基于激光合成波长干涉的空气折射率测量方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于激光合成波长干涉的空气折射率测量方法及装置。由双频激光器、分光镜、两个偏振分光镜和两个角锥棱镜构成激光合成波长干涉仪。石英真空腔放置在测量光路中与光线传播方向平行。测量时，向石英真空腔中通入空气直至与外部环境一致，在此腔内空气折射率变化会引起波长λ

说明书

技术领域

本发明涉及空气折射率测量方法及装置，尤其是涉及一种基于激光合成波长干涉的空气折射率测量方法及装置。

背景技术

自1983年10月召开的第十七届国际计量大会上将长度单位“米”定义为“米是光在真空中1/299 792 458秒时间间隔内所经路程的长度”以来，国际计量大会陆续推荐了十二条光辐射波长，作为光学波长标准。随后，以激光波长作为长度“尺子”的各种光学测量方法就被广泛应用于计量学、信息科学、通信、天文学等研究领域中。由于各种光学测量方法多在空气中进行，而激光在空气中的波长值与空气折射率密切相关，因此，空气折射率的测量精度就成为制约各种以激光波长作为长度基准的光学测量方法精度提高的一个重要因素。

空气折射率测量方法大体上分为间接测量和直接测量两大类。间接测量法通过测量空气的压力、温度和相对湿度，然后用Edlen公式计算空气折射率。由于Edlen公式是在标准空气情况下得到的，测量环境中的空气成分与标准空气的差异会对测量结果产生误差，虽然通过测量空气中二氧化碳含量，可以对空气折射率进行进一步的修正，但是各种空气参数传感器所带来的测量不确定度，也限制了该方法测量精度不优于3×10^-8。因此，在一些高精度，大范围的精密测量场合(如测量精度/测量范围＜10^-9)，必须直接测量空气折射率。

空气折射率的直接测量常用干涉法实现，包括多波长激光干涉法、瑞利干涉法、抽气测量法、法-珀干涉法和双波长干涉测量法等。干涉法测量空气折射率通常以真空的折射率作为标准，测量光束经长度为L的真空和空气光路时的光程差所产生的干涉条纹数，即：2L·(n-1)＝(N+ε)·λ₀(其中n为空气折射率，N为干涉条纹的整数部分，ε为干涉条纹小数部分)。基于干涉法测量空气折射率，测量精度取决于干涉条纹的细分系数和真空、空气光路长度L，如L为100mm、λ₀＝633nm时，如果想得到空气折射率n的分辨率为10^-9，则干涉条纹的细分系数需要K＝1/3150，这会使测量系统结构复杂，而且成本高，因此，目前大多数基于干涉法的空气折射率测量精度仅能达到10^-8。

发明内容

为了满足精密测量、激光干涉仪和激光雷达等技术领域高精度的空气折射率计的需要，本发明的目的在于提供一种基于激光合成波长干涉的空气折射率测量方法及装置，利用激光合成波长干涉条纹细分原理，可精确测量干涉条纹小数部分所对应的空气折射率变化量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于激光合成波长干涉的空气折射率测量方法：

双频激光器输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光，射向由一个分光镜、两个偏振分光镜、两个角锥棱镜构成的激光合成波长干涉仪，在该干涉仪的测量光路中放置一个与光线传播方向平行的长度为L的石英真空腔，当干涉仪的角锥棱镜移动时，波长λ₁和λ₂的干涉信号分别由两个探测器接收；开始测量空气折射率之前，石英真空腔被抽成真空，移动干涉仪的角锥棱镜使波长λ₁和λ₂的干涉信号相位差为0，然后将空气通入石英真空腔，直至该腔内部空气与外部空气一致，在此过程中，以波长λ₁的干涉信号作为参考标记信号，首先用光电探测器直接检测波长λ₂的整数干涉条纹变化数N，然后移动干涉仪的角锥棱镜使波长λ₁和λ₂干涉信号的相位差再次为0，根据激光合成波长干涉条纹细分原理，测得空气折射率变化引起的波长λ₂干涉条纹的小数变化部分ε，最后根据真空腔长度L、干涉条纹数N和ε与空气折射率n的关系，得到空气折射率为：

$n-1=\frac{(N+ϵ)·{\lambda }_{20}}{2L}---\left(1\right)$

式中：λ₂₀为真空波长。

二、一种基于激光合成波长干涉的空气折射率测量装置：

本发明包括双频激光器，分光镜，二个角锥棱镜，二个偏振分光镜，石英真空腔和二个探测器；双频激光器输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光射向由分光镜、第一角锥棱镜、第一偏振分光镜和第二角锥棱镜组成的激光合成波长干涉仪，形成各自的干涉信号，经第二偏振分光镜分光后，分别由第一探测器和第二探测器接收，石英真空腔置于干涉仪的第一偏振分光镜和第二角锥棱镜之间的测量光路中。

本发明具有的有益效果是：

本发明是将空气折射率变化引起的干涉条纹小数部分ε的测量转换成易于检测的角锥棱镜移动位移(毫米或微米级)的测量，而不是通过干涉条纹直接细分的方法来测量干涉条纹小数部分，能实现对空气折射率的高精度测量，并且该方法光路结构简单，使用方便。

本发明测量精度可以达到10^-9以上，具有测量精度高、抗环境干扰能力强等优点，能应用于精密测量、激光干涉仪和激光雷达等技术领域。

附图说明

附图是基于激光合成波长干涉的空气折射率测量原理图。

附图中：1、双频激光器，2、分光镜，3、第一角锥棱镜，4、第一偏振分光镜，5、石英真空腔，6、第二角锥棱镜，7、第二偏振分光镜，8、第一探测器，9、第二探测器。

具体实施方式

基于激光合成波长干涉的空气折射率测量方法及装置如附图所示，包括双频激光器1，分光镜2，二个角锥棱镜3、6，二个偏振分光镜4、7，石英真空腔5和二个探测器8、9。双频激光器1输出波长为λ₁和λ₂的正交线偏振光射向由分光镜2、第一角锥棱镜3、第一偏振分光镜4和第二角锥棱镜6组成的激光合成波长干涉仪，形成各自的干涉信号，经第二偏振分光镜7分光后，分别由第一探测器8和第二探测器9接收，石英真空腔5置于干涉仪的第一偏振分光镜4和第二角锥棱镜6之间的测量光路中。

根据激光合成波长干涉条纹细分原理，在附图所示装置中，实现干涉条纹细分系数为：

$K=\frac{{\lambda }_2}{{\lambda }_S}---\left(2\right)$

式中：λ_S为λ₁和λ₂形成的合成波长，且λ_S＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|。

当双频激光器1输出波长λ₁和λ₂的频差为1GHz时，可实现对波长λ₂的干涉条纹的细分系数为：K＝1/440000。因此，利用该干涉条纹细分方法，可实现对公式(1)中λ₂干涉条纹小数部分ε所对应的空气折射率变化的高精度、高分辨率的精确测量。

空气折射率测量的具体实施是：

测量开始前，石英真空腔5被抽成为真空，移动第一角锥棱镜3，使波长λ₁和λ₂干涉信号相位差然后缓慢地将空气通入石英真空腔5，直至该腔内部空气与外部空气一致，在此过程中，石英真空腔5内空气折射率逐渐由1变为外部空气折射率n，腔内折射率变化将会导致波长λ₂的光程增加，从而使得波长λ₂的干涉条纹信号发生变化。在此过程中，以第二探测器9接收的波长λ₁的干涉信号作为参考标记信号，以第一探测器8接收的波长λ₂的干涉信号作为测量信号，首先用光电探测器直接检测波长λ₂的整数干涉条纹变化数N，然后移动干涉仪的第一角锥棱镜3使波长λ₁和λ₂干涉信号的相位差再次为0，根据激光合成波长干涉条纹细分原理，可测得空气折射率变化引起的波长λ₂干涉条纹的小数变化部分ε，即有：

$ϵ·\frac{{\lambda }_{20}}{2}=\frac{{\lambda }_2}{{\lambda }_S}·\mathrm{\Delta L}---\left(3\right)$

上式中：ΔL为第一角锥棱镜3移动的位移(毫米或微米量级)。

将测得的λ₂干涉条纹的整数N和干涉条纹的小数ε代入公式(1)，即可求出空气折射率：

$n-1=N·\frac{{\lambda }_{20}}{2L}+\frac{{\lambda }_2}{{\lambda }_S}·\frac{\mathrm{\Delta L}}{L}---\left(4\right)$

代入典型值(波长λ₁和λ₂的频差为1GHz)计算：当第一角锥棱镜3的运动精度为0.1μm、石英真空腔5长度L为100mm时，空气折射率的测量精度可达2.3×10^-12。