專利名稱：三真空管氣體折射率測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體折射率測量技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于在光學(xué)精密測長、光學(xué)設(shè)計等技術(shù)領(lǐng)域中監(jiān)測環(huán)境氣體折射率。
背景技術(shù)：
氣體折射率是光學(xué)精密干涉測量、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10_6，因此一般將空氣折射率近似為1。但在高精度的長度測量時，這一項近似所引入的誤差將不容忽視，為實現(xiàn)納米甚至亞納米的測量不確定度，需要將空氣折射率值精確測量到萬分之一、十萬分之一，甚至是更高精度。其次，某些光學(xué)儀器需要在保護氣體(例如氮氣等惰性氣體)的環(huán)境下工作，為了得到滿足設(shè)計要求的成像效果， 需要對保護氣體的折射率進行精確測量。此外，在大氣環(huán)境監(jiān)測、溫室氣體效應(yīng)監(jiān)測中，也需要對大氣折射率進行精確測量。目前常見的氣體折射率測量方法可分為兩類間接測量法和直接測量法。其中，間接測量法是在由Edlen于1966年推導(dǎo)得出的經(jīng)驗公式基礎(chǔ)上發(fā)展而來，它通過測量環(huán)境的溫度、濕度、壓力和CO2含量計算得到空氣折射率。該方法的最大問題在于它只適用于空氣折射率的測量，對于其他氣體則完全不適用。直接測量法是根據(jù)折射率的定義對其進行直接測量。根據(jù)實現(xiàn)方法不同，又可細(xì)分為表面等離子波測量法、瑞利干涉儀法、抽/充氣干涉測量法、梯形真空腔法、多波長干涉測量法和雙真空室干涉測量法等。這些測量方法各有特點，同時也各自存在不足要么測量準(zhǔn)確度有限，要么測量時間過長，要么儀器加工困難， 要么測量范圍受限等。例如，清華大學(xué)殷純永等人發(fā)明的雙真空室雙頻測相空氣折射率干涉儀(CN1095542C)，該儀器使用兩根真空管，這就大大限制了儀器的測量范圍，使得測量范圍有限，只能測量3X 10_5范圍內(nèi)的空氣折射率變化(例如，1. 00024 1. 00030)不適用于環(huán)境條件變化較為劇烈的場合，且僅適用于空氣折射率的測量，不能測量除空氣以外的其他氣體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的三真空管氣體折射率測量儀，有效彌補了上述方法的不足，它的主要特點為氣體折射率的測量范圍大、可測多種氣體、測量速度快，測量準(zhǔn)確度高等。本發(fā)明提出了一種基于三真空管的氣體折射率測量儀，該測量儀測量范圍更大， 可達(dá)4X10—4，可滿足不同場合下氣體折射率的測量；另外，本發(fā)明不但可用于測量空氣折射率，更可用于測量其他氣體(如氮氣，二氧化碳等)的折射率。另外，本發(fā)明還具有測量速度快、測量準(zhǔn)確度高的優(yōu)點。本發(fā)明的目的在于提出一種新型的氣體折射率測量方法和裝置，有效解決現(xiàn)有方法的不足，該發(fā)明可對環(huán)境氣體的折射率進行精確、實時監(jiān)控，從而有望在光學(xué)精密測長、 光學(xué)設(shè)計和大氣監(jiān)測中獲得應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種氣體折射率測量儀，其特征在于包括平板分光鏡，用于把來自一個正交偏振雙頻激光光源的光分成正交偏振的第一光束和第二光束，氣體池，用于容納待測氣體，并行設(shè)置在所述氣體池中的第一真空管、第二真空管、第三真空管，角錐棱鏡，用于反射所述第一光束和第二光束，其中所述第二光束比所述第一光速更靠近所述角錐棱鏡的軸線。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的三真空管氣體折射率測量儀的系統(tǒng)圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圓形玻璃板(31)和1/4波片的左視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的等效合成波長鏈構(gòu)造過程示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的利用等效合成波長鏈進行折射率測量的原理圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的氣體折射率測量的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明的原理如圖1所示。圖1中箭頭和圓環(huán)分別表示由激光器(1)發(fā)出的一束偏振方向平行和垂直于紙面的兩個正交偏振光，它們的頻率分別為f\、f2，經(jīng)平板分光鏡 (2)分為兩束，分別為第一光束(101)和第二光束(102)，其中，第一光束(101)透過圓形玻璃板(31)和氣體池(4)的觀察窗(41)后沿第一真空管(5)的外部傳播并經(jīng)觀察窗(42)出射，，第二光束(102)透過粘貼在所述圓形玻璃板(31)中心位置處的1/4波片(32)(圓形玻璃板(31)和1/4波片的側(cè)視圖如圖2所示)和氣體池(4)的第一觀察窗(41)后沿第一真空管(5)的內(nèi)部傳播，并經(jīng)第二觀察窗(42)透射。第一光束和第二光束經(jīng)角錐棱鏡(9)反射后，再次透過第二觀察窗(42)并通過第一真空管(5)的外部和內(nèi)部，經(jīng)第一觀察窗(41) 透射后，在平板分光鏡(2)處合光成第三光束(103)，產(chǎn)生干涉。通過第一真空管(5)內(nèi)部的第二光束(102)兩次通過圓形玻璃板(3)上的1/4波片(32)，偏振方向?qū)⑿D(zhuǎn)90°，通過第一真空管(5)外部的第一光束(101)不經(jīng)過1/4波片，因而偏振方向不發(fā)生改變。因此在平板分光鏡(2)處通過第一真空管(5)內(nèi)外的不同頻率的第一光束(101)和第二光束 (102)將產(chǎn)生干涉并形成第三光束(103)。利用偏振分光棱鏡(10)和平板反射鏡(11)將第三光束(103)的兩個偏振態(tài)分開，即得到偏振態(tài)垂直于紙面的第四光束(104)和偏振態(tài)平行于紙面的第五光束(105)，分別用光電探測器(12)、(13)對第四光束(104)和第五光束(105)進行探測，再經(jīng)信號處理單元(14)對光電探測器(12)和光電探測器(13)的探測信號進行相位比較后，通過計算即可得到氣體池⑷中待測氣體的折射率。探測器(12)、(13)探測到的兩路干涉信號可表示為
權(quán)利要求
1.氣體折射率測量儀，其特征在于包括平板分光鏡(2)，用于把來自一個正交偏振雙頻激光光源(1)的光分成正交偏振的第一光束(101)和第二光束(102)， 氣體池(4)，用于容納待測氣體，并行設(shè)置在所述氣體池(4)中的第一真空管(5)、第二真空管(6)、第三真空管(7)， 角錐棱鏡(9)，用于反射所述第一光束(101)和第二光束(102)，其中所述第二光束 (102)比所述第一光速(101)更靠近所述角錐棱鏡(9)的軸線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氣體折射率 測量儀，其特征在于進一步包括平移臺(8)，所述第一真空管(5)、第二真空管(6)、第三真空管(7)被并行設(shè)置在所述平移臺(8)上，從而能夠通過所述平移臺(8)的移動而把所述第一真空管(5)、第二真空管 (6)、第三真空管(7)中選定的一個置于所述第一光束(101)和第二光束(102)的光路中， 使得第一光束(101)透過氣體池(4)的第一觀察窗(41)和第二觀察窗(42)后沿第一真空管(5)的外部傳播，同時使得第二光束(102)透過氣體池(4)的第一觀察窗(41)和第二觀察窗(42)后沿第一真空管(5)的內(nèi)部傳播。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的氣體折射率測量儀，其特征在于進一步包括設(shè)置在第二光束(102)的光路中的1/4波片(32)，以及設(shè)置在第一光束(101)和第二光束(102)光路中的圓形玻璃板(31)，所述1/4波片(32)通過膠合的方式緊貼在圓形玻璃板(31)的中心位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的氣體折射率測量儀，其特征在于進一步包括 偏振分光棱鏡(10)；將從所述氣體池(4)出射的所述第一光束(101)和第二光束(102)相干形成的出射光第三光束(103)分成兩部分，第一部分光(104)沿原光路出射，第二部分光(105)沿與入射光路垂直的方向反射。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的氣體折射率測量儀，其特征在于進一步包括 平面反射鏡(11)，用于反射第一部分光(104)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的氣體折射率測量儀，其特征在于進一步包括 設(shè)置在所述第一部分光(104)的光路上的第一光電探測器(12)， 設(shè)置在所述第二部分光(105)的光路上的第二光電探測器(13)，信號處理單元(14)，用于處理第一光電探測器(12)和第二光電探測器(13)所探測的信號。
7.氣體折射率測量方法，其特征在于該方法基于如權(quán)利要求1-6所述的氣體折射率測量儀，并包括A)根據(jù)待測氣體的測量范圍，選擇三支長度合適的真空管，放置并固定在一維位移臺 (8)上；B)在氣體池(4)中充入待測氣體；C)利用一維位移臺(8)將所述第一真空管(5)送入由第一光束(101)和第二光束 (102)組成的光路，利用信號處理單元(14)測量得到相位差的小數(shù)部分重復(fù)上述過程，可得到當(dāng)?shù)诙婵展?6)和第三真空管(7)在光路中時的相位差的小數(shù)部分￡s2°和D)利用步驟C)測得的esl°、、2°和es3°，根據(jù)公式
全文摘要
三真空管氣體折射率測量儀屬氣體折射率精密測量技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于以正交偏振雙頻激光器為光源，依次設(shè)置在該光源發(fā)射端光路上的平板分光鏡、圓形玻璃板及貼在其中心的1/4波片、氣體池及放置在其中的三支不同長度的真空管、一維位移臺、角錐反射棱鏡、偏振分光棱鏡和平面反射鏡，分別設(shè)置在上述分光棱鏡和平面反射鏡光路上的兩個光電探測器，用于對上述兩個光電探測器進行信號放大、采集、相位比較的信號處理單元，及用于系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理的計算機控制系統(tǒng)。利用該裝置可對多種氣體的折射率進行精確測量。
文檔編號G01N21/45GK102221535SQ201110067880
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者尉昊赟, 張繼濤, 李巖 申請人:清華大學(xué)