CN113358602B - 基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置和方法，本装置包括：主珐珀单元、副珐珀单元、激光单元、控制单元、光电单元；激光单元用于产生两束不同波长的激光，主、副珐珀单元用于形成不同的测量光束，光电单元用于得到对应的测量信号，控制单元用于对测量信号进行解调，计算空气折射率；本方法包括：激光单元同时产生两束波长不等的激光，通过不同的珐珀单元形成两束测量光束，通过光电单元得到两个测量信号，控制单元判断两个测量信号是否均达到干涉峰值，从而计算空气折射率。本申请能够实现10^‑10的测量精度，且简单易操作。

Description

基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置和方法

技术领域

本申请属于空气折射率测量领域，具体涉及基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置和方法。

背景技术

空气折射率在光学精密测量等领域有着非常重要的作用，往往影响着最后测量结果的准确性。在光学精密测量中，对空气折射率进行补偿，可以很大程度上提升测量精度。特别是在使用激光干涉仪进行大量程的测量时，空气折射率的影响变得很大，这时必须精确地对空气折射率进行测量。

目前空气折射率的测量方法，包括激光合成波长法、瑞利干涉测量法、波纹管双干涉测量法等。这些方法中激光干涉法的测量精度取决于干涉小数的测量精度，一般在10^-8，且受到电子细分的限制很难有进一步的提升。

发明内容

本申请提出了基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置和方法，通过主珐珀单元和副珐珀单元，分别形成主副测量信号，利用光学游标原理解调出光程变化的大小数，实现空气折射率的高精度测量，解决现有测量技术中测量精度不高的问题。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置，包括：主珐珀单元、副珐珀单元、激光单元、控制单元、光电单元；

所述激光单元用于产生主激光束和副激光束，所述主激光束的波长和所述副激光束的波长不同；

所述主珐珀单元用于形成所述主激光束的主测量光束；

所述副珐珀单元用于形成所述副激光束的副测量光束；

所述光电单元用于分别得到所述主测量光束对应的主测量信号和所述副测量光束对应的副测量信号；

所述控制单元用于判断所述主测量信号和所述副测量信号是否均达到稳定状态，所述控制单元还用于对所述主测量信号和所述副测量信号进行解调，并根据解调的结果计算空气折射率。

优选的，所述主珐珀单元包括主谐振平面镜、真空腔和反射镜；

所述副珐珀单元包括副谐振平面镜和所述反射镜；

所述控制单元还用于控制所述反射镜产生位移以及所述真空腔的充气或放气。

优选的，所述真空腔的两端均为全透镜。

优选的，所述真空腔侧壁设置有气孔，所述气孔用于抽出所述真空腔内的空气或向所述真空腔内充入空气。

优选的，所述测量装置还包括位移台，所述位移台与所述反射镜固定连接，所述位移台用于在所述控制单元的控制下带动所述反射镜产生位移。

本申请还公开了基于可充放气式真空腔的空气折射率测量方法，包括如下步骤：

同时产生主激光束和副激光束，所述主激光束的波长和所述副激光束的波长不相等，所述主激光束射向带有真空腔的主珐珀单元，所述副激光束射向无真空腔的副珐珀单元，所述主珐珀单元和所述副珐珀单元包含有共同的反射镜；

通过所述主珐珀单元形成所述主激光束对应的主测量光束，通过所述副珐珀单元形成所述副激光束对应的副测量光束；

根据所述主测量光束得到主测量信号，根据所述副测量光束得到副测量信号；

当所述主测量信号和所述副测量信号均达到稳定状态后，抽出所述真空腔内空气至真空状态后，对所述主测量信号和所述副测量信号进行解调，根据所述解调的结果控制所述反射镜的位移，当所述主测量信号和所述副测量信号同时达到干涉峰值时，得到所述反射镜的初始位置；

向所述真空腔充入空气至标准大气压，记录充气过程中主测量信号的干涉峰值变化个数；

移动所述反射镜，当所述主测量信号和所述副测量信号再次同时达到干涉峰值点时，得到所述反射镜的扫描位置；

基于所述主激光束的波长、所述副激光束的波长、所述真空腔的长度、所述干涉峰值变化个数、所述反射镜的所述初始位置和所述扫描位置，计算空气折射率，完成空气折射率测量。

优选的，获取所述主测量信号的干涉峰值变化个数的方法包括：通过对所述主测量信号进行解调，得到所述干涉峰值变化个数。

优选的，空气折射率计算公式如下：

其中，n为空气折射率，λ₀为所述主激光束的波长，λ₁为所述副激光束的波长，l₀为位移台的初始位置，l₁为位移台的扫描位置，L为所述真空腔的腔长，N为所述主测量信号的干涉峰值变化个数。

本申请的有益效果为：

本申请公开了基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置和方法，两束波长不等的激光分别通过主珐珀单元和副珐珀单元，形成主、副两个测量信号，通过对主、副两个测量信号的解调判断，实现了10^-10的空气折射率测量精度，大幅提高了现有技术的测量精度；另外，由于两束激光的干涉路径完全不同，也提高了抗干扰能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为Fabry-Perot腔的变化对不同波长的激光产生的干涉峰影响示意图；

图2为本申请实施例中基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置的结构示意图；

图3为本申请实施例中基于可充放气式真空腔的空气折射率测量方法的流程示意图。

附图标记：

1.主谐振平面镜；2.副谐振平面镜；3.角锥反射镜；4.主光电探测器；5.副光电探测器；11.真空腔；12.气孔；13.位移台；21.双头激光发生器；22.控制单元。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

游标效应最初应用于提高长度测量的分辨率(如游标卡尺)，其工作原理在于巧妙利用主尺与游标的微小比例尺差异来进行长度测量。光学游标原理就是游标效应在光学干涉中的应用，当两个具有波长差的激光进行Fabry-Perot干涉时，会形成两个具有微小差异的干涉信号，与游标卡尺的主尺与游标具有异曲同工之妙。通过对这两个干涉信号进行解调，就能通到光学游标和光学主尺得到亚皮米级分辨力的位移读数。

Fabry-Perot干涉为多光束干涉，根据多光束干涉的公式：

其中，P为透射光光强，a为入射光光振幅，R为Fabry-Perot腔谐振镜的光强反射率，d为Fabry-Perot腔腔长，λ为入射光波长。折叠Fabry-Perot腔干涉峰的间隔Δd与干涉波长λ之间的关系可表示为：

如附图1所示，根据干涉激光波长的不同，随着Fabry-Perot腔的变化会出现间距不同的干涉峰。如果两个Fabry-Perot腔的干涉波长非常接近，那么他们分别进行干涉后形成的干涉峰间隔也会非常接近。比如波长为633nm与波长为632.996nm分别进行干涉形成的干涉峰间隔的差值就为1pm。利用这两个具有不同等间隔的干涉峰就能构建光学主尺与光学游标，根据不同的波长差值就能形成不同分辨率的光学游标尺。

根据上述原理，本申请设计了基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置，包括：主珐珀单元、副珐珀单元、激光单元、控制单元22、光电单元，如图2所示，其中，激光单元采用双头激光发生器21，可以同时产生两束波长不等的激光。主珐珀单元包括主谐振平面镜1、真空腔11和反射镜，用于形成主激光束的主测量光束，其中，真空腔11的两端均为全透镜，侧壁上设置有气孔12，可以抽出真空腔11内的空气或向真空腔11内充入空气，以此对主激光束产生干涉峰值变化；副珐珀单元包括副谐振平面镜2和反射镜，用于形成副激光束的副测量光束。

进一步的，主谐振平面镜1的反射率为第一预设反射率，且位置固定；副谐振平面镜2的上端1/4部分和下端1/4部分的反射率均为第二预设反射率，其余部分镂空，且位置固定；两个谐振平面镜的反射率均在2.5%~97.6%，可以相同，也可以不同。真空腔11放置在主谐振平面镜1和副谐振平面2之间。反射镜采用角锥反射镜3，同时，将主谐振平面镜1、真空腔11、副谐振平面镜2和角锥反射镜3顺序布置，这样可以使两束激光的光路基本一致，有利于测量的准确；另外，为了保证角锥反射镜3的位移精度，从而获得更好的测量精度，增加位移台13，将角锥反射镜3与位移台13固定连接，位移台13在控制单元22的控制下带动角锥反射镜3产生位移。

光电单元包括主光电探测器4和副光电探测器5，用于分别得到主测量光束对应的主测量信号和副测量光束对应的副测量信号。

双头激光发生器21同时产生主激光束和副激光束，两束激光的波长不同，分别标记为λ₀、λ₁；主激光束先后穿过主谐振平面镜1和真空腔11，后穿过副谐振平面镜2的镂空部位射向角锥反射镜3，经角锥反射镜3的反射后最终形成主测量光束，主测量光束同样从副谐振平面镜2中间的镂空部位、真空腔11、主谐振平面镜1穿过，主光电探测器4接收该主测量光束，生成主测量信号I ₀；副激光束从副谐振平面镜2上端1/4部分穿过并经角锥反射镜3的反射作用后生成副测量光束，副测量光束从副谐振平面镜2的下端1/4部分穿过，副光电探测器5接收该副测量光束，生成副测量信号I ₁。

控制单元22用于判断主测量信号和副测量信号是否均达到稳定状态，以及判断主测量信号和副测量信号是否均达到干涉峰值，计算空气折射率；控制单元22还用于控制真空腔11的充气或放气，以及控制位移台13带动角锥反射镜3产生位移。

本申请由相互嵌套的两套干涉仪构成，将两束波长不等的激光分别通过主珐珀单元和副珐珀单元，通过角锥反射镜3移动，构成光学游标，采用大小数结合可准确计算空气折射率。

本实施例还公开了基于可充放气式真空腔11的空气折射率测量方法，包括如下步骤：

S102.双头激光发生器21同时输出波长分别为λ₀、λ₁的两束激光，分别记作主激光束和副激光束。

S104.波长为λ₀的主激光束射向主珐珀单元干涉形成主测量光束，波长为λ₁的副激光束射向副珐珀干涉单元干涉形成副测量光束。

S106.主测量光束被主光电探测器4接收形成主测量信号I ₀，副测量光束被副光电探测器5接收形成副测量信号I ₁。

S108.控制单元22控制真空腔11抽气至真空状态。

S110.控制单元22对I ₀、I ₁进行稳定性检测，在一定时间段t内，I ₀、I ₁漂移值的均值I _0t、I _1t同时小于某一个阈值I ₀₀、I ₁₁则表示主、副测量信号I ₀、I ₁达到稳定状态。

S112.控制单元22控制位移台13带动角锥反射镜3产生移动，同时对I ₀、I ₁进行解调判断，当控制单元22检测到I ₀、I ₁同时到达干涉峰值点时，位移台13停止移动，记录此时位移台13的初始位置l₀。

S114.控制单元22控制真空腔11充入空气直到真空腔11内部空气与外部空气气压一致，在充气过程中，控制单元22对主测量信号I ₀进行解调得到干涉峰值变化个数N。

S116.当控制单元22再次检测到主、副测量信号I ₀、I ₁均达到稳定状态后，控制单元22控制位移台13带动角锥反射镜3产生位移，当再次检测到主、副测量信号I ₀、I ₁同时达到干涉峰值点时，位移台13停止移动，记录此时位移台13的扫描位置l₁。

S118.计算空气折射率，计算公式如下：

其中，n为空气折射率，λ₀为所述主激光束的波长，λ₁为所述副激光束的波长，l₀为位移台13的初始位置，l₁为位移台13的扫描位置，L为所述真空腔11的腔长，N为所述主测量信号的干涉峰值变化个数。

带入典型值计算：当两激光频率差值为1GHz，位移台13定位精度为10nm，小数解调峰值区分度为750nm，真空腔11长度L为100mm时，空气折射率的测量精度可达3.4×10^-11。可见，本申请的计算方法，通过使主、副测量激光束之间存在一定波长差，采用光学游标原理进行干涉小数解析，能够实现10^-11的空气折射率测量精度。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置，其特征在于：包括：主珐珀单元、副珐珀单元、激光单元、控制单元（22）、光电单元；

所述激光单元用于产生主激光束和副激光束，所述主激光束的波长和所述副激光束的波长不同；

所述主珐珀单元用于形成所述主激光束的主测量光束；

所述副珐珀单元用于形成所述副激光束的副测量光束；

所述光电单元用于分别得到所述主测量光束对应的主测量信号和所述副测量光束对应的副测量信号；

所述控制单元（22）用于判断所述主测量信号和所述副测量信号是否均达到稳定状态，所述控制单元（22）还用于对所述主测量信号和所述副测量信号进行解调，并根据解调的结果计算空气折射率；

使用所述测量装置实施空气折射率测量的方法包括：

同时产生主激光束和副激光束，所述主激光束的波长和所述副激光束的波长不相等，所述主激光束射向带有真空腔（11）的主珐珀单元，所述副激光束射向无真空腔的副珐珀单元，所述主珐珀单元和所述副珐珀单元包含有共同的反射镜；

通过所述主珐珀单元形成所述主激光束对应的主测量光束，通过所述副珐珀单元形成所述副激光束对应的副测量光束；

根据所述主测量光束得到主测量信号，根据所述副测量光束得到副测量信号；

当所述主测量信号和所述副测量信号均达到稳定状态后，抽出所述真空腔（11）内空气至真空状态后，对所述主测量信号和所述副测量信号进行解调，根据所述解调的结果控制所述反射镜的位移，当所述主测量信号和所述副测量信号同时达到干涉峰值时，得到所述反射镜的初始位置；

向所述真空腔（11）充入空气至标准大气压，记录充气过程中主测量信号的干涉峰值变化个数；

移动所述反射镜，当所述主测量信号和所述副测量信号再次同时达到干涉峰值点时，得到所述反射镜的扫描位置；

基于所述主激光束的波长、所述副激光束的波长、所述真空腔（11）的长度、所述干涉峰值变化个数、所述反射镜的所述初始位置和所述扫描位置，计算空气折射率，完成空气折射率测量；

获取所述主测量信号的干涉峰值变化个数的方法包括：通过对所述主测量信号进行解调，得到所述干涉峰值变化个数；

所述空气折射率计算公式如下：

其中，n为空气折射率，λ ₀ 为所述主激光束的波长，λ ₁ 为所述副激光束的波长，l ₀ 为位移台（13）的初始位置，l ₁ 为位移台（13）的扫描位置，L为所述真空腔（11）的腔长，N为所述主测量信号的干涉峰值变化个数。

2.根据权利要求1所述的基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置，其特征在于：所述主珐珀单元包括主谐振平面镜（1）、真空腔（11）和反射镜；

所述副珐珀单元包括副谐振平面镜（2）和所述反射镜；

所述控制单元（22）还用于控制所述反射镜产生位移以及所述真空腔（11）的充气或放气。

3.根据权利要求2所述的基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置，其特征在于：所述真空腔（11）的两端均为全透镜。

4.根据权利要求2所述的基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置，其特征在于：所述真空腔侧壁设置有气孔（12），所述气孔（12）用于抽出所述真空腔（11）内的空气或向所述真空腔（11）内充入空气。

5.根据权利要求2所述的基于可充放气式真空腔的空气折射率测量装置，其特征在于：所述测量装置还包括位移台（13），所述位移台（13）与所述反射镜固定连接，所述位移台（13）用于在所述控制单元（22）的控制下带动所述反射镜产生位移。

Images