雙真空室雙頻測相空氣折射率幹涉儀的製作方法
2023-08-22 18:34:51 1
專利名稱：雙真空室雙頻測相空氣折射率幹涉儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射技術領域，特別涉及空氣折射率幹涉儀的結構設計。
1965年Bengt Edlen利用大量實驗結果作出經驗公式，空氣折射率和大氣壓力、溫度、溼度、二氧化碳含量等有關，就是著名的Edlen公式。由於現今的大氣條件和當時存在差異，特別是二氧化碳含量的變化，以及實驗室中的溶劑揮發造成空氣成分變化，使得該公式的計算值與實際的空氣折射率存在偏差，後來該公式經過了多次修正，仍然無法適應多變的實驗環境。
1979年清華大學研究成功雙頻(抽氣式)折射率幹涉儀並以此為基礎建立了自動補償系統。1988英國國家物理研究院也報導了採用抽真空方法的折射率幹涉儀，現在，德國、瑞士、義大利、荷蘭等國仍然採用抽真空方法。這種方法不可能實現可攜式結構。但是量程不受限制。後來的很多工作都集中在省掉抽氣系統方面。計量院完成的改進的瑞利幹涉儀，真空管長1200mm目視測量達到2×10-8精度，用於光電比長儀。1987年陝西機械工程學院侯文玫完成了梯形真空腔幹涉儀，在真空腔橫向連續運動過程中計數測量。美國NIST採用波紋管密封變筒長連續技術結構。
其中，計量院的研製的雙瑞利空氣折射率幹涉儀(專利申請號97112286.5)的結構如
圖1所示，主要包括S為垂直光縫，位於透鏡L1的前焦點上，將透過S光縫的光變成平行光。D為有三條垂直圖面狹縫的光欄闌，T1和T2是兩個長度不同的真空管，分別對準光欄闌D的上、下狹縫，透鏡L2和柱面鏡L3重合幹涉光束形成幹涉場。幹涉場分為6個區域如圖2所示。真空室T1位於A-1空間，真空室T2位於A-3空間。真空室的端部平板玻璃位於B-1和B-3空間。而A-2和B-2空間完全是空氣層。所以幹涉場上2區的條紋是固定的參考條紋，1區和3區的條紋因空氣折射率變化而移動。條紋圖由CCD攝取有計算機處理得到小數幹涉級。
這種測量方法的原理是單波長小數重合法。光幹涉測量的基本公式是n·L＝(N+ε)·λ在空氣折射率幹涉儀中，測量的是空氣折射率n與真空折射率1之差，即(n-1)，而不是幾何長度L。這時，可以將小數重合法作如下變更，在測量過程中不改變光波波長，而代之以改變真空管的幾何長度，即採用單一光波波長。如果採用兩種不同的真空管長度L1和L2，則可得n-1＝(N1+ε1)·λ/L1n-1＝(N2+ε2)·λ/L2所以L1L2=(N1+1)(N2+2)]]>由於真空管長度L1和L2可以被精確測出，N1和N2在設計的氣壓範圍內(10-6)只會變1個條紋。比較
和
是否「相等」，如果不相等，調整整數值，直到「相等」。最後由正確的整數值和測出的小數值求出空氣折射率。這種設計的量程較小，遇到超過量程的情況就無法工作。也因為CCD測量小數條紋精度較低，影響
比值判斷的不確定度。
本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種雙真空室雙頻測相空氣折射率幹涉儀，可提高測量的精度和解析度，便於得到可攜式高精度儀器，對環境振動、光束漂移具有自適應性。測量結果穩定等優點。
本發明提出的一種雙真空室雙頻測相空氣折射率幹涉儀，其特徵在於包括發出正交線偏振光的橫向塞曼雷射器，將該雷射器發出的光分成兩束並在垂直方向反射出的分光板，與該分光板反射出的光的光軸垂直設置的補償環及置於其中的1/4波片，直角四面體反射鏡，以及設置在所說的1/4波片與直角四面體反射鏡之間與光軸平行的兩個不同長度的真空室，所說的兩個真空室固定在一個由超聲直線電機帶動的將兩個真空管送入幹涉光路的拖動臺上，還包括接收該分光板反射回光的偏振分光稜鏡和全反射稜鏡，接收所說的偏振分光稜鏡和全反射稜鏡出射光的兩個光電探測器和一個相位計，以及與該相位計相連的數據處理器。
本發明的光學原理如圖3所示。從橫向塞曼雷射器發出正交線偏振光，設頻率f1平行紙面；f2垂直紙面。在分光板1的前後表面上分成兩束，設一束中均包含f1和f2兩種頻率。其中一束從真空室4內部通過，另一束從外部通過二者相互平行。由直角四面體5返回。兩次從真空室內部通過的光束也在1/4波片3(快軸位於45°方向)中通過兩次，相當於通過一次快軸在45°的1/2波片，從而使兩個返回的偏振分量轉過90°。從真空室外部通過並返回的光束則兩次通過玻璃補償環2，偏振方向沒有變化。內外兩光束在分光板1上重新會合時並不形成肉眼可見的條紋，經偏振分光稜鏡6和全反射稜鏡7把相同偏振方向的輻射分別送到兩個光電探測器8上。形成(f1+Δf)-f2和f1-(f2+Δf)兩個信號。經相位計9檢測得到2Δf的相位變化。又因為直角四面體使光路摺疊，又有2倍的光程倍增，由直線超聲電機帶動的拖動臺10交替把兩個真空管送入幹涉光路，對應的測量方程為n-1＝(N1+ε1)·λ/4L1n-1＝(N2+ε2)·λ/4L2式中，n為空氣折射率，N為條紋整數，ε為條紋小數值(相位計測得值)，λ為雷射波長，此處為0.6328μm。過去曾經認為交替兩個真空室進行測量是一種不簡潔的設計，由於超聲電機的出現改變了這個觀點。因為它噪聲小、體積小、重量輕、直接給出直線位移、不需要另加螺杆導軌。因為相位計的測量精度很高，測量誤差的來源主要是真空室長度的不確定度。(na-1)(na-1)L1L1]]>因為(na-1)≈0.00027
所以(na-1)0.00027L1L1]]>該式為根據精度要求選取真空室長度的依據。由於相位計只能測量360°以內的相位變化，所以圖3幹涉光路中兩路輸出信號之間相位變化的整數部分N是不能直接得到的。因此使用兩個不同長度的真空室。真空室長度差是根據要求的折射率測量範圍(單值區間)Δ(n-1)確定的L2>(L1-4(n-1))]]>根據(1)，(2)確定結構以後，幹涉儀測出ε1，ε2，再根據下面的步驟計算出待測的空氣折射率na。
1)由(ε1-ε2)求出近似的折射率值
(na-1)=(1-2)4(L1-L2)]]>2)求條紋整數N1=lnt4(na-1)(L1-L2)]]>3)求出準確折射率值(由長真空室相應參數求出)na-1=(N1+1)4L1]]>本發明有以下特點1)採用的是橫向塞曼雙頻雷射作光源(頻差300KHz左右)測相而不是分析條紋圖。測相的精度和解析度達到1/3600是不困難的，條紋圖分析測相的精度通常只能達到1/100。
2)本發明不採用比值做判據，因為小數變化的比值不如差值靈敏。所以採用(ε1-ε2)直接參與計算。使單值區間增大。
3)本發明的靈敏度有4倍的光學倍乘，所以在精度要求相同的情況下真空管的長度可以短4倍。便於得到可攜式高精度儀器，在不同實驗室進行比對測量。
4)本發明對環境振動、光束漂移具有自適應性。測量結果穩定。
附圖簡要說明圖1為已有的雙瑞利空氣折射率幹涉儀的結構示意圖。
圖2為圖1所示幹涉儀的幹涉場分布區域示意圖。
圖3為本發明的實施例結構原理圖。
本發明的一種雙真空室雙頻測相空氣折射率幹涉儀實施例如圖3所示，主要包括發出正交線偏振光的橫向塞曼雷射器，將該雷射器發出的光分成兩束並在垂直方向反射出的分光板1，與該分光板反射出的光的光軸垂直設置的補償環2及置於其中的1/4波片3，直角四面體反射鏡5，以及設置在所說的1/4波片與直角四面體反射鏡之間與光軸平行的兩個不同長度的真空室41，42，所說的兩個真空室固定在一個由超聲直線電機帶動的將兩個真空管送入幹涉光路的拖動臺10上，還包括接收該分光板反射回光的偏振分光稜鏡6和全反射稜鏡7，接收所說的偏振分光稜鏡和全反射稜鏡出射光的兩個光電探測器8和一個相位計9，以及與該相位計相連的數據處理器。
本實施例採用633nmHe-Ne橫向塞曼雷射器，頻差300KHz，相位計解析度0.1°。
L1＝88.008，L2＝82.026單值區間＞2.5×10-50.1°相位對應的空氣折射率值0.7×10-9空氣折射率測量不確定度 (1～2)×10-8
權利要求
1.一種雙真空室雙頻測相空氣折射率幹涉儀，其特徵在於包括發出正交線偏振光的橫向塞曼雷射器，將該雷射器發出的光分成兩束並在垂直方向反射出的分光板，與該分光板反射出的光的光軸垂直設置的補償環及置於其中的1/4波片，直角四面體反射鏡，以及設置在所說的1/4波片與直角四面體反射鏡之間與光軸平行的兩個不同長度的真空室，所說的兩個真空室固定在一個由超聲直線電機帶動的將兩個真空管送入幹涉光路的拖動臺上，還包括接收該分光板反射回光的偏振分光稜鏡和全反射稜鏡，接收所說的偏振分光稜鏡和全反射稜鏡出射光的兩個光電探測器和一個相位計，以及與該相位計相連的數據處理器。
全文摘要
本發明屬於雷射技術領域,包括將橫向塞曼雷射器發出的光分成兩束並反射出的分光板,與光軸垂直設置的補償環及置於其中的1/4波片,直角四面體反射鏡,以及設置在1/4波片與直角四面體反射鏡之間與光軸平行的兩個不同長度的真空室,接收反射回光的偏振分光稜鏡和全反射稜鏡,兩個光電探測器和一個相位計,以及與相位計相連的數據處理器。本發明可提高測量的精度和解析度,可組成可攜式儀器,對環境振動、光束漂移具有自適應性。
文檔編號G01N21/41GK1260484SQ0010305
公開日2000年7月19日 申請日期2000年2月25日 優先權日2000年2月25日
發明者殷純永, 王澤民, 趙淳生, 武三峨, 郭松靈 申請人:清華大學