一種基于色散干涉法的空氣折射率測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于折射率測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種以飛秒光學(xué)頻率梳為光源的基于 色散干涉法的空氣折射率測量裝置及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣體折射率是干涉測量、光學(xué)設(shè)計等領(lǐng)域中的重要參數(shù)。工作在空氣環(huán)境中的 儀器在設(shè)計以及數(shù)據(jù)處理時均需考慮空氣折射率的影響。通常情況下空氣折射率約為 1. 00027,且變化范圍在10Λ因此一般將空氣折射率近似為1。但在高精度的測量或設(shè)計 時，這一項近似所引入的誤差將不容忽視，因此需要將空氣折射率值精確到萬分之一位、 十萬分之一位，甚至是更高精度。
[0003] 空氣折射率可以通過間接測量方法獲得，即通過修正的Edl6n公式計算獲得。修 正后的Edl6n公式理論精度達到3X ΚΓ8,但經(jīng)驗公式計算的精度直接受限于空氣參數(shù)（溫 度、氣壓、濕度）的測量精度，因此需要結(jié)合高精度空氣傳感器才能夠達到高精度。同時， Edl6n公式的適用對象為理想空氣，對于其它氣體或摻入更多復(fù)雜成分的空氣并不適用。因 此，需要用直接測量的方法，精確測得氣體折射率。抽/充氣干涉測量法是在測量過程中將 原本充滿空氣的氣室抽成真空，或?qū)⒄婵帐页淙肟諝狻Ｓ?、德國、荷蘭等國家均采用這種 測量法。但是需要使用氣泵等裝置，對氣路控制環(huán)節(jié)要求嚴格；同時，抽氣過程中存在諸多 不確定因素，如分子熱運動、溫度變化、氣流抖動等，引入的測量誤差難以估計；如要實現(xiàn)平 穩(wěn)測量，則抽/充氣過程緩慢，測量時間長，測量過程中氣室外空氣狀態(tài)可能發(fā)生改變，導(dǎo) 致測量誤差。梯形真空腔測量法為避免抽/充氣過程，將真空腔截面設(shè)計為梯形，通過改變 光束在腔內(nèi)通過的位置，實現(xiàn)光程的連續(xù)變化。梯形腔法雖然避免了抽氣、充氣過程中帶來 的誤差，但測量結(jié)果中包含梯形真空腔的幾何參數(shù)以及移動距離，因此對真空腔的制造和 移動導(dǎo)軌提出了高精度要求。另外，該方法為連續(xù)測量方法，在條紋計數(shù)過程中也會存在計 數(shù)誤差。多波長干涉測量法多采用小數(shù)重合法進行測量。使用多種波長的激光作為光源， 結(jié)合Edl6n公式或其它粗測手段，先獲得折射率的初值，再結(jié)合實驗得到更精確的待測空 氣折射率。多波長測量法采用絕對距離測量原理，避免了抽氣過程，采用固定真空腔改變激 光波長的方法，不需機械移動裝置。但測試需要進行粗測，且要求有譜線較寬的光源，因此 多波長測量法測得的是多種波長的平均折射率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于色散干涉法的空 氣折射率測量裝置及測量方法，該測量裝置在對空氣折射率測量的過程中不需要抽/充氣 過程、不存在機械運動、不需要對干涉條紋進行連續(xù)計數(shù)并且不需要空氣折射率初值，從而 可以簡單快速地實現(xiàn)空氣折射率的測量。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0006] 一種基于色散干涉法的空氣折射率測量裝置，包括作為光源的重復(fù)頻率鎖定的光 學(xué)頻率梳1，設(shè)置在重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳1出光端的準直器2,使入射光以45°角入 射的第一平面反射鏡3,使第一平面反射鏡3的反射光以45°角入射于分光比為50:50的 平板分束鏡4,放置在分光比為50:50的平板分束鏡4后端的真空管5,所述真空管5的長 度一定，其內(nèi)部在制作時就被抽真空，其外部與空氣相連，兩端膠合兩個融石英窗口使光通 過，窗口直徑保證分光比為50:50的平板分束鏡4的反射光通過其外部，透射光通過其內(nèi) 部；真空管5的后端放置表面鍍金的空心角錐6,所述表面鍍金的空心角錐6的放置位置使 反射光和透射光以45°角入射，同時，表面鍍金的空心角錐6的兩束反射光中一束通過真 空管5的內(nèi)部，另一束通過真空管5的外部；還包括第二平面反射鏡7,所述第二平面反射 鏡7的放置位置使表面鍍金的空心角錐6的兩束反射光再次通過分光比為50:50的平板分 束鏡4反射和透射后合成的一束光以45°角入射，所述第二平面反射鏡7的折射光位置處 放置空間光耦合器8,所述空間光耦合器8的出光端放置光譜分析儀9,其作用就是記錄兩 干涉臂的干涉光譜，用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理從而計算得到空氣折射率。
[0007] 所述重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳1輸出的光經(jīng)過準直器2準直后，輸出中心波長 為1550nm、重復(fù)頻率為250MHz的飛秒光脈沖。
[0008] 所述分光比為50:50的平板分束鏡4由紫外融石英制作而成，其上表面鍍50:50 的消偏振分光膜，其下表面鍍介質(zhì)高反膜，所述分光比為50:50的平板分束鏡4將從光源發(fā) 出的光束分成相互平行并且光強比為1:1的兩束光。
[0009] 上述所述基于色散干涉法的空氣折射率測量裝置的測量方法，包括如下步驟：
[0010] 步驟1:調(diào)節(jié)重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳1中參考信號的頻率使得光學(xué)頻率梳的 重復(fù)頻率鎖定到δ f，用光譜分析儀9記錄下此時的干涉光譜信號記為L(W);其中：L 表示光學(xué)頻率梳1的重復(fù)頻率，δ f表示重復(fù)頻率的微小改變量；
[0011] 步驟2 :調(diào)節(jié)重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳1中參考信號的頻率使得光學(xué)頻率梳的 重復(fù)頻率鎖定到&，用光譜分析儀9記錄下此時的干涉光譜信號記為I tl(W);
[0012] 步驟3 :調(diào)節(jié)重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳1中參考信號的頻率使得光學(xué)頻率梳的 重復(fù)頻率鎖定到δ f，用光譜分析儀9記錄下此時的干涉光譜信號記為I+(w);
[0013] 步驟4 :通過如下公式計算相位改變量Φ ;
【主權(quán)項】
1. 一種基于色散干涉法的空氣折射率測量裝置，其特征在于：包括作為光源的重復(fù)頻 率鎖定的光學(xué)頻率梳（1)，設(shè)置在重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳（1)出光端的準直器（2)，使 入射光以45°角入射的第一平面反射鏡（3)，使第一平面反射鏡（3)的反射光以45°角入 射于分光比為50:50的平板分束鏡（4)，放置在分光比為50:50的平板分束鏡（4)后端的 真空管（5)，所述真空管（5)的長度一定，其內(nèi)部在制作時就被抽真空，其外部與空氣相連， 兩端膠合兩個融石英窗口使光通過，窗口直徑保證分光比為50:50的平板分束鏡（4)的反 射光通過其外部，透射光通過其內(nèi)部；真空管（5)的后端放置表面鍍金的空心角錐（6)，所 述表面鍍金的空心角錐（6)的放置位置使反射光和透射光以45°角入射，同時，表面鍍金 的空心角錐（6)的兩束反射光中一束通過真空管（5)的內(nèi)部，另一束通過真空管（5)的外 部；還包括第二平面反射鏡（7)，所述第二平面反射鏡（7)的放置位置使表面鍍金的空心角 錐（6)的兩束反射光再次通過分光比為50:50的平板分束鏡（4)反射和透射后合成的一束 光以45°角入射，所述第二平面反射鏡（7)的折射光位置處放置空間光耦合器（8)，所述空 間光耦合器（8)的出光端放置光譜分析儀（9)，其作用就是記錄兩干涉臂的干涉光譜，用于 后續(xù)數(shù)據(jù)處理從而計算得到空氣折射率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色散干涉法的空氣折射率測量裝置，其特征在于：所述 重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳（1)輸出的光經(jīng)過準直器（2)準直后，輸出中心波長為1550nm、 重復(fù)頻率為250MHz的飛秒光脈沖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色散干涉法的空氣折射率測量裝置，其特征在于：所述 分光比為50:50的平板分束鏡（4)由紫外融石英制作而成，其上表面鍍50:50的消偏振分 光膜，其下表面鍍介質(zhì)高反膜，所述分光比為50:50的平板分束鏡（4)將從光源發(fā)出的光束 分成相互平行并且光強比為1:1的兩束光。
4. 權(quán)利要求1所述基于色散干涉法的空氣折射率測量裝置的測量方法，其特征在于： 包括如下步驟： 步驟1 :調(diào)節(jié)重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳（1)中參考信號的頻率使得光學(xué)頻率梳的重 復(fù)頻率鎖定到用光譜分析儀（9)記錄下此時的干涉光譜信號記為I_(w);其中：& 表示光學(xué)頻率梳（1)的重復(fù)頻率，Sf表示重復(fù)頻率的微小改變量； 步驟2 :調(diào)節(jié)重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳（1)中參考信號的頻率使得光學(xué)頻率梳的重 復(fù)頻率鎖定到f(l，用光譜分析儀（9)記錄下此時的干涉光譜信號記為IJw); 步驟3 :調(diào)節(jié)重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳（1)中參考信號的頻率使得光學(xué)頻率梳的重 復(fù)頻率鎖定到f(l+Sf，用光譜分析儀（9)記錄下此時的干涉光譜信號記為I+(w); 步驟4:通過公式（1)-(5)計算相位改變量小；
其中：巾為由于重復(fù)頻率改變引起的相位改變，I〇(X)表示重復(fù)頻率為f〇時的干涉光 強，I+(A)表示重復(fù)頻率為&+Sf時的干涉光強，I_(A)表示重復(fù)頻率為Sf時的干涉 光強，IMfU)表示背景光強，IJA)和I2(A)分別為兩束干涉光的光強，A為波長； 步驟5 :通過如下公式（6)計算干涉相位(入）；
其中：?〇(A)表示重復(fù)頻率為f〇時的干涉相位； 步驟6 :由于：
(7) 時m步雖_由才以、允丨合姮51丨空氣折射率nair(入）；
其中：lMll為真空管長度。 (8；
【專利摘要】一種基于色散干涉法的空氣折射率測量裝置及測量方法，該裝置包括重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳、分光比為50:50的平板分束鏡、長度一定的真空管、表面鍍金的空心角錐以及記錄干涉光譜的光譜分析儀，重復(fù)頻率鎖定的光學(xué)頻率梳具有許多頻率穩(wěn)定的縱模，可以獲得空氣折射率的色散特性，真空管內(nèi)部抽真空，外部與空氣相通，可以在避免抽氣和充氣的情況下實現(xiàn)空氣折射率的相對測量并且可以獲得較高的測量不確定度；本發(fā)明還公開了該裝置的測量方法，本發(fā)明測量裝置具有裝置簡單、測量周期短、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，可以在精密長度計量中用于空氣折射率的實時修正。
【IPC分類】G01N21-45
【公開號】CN104807781
【申請?zhí)枴緾N201510232809
【發(fā)明人】楊麗君, 張弘元, 李巖, 尉昊赟
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月8日