CN86107252B - 空气折射率测量装置 - Google Patents
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Abstract
一个由塞曼双频激光比相干涉仪和真空腔组成的空气折射率测量装置，真空腔内外分别构成干涉仪的两个光臂。真空腔有倾斜的端面，并可垂直于光线横向移动。可以进行高精度空气折射率测量。
Description
本发明是一个用交流比相仪直接测定空气折射率的装置。
常用的获得空气折射率的方法是根据BENGT EDLEN1966年在METROLOGIA VO1.2No.2发表的公式
(n-1)tp=p(n-1)s/720.775×1+p(0.01)-0.0133t)×10-6/1+0.0036100t
（n-1）s是标准状态下的空气折射率。测量实际的大气压力p，空气温度t后，则可以计算出实际空气折射率（n-1）tp，还可以再引入空气湿度的修正使计算更精确。但限于温度、压力测量的精度，在美国HP公司5526A双频激光干涉仪中，仅这两项测量引起空气折射率的误差已达△n＝±3×10-7。还没考虑由于空气成分与标准状态偏离所引起的误差。因而直接测量空气折射率对于精密干涉计量是十分必要的。
已有的直接测定空气折射率方法采用的是干涉仪的方式。光源发出的光束经过分光后通过两个光路，一路经过一个真空腔，另一路经过待测的空气，从这两个光臂通过的两路光再会合产生干涉效应，测量干涉效应可以得到两个光路的光程差，而光程差决定于两个光路的几何尺寸及折射率，对于已知的几何尺寸，则可得到折射率。国际计量局在1966年METROLOGIA上发表的用真空腔小数重合法，是用几个单色光源，尺寸为一米以上的真空腔，用比较干涉条纹的分数进行测量的。1979年在中国计量学会几何量专业委员会年会上发表的雷日干涉仪是用类似方法测量的。
这两种方法可以得到比较高的精度，但测试仪器很笨大，只能固定在实验室用。
清华大学在他们发表的报告中采用在真空腔抽气过程中记录干涉条纹移动的数目的方法，测试精度为dn/n＝±2×10-7。设备要包括由真空的设备，真空腔也很长。西德的F·LEBO WSKY在81年4月91卷PTB-MITTEILUNG上发表的文章中设想，用双纵模得到的双频激光作光源，将其中的一部分分出作参考信号，另一部分的光又分为两支不同频率的光，分别通过一个两端面平行的真空腔内外，在端面被反射会合后作为测量信号与参考信号一起送进比相计比相，可以求出真空腔内外的光路差，从而得到空气折射率。按照构想应可达到1×10-8的精度。这是基本两支光路完全对称而构出的。在实际上根本作不到所要求的加工和调整精度。这在发明人的实践中已经证明了。
本发明的任务是获得一种比较简单而精度高的测量空气折射率的装置。
本发明是这样实现的：一束双频激光，通过λ/4波片变成两个相互正交的线偏振光。经过普通分光镜分为两束，一束作为参考信号，另一束经过偏振分光镜被分成两支各含一种频率的相互正交的线偏振光，这两支光分别通过一个楔形真空腔的内外，这个真空腔的一个或两个端面与真空腔轴线，也就是入射光线的方向相倾斜，真空腔可以沿垂直于激光的X方向，也就是楔角θ的角平分线的方向精密移动，这两支分别通过真空腔内外的正交线偏振光走过了相同的几何路程，然而由于空气与真空的不同，它们走过的光程是不同的，会合以后成为干涉测量信号。将测量信号与参考信号比相，可以得到真空腔内外两个光路的光程差，从而求出空气与真空的折射系数差△n，△n＝n-1，n为空气折射率。
图1是一个实施例，激光器1在磁铁2的作用下发生一束双频激光。通过λ/4波片3变成两个正交线偏振光，经过分光镜4分成两束，一束通过偏振片5作为参考信号进入比相计的参考信号输入光电接收器6。另一束通过偏振分光器7被分成各含一种频率的两路相互正交的线偏振光，一路通过真空腔9的内部到达反射镜10，反射回来后又通过真空腔9的内部到达分光镜7。另一路也通过真空腔的两个端面，但不经过腔体内部真空，而是经过腔外空气到达反光镜10，反射回来经过真空腔外空气也达到分光镜7，两路光会合后经过λ/4波片8，再经过检偏片11，即作为干涉测量信号，通入比相计的测量信号输入光电接收器12。测量信号与参考信号具有同样的拍频频率，但是它们之间存在一个相位差，记此相位差为φ。测量时楔形真空腔从位置Ⅰ移动到位置Ⅱ，使得光经过的真空长度改变了41，1＝xtg（θ/2），x是移动距离，则经过真空腔内的那支偏振光的光程改变了4△n1，式中△n＝n-1，因而经过真空腔内外的两支相互正交线偏振光之间的光程差也改变了4△n1，从而使得测量信号与参考信号的相位差φ改变了△φ＝2π/λ·4△n1＝2π/λ·4△nxtg（θ/2），△φ可通过比相计测得，λ为激光波长，θ是楔角，x是移动距离，皆可知，因而可以求得空气与真空的折射率差：
△n＝n-1＝λ/2π·△φ/4l＝λ/2π·△φ/4xtg（θ/2）
从而可得空气折射率n。
真空腔端面的倾斜受到全反射的限制;最大约为30°，使两个斜面同时倾斜可以扩大折射率的测量范围。采用对称倾斜30°的设计，可以最有效的发挥这一特性。
反射镜10脱离真空腔9固定在腔后，并且安放得使得两次通过真空腔内外的光路成对称。这样可以使稳定性提高，也便于生产。
用这一装置实际测量的空气折射率精度为5×10-8，比已有装置提高一个数量级，不但装置简单得多，而且给自动化测量开辟了途径。
Claims (4)
1、一个测量空气折射率的装置，它包括一个塞曼双频激光干涉仪和一个楔形真空腔，干涉仪的两个光臂分别通过真空腔内外，其特征在于：a、真空腔9的一个端面与腔体轴线，也就是光线相倾斜。b、真空腔装在可以使真空腔沿楔角θ的角平分线方向，同时也就是垂直于光线的X方向精密移动的导轨上。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于两个端面都相对于入射线成倾斜。
3、根据权利1、2所述的装置，其特征在于两个端面相对于入射线倾斜的角度分别为30°。
4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于反射镜10固定于真空腔后，并安置得使通过真空腔内外的光线成对称。
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| CN86107252A CN86107252B (zh) | 1986-10-21 | 1986-10-21 | 空气折射率测量装置 |
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| CN86107252A CN86107252A (zh) | 1988-05-04 |
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