器化。

本实施例提供的空气折射率测量装置，包括：泵浦激光器、微腔、第一反射镜、平行平晶、真空管、空心角镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机。

空气折射率测量装置，还可以包括分束器。

其中，泵浦激光器输出的激光通过微腔至第一反射镜，依次经平行平晶、真空管、空心角镜、第二反射镜、分光光谱仪至计算机。

另外，分光光谱仪可直接使用商用光谱仪，也可自行搭建，包括：光栅、第三反射镜及线阵CCD；

激光经光栅经第三反射镜至线阵CCD。

泵浦激光器输出的激光通过光波导或光纤进入微腔。

光栅对光束分光。

其中，线阵CCD采集到的宽带相干激光的色散干涉g(ν)＝a(ν)+b(ν)cosΦ(ν)。

ν为纵模频率，a(ν)为干涉光束的平均强度，b(ν)为干涉调制幅度，Φ(ν)为干涉光束相位差，Φ(ν)＝2πνα，

n(ν)为空气相折射率，L为真空管长度，c为光速。

另外，平行平晶将激光分为2束，1束沿真空管外侧传播，1束沿真空管内侧传播。

具体的，1束被反射沿真空管外侧传播，1束透射至平行平晶下表面后，内反射后沿真空管内侧传播。2束激光经过空心角镜再次经过真空管与平行平晶，在平行平晶上表面重合叠加。重合叠加后的光束经第二反射镜至分光光谱仪中。

另外，计算机确定相位变化斜率与空气折射率满足如下公式：

其中，n_g为空气群折射率。

上述空气折射率测量装置为一种微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置。可以在保证高精度空气折射率测量的前提下，根据光谱色散干涉原理，采用微腔锁模激光，由此可减小光源体积，并且使测试系统易于实现小型仪器化。

图1示出了本实施例提供的空气折射率测量装置的一种实现结构。包括泵浦激光器、微腔、第一反射镜、平行平晶、真空管、空心角镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机。其中，分光光谱仪可直接使用商用光谱仪，也可自行搭建，其主要部件包括光栅、第三反射镜及线阵CCD。

泵浦激光器通过光波导或光纤直接微腔，可以产生宽带、相干离散激光纵模序列。宽带激光经第一反射镜引导至平行平晶，在平行平晶上表面A点分为两束，一束被反射沿真空管外侧传播(实线)，另一束透射至平行平晶下表面后，内反射后沿真空管内侧传播(虚线)。两束激光经过空心角镜再次经过真空管与平行平晶，在平行平晶上表面B点重合叠加。虽然，两束激光在A、B两点之间经过物理长度L相同(实线与虚线部分长度相等)，但真空管使得两束激光历经不同的光程，因此，具有相位差。干涉光束经第二反射镜引入分光光谱仪中。实际中，亦可自行搭建分光光谱仪。光栅对干涉光束分光，不同频率的干涉光束被线阵CCD探测采集。采用第三反射镜增加径向距离，可提高光谱空间分辨能力。线阵CCD将测量数据传输至计算机中，完成数据处理，计算出空气折射率。

其中，泵浦激光器通过光波导或光纤直接泵浦微腔，可以产生宽带、相干离散激光纵模序列。纵模间隔序列的频率间隔通常为10GHz量级，直接达到普通光栅的分光能力。线阵CCD采集到的宽带相干激光的色散干涉可表示为

g(ν)＝a(ν)+b(ν)cosΦ(ν) (1)

其中，ν为纵模频率，a(ν)为干涉光束的平均强度，b(ν)为干涉调制幅度，Φ(ν)为干涉光束相位差，Φ(ν)＝2πνα，

n(ν)为空气相折射率，L为真空管长度，c为光速。

公式(1)的复数表达式为

对公式(2)作傅里叶变换为

其中，t为距离引起的时延，δ(t)为狄拉克函数。可以看到，公式(3)中的α包含了长度L信息，对G(t)滤波并进行傅里叶反变换，得到

g′(ν)中的相位项可通过反正切函数解算

反正切函数计算值位于[-π,π]，对其解包裹得到连续变化的相位信息，相位变化斜率为

其中，n_g为空气群折射率。

至此，公式(6)建立了相位变化斜率与空气折射率的联系。需要注意的是，公式(6)中真空管长度L是空气折射率测量精度的限制因素，可采用精密三坐标测量机获得L。

有益效果：基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置通过泵浦激光器、微腔、第一反射镜、平行平晶、真空管、空心角镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机测量空气折射率，在保证高精度空气折射率测量的前提下，根据光谱色散干涉原理，使测试系统易于实现小型仪器化。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的型号、连接方式等均可有所变化，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种基于微腔激光色散干涉法的空气折射率测量装置，其特征在于，包括：微腔、平行平晶、真空管、空心角镜、分光光谱仪和计算机；

该装置进一步包括：作为激光束光源的泵浦激光器，所述泵浦激光器输出的激光通过光波导或光纤进入微腔；

入射激光束在微腔内产生光学非线性效应，获得宽带频域内的纵模梳状离散分布的激光束；

所述激光束经第一反射镜入射至平行平晶，产生两路光束，并经真空管产生两路具有光程差的光束；

所述两路具有光程差的光束经空心角镜反射，再次经由真空管入射至平行平晶上表面重合，产生相位干涉光束；

所述干涉光束通过第二反射镜入射至分光光谱仪进行处理，获得待分析数据；所述分光光谱仪包括：光栅、第三反射镜及线阵CCD；所述相位干涉光束经光栅分光后，由第三反射镜传输至线阵CCD；

所述线阵CCD采集到的宽带相干激光的色散干涉g(ν)＝a(ν)+b(ν)cosΦ(ν)；

其中，ν为纵模频率，a(ν)为干涉光束的平均强度，b(ν)为干涉调制幅度，Φ(ν)为干涉光束相位差，Φ(ν)＝2πνα，

n(ν)为空气相折射率，L为真空管长度，采用精密三坐标测量机测量，c为光速；

所述计算机基于所述待分析数据，计算得到空气折射率，所述计算机确定相位变化斜率与空气折射率满足如下公式：

其中，n_g为空气群折射率。

2.根据权利要求1所述的空气折射率测量装置，其特征在于，所述平行平晶将激光束分为两路光束，一路光束沿真空管外侧传播，另一路沿真空管内侧传播。

3.根据权利要求2所述的空气折射率测量装置，其特征在于，两路光束经过空心角镜反射，再经过真空管传输后，在平行平晶上表面重合叠加，形成相位干涉光束。

4.根据权利要求3所述的空气折射率测量装置，其特征在于，所述光栅将所述相位干涉光束分为不同频率的多个光束。

5.一种使用如权利要求1-4中任一项所述的空气折射率测量装置的空气折射率测量方法，器特征在于，方法的步骤包括：

对入射激光束进行处理，获得宽带激光束；

所述宽带离散激光束经平行平晶产生两路光束，并在真空管中往复传输后，在平行平晶上表面产生相位干涉光束；

对所述相位干涉光束进行采集，获得待分析数据；

基于所述待分析数据，计算得到空气折射率。

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