RU2495387C2 - Способ измерения показателя преломления газовых сред - Google Patents
Способ измерения показателя преломления газовых сред Download PDFInfo
- Publication number
- RU2495387C2 RU2495387C2 RU2011128537/28A RU2011128537A RU2495387C2 RU 2495387 C2 RU2495387 C2 RU 2495387C2 RU 2011128537/28 A RU2011128537/28 A RU 2011128537/28A RU 2011128537 A RU2011128537 A RU 2011128537A RU 2495387 C2 RU2495387 C2 RU 2495387C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- fabry
- refractive index
- interferometer
- measuring
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Предлагаемое изобретение относится к оптическим измерениям. Способ измерения показателя преломления газовых сред основан на измерении частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум выбранной моды высокостабильного интерферометра Фабри-Перо, когда межзеркальное пространство заполнено газовой средой и когда оно вакуумировано. Значение показателя преломления газовой среды определяют отношением измеренных частот в вакууме и в присутствии газовой среды. Технический результат заключается в повышении точности определения показателя преломления газовых сред. 1 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к области «Прикладная оптика» и направлено на разработку способа измерения показателя преломления газовых сред с целью повышения точности измерения.
Известно множество способов измерения показателя преломления газовых сред. В зависимости от точности измерения выбирают тот или иной способ. Широкий класс задач в термодинамике и теплофизике, связанных с необходимостью экспериментального определения температурных полей вокруг нагретых тел, успешно решается интерферометрическими методами, не внося при этом возмущений в исследуемый объект [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. М.: Машиностроение, 1989, с.181]. Измерение показателя преломления, например, оптических элементов, призм и т.д. осуществляется с непосредственным использованием закона преломления, т.е. реализуется метод измерения угла отклонения световых лучей [Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия, 1974, 400 с.]. Для определения неоднородностей в прозрачных объектах и измерения градиента показателя преломления используется теневой метод.
Применяемые способы измерения показателя преломления газовой среды в вышеперечисленных работах не дают необходимой точности. Относительная погрешность измерения, составляющая ~(10-7-10-8), недостаточна для проведения ряд прецизионных научных исследований. Это в первую очередь касается физической оптики, спектроскопии и аналитической химии (получение новых веществ с заданными параметрами), термодинамики и теплофизики (исследование температурных полей) и т.д.
Известен способ измерения абсолютного значения показателя преломления газовых сред, являющийся прототипом предлагаемого изобретения. [Скоков И.В. «Многолучевые интерферометры», М., Машиностроение, 1969, 248 с.]. Определение абсолютного значения показателя преломления газовых сред осуществляется по изменению длины волны излучения в максимуме полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо в условиях, когда давление газовой среды, находящаяся между зеркалами интерферометра Фабри-Перо меняется от атмосферного значения до вакуумного. Количественное значение изменение длины волны Δλ в этих условиях определяется по величине изменения диаметра i-го интерференционного кольца интерферометра Фабри-Перо, который также зависит от давления газовой среды т.е.
где λ - длина волны излучения;
di1, di2 - начальное и конечное значение диаметра i-го интерференционного кольца интерферометра Фабри-Перо;
f - фокусное расстояние регистрирующего объектива.
Таким образом показатель преломления газовых сред будет определятся выражением
где m - число интерференционных колец, прошедших, например, через неподвижную диафрагму, за которой установлен фотоэлектрический приемник, при изменении давления газовой среды в интерферометре Фабри-Перо.
Из (2) видно, что при известном значении длины волны излучения λ принцип измерения показателя преломления газовых сред сводится к отсчету числа m и определению изменения длины волны Δλ при изменении давления газовой среды в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо. Точность вычисления Δλ, а, следовательно, точность измерения показателя преломления газовых сред определяется точностью измерения диаметров i-го интерференционного кольца интерферометра Фабри-Перо, которая сравнительно низкая.
Таким образом, указанный способ из-за низкой точности не позволяет проводить прецизионные измерения показателя преломления, например, в разреженных газовых средах.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения показателя преломления газовых сред.
Способ измерения показателя преломления газовых сред, основанный на измерении значения максимума выбранной полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо определяют частотным методом путем измерения частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум этой полосы, когда интерферометр Фабри-Перо вакуумирован, и когда максимум этой интерференционной полосы смещен в следствие наличия исследуемой газовой среды в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо, а значение показателя преломления газовой среды определяют отношением этих измеренных частот.
На чертеже приведена структурная схема измерителя показателя преломления газовых сред, реализующая заявленный способ.
Устройство содержит: 1, 2 - фотоприемники; 3 - частотомер; 4 - оптический стандарт частоты; 5 - одночастотный перестраиваемый лазер; 6 - интерферометр Фабри-Перо со специальными зеркалами и вакуумной системой; 7 - автоподстройка частоты; 8, 9 - поворотные зеркала.
Интерферометр Фабри-Перо 6 по оптическому каналу связан с одночастотным перестраиваемым лазером 5, оптическим стандартом частоты 4 и фотоприемником 2, автоподстройка частоты 7 обладает кабельной связью с фотоприемником 2 и одночастотным перестраиваемым лазером 5, одночастотный перестраиваемый лазер 5 и оптический стандарт частоты 4 по оптическому излучению при помощи поворотных зеркал 8 и 9 связаны с фотоприемником 1, который имеет кабельное соединение с частотомером 3.
Предложенный способ осуществляется следующим образом. Для измерения показателя преломления газовой среды пространство между зеркалами интерферометра Фабри-Перо 6 вначале вакуумируется. Излучение одночастотного перестраиваемого лазера 5 поступает на вход интерферометра Фабри-Перо 6 и его частота νпл настраивается и стабилизируется при помощи автоподстройки частоты 7 по максимуму полосы пропускания такой моды k интерферометра Фабри-Перо 6, частота которой νk расположена наиболее близко к частоте излучения νосч оптического стандарта 4. Для простоты расчета эту настройку осуществляем (хотя это не принципиально) таким образом, чтобы νпл=νk∠νосч. Это условие контролируется регистрацией частотомером 3 разностной частоты Δ1 между излучениями одночастотного перестраиваемого лазера 5 и оптического стандарта частоты 4, выделяемая фотоприемником 1, при пространственном совмещении этих излучений при помощи поворотных зеркал 8 и 9. Для этого случая частота максимума полосы пропускания вакуумированного интерферометра Фабри-Перо для моды k определяется
где Δ1 - величина отстройки частоты, соответствующей для моды k относительно частоты оптического стандарта 4.
При замене вакуума исследуемой газовой средой в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо 6 его оптическая длина увеличивается и максимум полосы пропускания для моды k сместится относительно частоты νk (в область низких частот на величину
где K - количество смещенных интерференционных полос, регистрируемых фотоприемником 2, при замене вакуума в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо 6 исследуемой газовой средой;
Δ2 - разностная частота, выделенная фотоприемником 1 и измеренная частотомером 3, между частотой одночастотного перестраиваемого лазера 5, частота которого настроена на максимум полосы пропускания продольной k+K моды интерферометра Фабри-Перо 6, расположенная наиболее близко к частоте νосч и частотой оптического стандарта 4 в присутствии газовой среды; Δi - межмодовая частота интерферометра Фабри-Перо 6, заполненного газовой средой.
Количество смещенных интерференционных полос К интерферометра Фабри-Перо 6 определяется по числу максимумов сигналов, регистрируемых фотоприемником 2 в процессе замены в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо 6 вакуума исследуемой газовой средой. При этом предварительно необходимо стабилизировать частоту одночастотного перестраиваемого лазера 5 частотно-фазовым методом по излучению оптического стандарта частоты 4, выполнив частотные условия (3).
Область дисперсии интерферометра Фабри-Перо 6 Δi можно определить с высокой точностью, измеряя разностную частоту ΔF между двумя далеко разнесенными максимумами полос пропускания интерферометра Фабри-Перо 6, составляющей несколько терагерц при известном количестве интерференционных полос на этом частотном интервале. Регистрация таких частот осуществляется фотоприемным устройством на основе диода Шоттки [Багаев С.Н., Божков В.Г, и др. «Квантовая электроника», 25(6), с.558-562, 1998 г.}. Кроме того, высокая точность измерения Δi зависит от точности настройки частоты одночастотного перестраиваемого лазера 5 на центр полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо 6. При использовании зеркал в интерферометре Фабри-Перо 6 с малыми потерями и коэффицинетом отражения - 0,99999 достигается точность настройки на центр выбранной полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо 6 ~1 Гц и относительная погрешность измерения Δi~(10-12-10-13) [Diddmax J.C., Udem Nh., Degguist J.C., и др. Science, 293, 825 (2001)].
Таким образом, при известных значениях νk и Δν (см. формулы (3) и (4)) определяется показатель преломления газовой среды
В заключение отметим, что регистрация предложенным частотным методом максимума полосы пропускания выбранной моды интерферометра Фабри-Перо 6 позволяет получать относительную точность измерения показателя преломления ~(1012÷1013), что на 3-4 порядка выше предложенного в прототипе.
Claims (1)
- Способ измерения показателя преломления газовых сред, основанный на измерении значения максимума выбранной полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо, отличающийся тем, что значение указанного максимума полосы пропускания определяют частотным методом путем измерения частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум этой полосы, когда интерферометр Фабри-Перо вакуумирован, и когда максимум этой интерференционной полосы смещен вследствие наличия исследуемой газовой среды в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо, а значение показателя преломления газовой среды определяют отношением этих измеренных частот.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011128537/28A RU2495387C2 (ru) | 2011-07-08 | 2011-07-08 | Способ измерения показателя преломления газовых сред |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011128537/28A RU2495387C2 (ru) | 2011-07-08 | 2011-07-08 | Способ измерения показателя преломления газовых сред |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011128537A RU2011128537A (ru) | 2013-01-20 |
RU2495387C2 true RU2495387C2 (ru) | 2013-10-10 |
Family
ID=48805033
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011128537/28A RU2495387C2 (ru) | 2011-07-08 | 2011-07-08 | Способ измерения показателя преломления газовых сред |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2495387C2 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1496458A1 (ru) * | 1987-08-10 | 1994-05-30 | Ю.В. Мищенко | Устройство для измерения показателя преломления газов |
US6747741B1 (en) * | 2000-10-12 | 2004-06-08 | Lambda Physik Ag | Multiple-pass interferometric device |
US20080186504A1 (en) * | 2007-02-05 | 2008-08-07 | Palo Alto Research Center Incorporated | Moving analytes and photosensors |
US20100103413A1 (en) * | 2006-12-22 | 2010-04-29 | Maxplanck-Gesellschaft Zur Fõrderung Der Wissensch | Method and device for cavity enhanced optical vernier spectroscopy |
-
2011
- 2011-07-08 RU RU2011128537/28A patent/RU2495387C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1496458A1 (ru) * | 1987-08-10 | 1994-05-30 | Ю.В. Мищенко | Устройство для измерения показателя преломления газов |
US6747741B1 (en) * | 2000-10-12 | 2004-06-08 | Lambda Physik Ag | Multiple-pass interferometric device |
US20100103413A1 (en) * | 2006-12-22 | 2010-04-29 | Maxplanck-Gesellschaft Zur Fõrderung Der Wissensch | Method and device for cavity enhanced optical vernier spectroscopy |
US20080186504A1 (en) * | 2007-02-05 | 2008-08-07 | Palo Alto Research Center Incorporated | Moving analytes and photosensors |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011128537A (ru) | 2013-01-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8599381B2 (en) | Gas detector for atmospheric species detection | |
US8693004B2 (en) | Dual-etalon cavity ring-down frequency-comb spectroscopy with broad band light source | |
US9719878B2 (en) | Photonic article, process for making and using same | |
US10041782B2 (en) | Apparatus for measuring length of optical resonant cavity | |
US9441947B2 (en) | N-wavelength interrogation system and method for multiple wavelength interferometers | |
Stepustchenko et al. | Optical refractometric FBG biosensors: problems of development and decision courses | |
EP2634525A1 (en) | Absolute distance measuring multiwavelength interferometer | |
Zhao et al. | Integrated near-infrared fiber-optic photoacoustic sensing demodulator for ultra-high sensitivity gas detection | |
RU102256U1 (ru) | Устройство для измерения параметров физических полей | |
US11378513B2 (en) | Apparatus and method for determining presence of a gas | |
US10078050B2 (en) | Submersible N-wavelength interrogation system and method for multiple wavelength interferometers | |
Cheriton et al. | Fiber Fabry–Perot astrophotonic correlation spectroscopy for remote gas identification and radial velocity measurements | |
RU2571185C2 (ru) | Способ компенсации дрейфа амплитуды в спектрометре и спектрометр, осуществляющий указанный способ | |
RU2512616C2 (ru) | Способ измерения параметров физических полей и устройство для его осуществления | |
RU2495387C2 (ru) | Способ измерения показателя преломления газовых сред | |
US10612977B2 (en) | Grouped molecular absorption line wavelength calibration apparatus and method | |
JP6370633B2 (ja) | 光周波数コムによるレーザ周波数測定の精度評価方法及び装置 | |
CN103090806A (zh) | 测量装置 | |
RU2471174C1 (ru) | Способ измерения показателя преломления газовых сред | |
JP2010261776A (ja) | 光波干渉計測装置 | |
JP2012173218A (ja) | 干渉計及び測定方法 | |
Ahmed et al. | Towards photonics enabled quantum metrology of temperature, pressure and vacuum | |
US10823667B1 (en) | Engineered optical fibers and uses thereof | |
Courteille et al. | Frequency measurement of 130 Te 2 resonances near 467 nm | |
CN109752361A (zh) | 推挽式光纤拉曼谱仪 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160709 |