專利名稱：一種空氣折射率快速高精度絕對測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空氣折射率精密測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空氣折射率快速高精度絕對測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
空氣折射率是光學(xué)精密干涉測量和光學(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。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。目前常見的空氣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)展而來的，它通過測量環(huán)境的溫度、濕度、壓力和(X)2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。這些測量方法各有特點，同時也各自存在不足要么測量準確度有限，要么測量時間過長，要么儀器加工困難， 或者測量范圍受限等。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種空氣折射率快速高精度絕對測量裝置及其測量方法，實現(xiàn)了測量準確度高、測量時間短、儀器加工方便以及測量范圍大的優(yōu)點，同時還適用于除了空氣外的其他氣體的折射率測量。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種空氣折射率快速高精度絕對測量裝置，包括正交偏振雙頻激光器1，在正交偏振雙頻激光器1的出射光路方向上依次順序設(shè)置有第一分束鏡11、第二分束鏡21以及第一反射鏡31，第一分束鏡11和第二分束鏡21的第一路分束光的方向同正交偏振雙頻激光器 1的出射光路方向相一致，第一分束鏡11和第二分束鏡21的第二路分束光的方向同正交偏振雙頻激光器1的出射光路方向相垂直，第一反射鏡31的反射光路方向同正交偏振雙頻激光器1的出射光路方向相垂直，第一分束鏡11的同正交偏振雙頻激光器1的出射光路方向相垂直的一路分束光的方向上、第二分束鏡21的同正交偏振雙頻激光器1的出射光路方向相垂直的一路分束光的方向以及第一反射鏡31的反射光路方向上設(shè)置有平板反射鏡4，平板反射鏡4反射第一分束鏡11的第二路分束的反射光路方向上依次設(shè)置有第一 1/4波片 12、第一真空管13以及第一角錐棱鏡14，平板反射鏡4反射第二分束鏡21的第二路分束的反射光路方向上依次設(shè)置有第二 1/4波片22、第二真空管23以及第二角錐棱鏡M，平板反射鏡4反射第一反射鏡31的反射光的反射光路方向上依次設(shè)置有第三1/4波片32、第三真空管33以及第三角錐棱鏡34，平板反射鏡4反射第一角錐棱鏡14的返回光的反射光路上依次設(shè)置第二反射鏡16和第一偏振分光棱鏡15，平板反射鏡4反射第二角錐棱鏡M的返回光的反射光路上依次設(shè)置第三反射鏡26和第二偏振分光棱鏡25，平板反射鏡4反射第三角錐棱鏡34的返回光的反射光路上依次設(shè)置第四反射鏡36和第三偏振分光棱鏡35，第二反射鏡16的反射光路上設(shè)置有第一光電探測器17，第一偏振分光棱鏡15發(fā)出的垂直于平板反射鏡4反射第一角錐棱鏡14的返回光的反射光路的分光光路上設(shè)置有第二光電探測器18，第三反射鏡沈的反射光路上設(shè)置有第三光電探測器27，第二偏振分光棱鏡25發(fā)出的垂直于平板反射鏡4反射第二角錐棱鏡M的返回光的反射光路的分光光路上設(shè)置有第四光電探測器觀，第四反射鏡36的反射光路上設(shè)置有第五光電探測器37，第三偏振分光棱鏡35發(fā)出的垂直于平板反射鏡4反射第三角錐棱鏡34的返回光的反射光路的分光光路上設(shè)置有第六光電探測器38，第一光電探測器17和第二光電探測器18同第一相位計19相通信連接，第三光電探測器27和第四光電探測器觀同第二相位計四相通信連接，第五光電探測器37和第六光電探測器38同第三相位計39相通信連接。所述的第一分束鏡11和第二分束鏡21的理論反射率為33%。所述的第一反射鏡31、第二反射鏡16、第三反射鏡沈以及第四反射鏡35均為平面反射鏡，其理論反射率為100%。所述的平板分光鏡4的上下兩個表面互相平行，其中上表面理論反射率為50%， 下表面理論反射率為100%。所述的第一真空管13、第二真空管23以及第三真空管33均是中空的圓柱形玻璃管，以及分別固定在所述玻璃管兩個端面上的圓形玻璃板，所述玻璃板的徑向面與所述玻璃管端面互相垂直放置并固定，所述兩個玻璃板之間互相平行，所述玻璃管的軸向與入射光路平行。所述的第一角錐棱鏡14、第二角錐棱鏡M以及第三角錐棱鏡34能將入射光沿與入射方向平行的方向反射出去。所述的第一偏振分光棱鏡15、第二偏振分光棱鏡25和第三偏振分光棱鏡35能將入射偏振光分成兩部分，一部分沿原光路出射，另一部分沿與入射光路垂直的方向反射。所述的第一相位計19、第二相位計四以及第三相位計39為能準確測量并輸出兩通道輸入信號的相位差雙通道電信號處理單元。所述的空氣折射率快速高精度絕對測量裝置的測量方法為正交偏振雙頻激光器1 發(fā)出的正交雙頻光束被第一分束鏡11、第二分束鏡21和第一反射鏡31分成能量相等的三束，被第一分束鏡11反射的光束依次經(jīng)平板反射鏡4、第一 1/4波片12、第一真空管13、第一角錐棱鏡14、第一偏振分光棱鏡15、第二反射鏡16傳輸，并被第一探測器17和探測器18 分別探測得到對應(yīng)的光電信號，該光電信號傳輸?shù)降谝幌辔挥?9分析得到第一相位差為 2Δ夠，其中Δ夠為第一真空管I3引入的單路相位差；被第二分束鏡21反射的光束依次經(jīng)平板反射鏡4、第二 1/4波片22、第二真空管23、第二角錐棱鏡Μ、第二偏振分光棱鏡25以及第三反射鏡26傳輸，并被第三探測器27和第四探測器觀分別探測得到對應(yīng)的光電信號， 該光電信號傳輸?shù)降诙辔挥嬎姆治龅玫降诙辔徊顬?Δ<32，其中為第二真空管23引入的單路相位差；被第一反射鏡31反射的光束依次經(jīng)平板反射鏡4、第三1/4波片32、第三真空管33、第三角錐棱鏡34、第三偏振分光棱鏡35以及第四反射鏡36傳輸，并被第五探測器37和第六探測器38分別探測得到對應(yīng)的光電信號，該光電信號傳輸?shù)降谌辔挥?9分析得到第三相位差為，其中為第三真空管33引入的單路相位差；最后通過下列公式(1)、公式(2)和公式(3)聯(lián)合求解空氣折射率η
權(quán)利要求
1.一種空氣折射率快速高精度絕對測量裝置，包括正交偏振雙頻激光器(1)，其特征在于在正交偏振雙頻激光器(1)的出射光路方向上依次順序設(shè)置有第一分束鏡(11)、第二分束鏡以及第一反射鏡(31)，第一分束鏡(11)和第二分束鏡的第一路分束光的方向同正交偏振雙頻激光器(1)的出射光路方向相一致，第一分束鏡(11)和第二分束鏡的第二路分束光的方向同正交偏振雙頻激光器(1)的出射光路方向相垂直，第一反射鏡(31)的反射光路方向同正交偏振雙頻激光器(1)的出射光路方向相垂直，第一分束鏡 (11)的同正交偏振雙頻激光器(1)的出射光路方向相垂直的一路分束光的方向上、第二分束鏡的同正交偏振雙頻激光器(1)的出射光路方向相垂直的一路分束光的方向以及第一反射鏡(31)的反射光路方向上設(shè)置有平板反射鏡G)，平板反射鏡(4)反射第一分束鏡(U)的第二路分束的反射光路方向上依次設(shè)置有第一 1/4波片(12)、第一真空管(13) 以及第一角錐棱鏡(14)，平板反射鏡(4)反射第二分束鏡的第二路分束的反射光路方向上依次設(shè)置有第二 1/4波片(22)、第二真空管以及第二角錐棱鏡(M)，平板反射鏡(4)反射第一反射鏡(31)的反射光的反射光路方向上依次設(shè)置有第三1/4波片(32)、 第三真空管(33)以及第三角錐棱鏡(34)，平板反射鏡(4)反射第一角錐棱鏡(14)的返回光的反射光路上依次設(shè)置第二反射鏡(16)和第一偏振分光棱鏡(15)，平板反射鏡(4)反射第二角錐棱鏡04)的返回光的反射光路上依次設(shè)置第三反射鏡06)和第二偏振分光棱鏡(25)，平板反射鏡(4)反射第三角錐棱鏡(34)的返回光的反射光路上依次設(shè)置第四反射鏡(36)和第三偏振分光棱鏡(35)，第二反射鏡(16)的反射光路上設(shè)置有第一光電探測器 (17)，第一偏振分光棱鏡(15)發(fā)出的垂直于平板反射鏡(4)反射第一角錐棱鏡(14)的返回光的反射光路的分光光路上設(shè)置有第二光電探測器(18)，第三反射鏡06)的反射光路上設(shè)置有第三光電探測器(27)，第二偏振分光棱鏡0 發(fā)出的垂直于平板反射鏡(4)反射第二角錐棱鏡04)的返回光的反射光路的分光光路上設(shè)置有第四光電探測器( )，第四反射鏡(36)的反射光路上設(shè)置有第五光電探測器(37)，第三偏振分光棱鏡(3 發(fā)出的垂直于平板反射鏡(4)反射第三角錐棱鏡(34)的返回光的反射光路的分光光路上設(shè)置有第六光電探測器(38)，第一光電探測器(17)和第二光電探測器(18)同第一相位計(19)相通信連接，第三光電探測器(XT)和第四光電探測器08)同第二相位計09)相通信連接，第五光電探測器(37)和第六光電探測器(38)同第三相位計(39)相通信連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣折射率快速高精度絕對測量裝置，其特征在于所述的第一分束鏡(11)和第二分束鏡的理論反射率為33%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的空氣折射率快速高精度絕對測量裝置，其特征在于所述的第一反射鏡(31)、第二反射鏡(16)、第三反射鏡06)以及第四反射鏡(35)均為平面反射鏡，其理論反射率為100%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的空氣折射率快速高精度絕對測量裝置，其特征在于所述的平板分光鏡(4)的上下兩個表面互相平行，其中上表面理論反射率為50%，下表面理論反射率為100%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的空氣折射率快速高精度絕對測量裝置，其特征在于所述的第一真空管(13)、第二真空管03)以及第三真空管(33)均是中空的圓柱形玻璃管，以及分別固定在所述玻璃管兩個端面上的圓形玻璃板，所述玻璃板的徑向面與所述玻璃管端面互相垂直放置并固定，所述兩個玻璃板之間互相平行，所述玻璃管的軸向與入射光路平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的空氣折射率快速高精度絕對測量裝置，其特征在于所述的第一角錐棱鏡(14)、第二角錐棱鏡04)以及第三角錐棱鏡(34)能將入射光沿與入射方向平行的方向反射出去。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的空氣折射率快速高精度絕對測量裝置，其特征在于所述的第一偏振分光棱鏡(15)、第二偏振分光棱鏡0 和第三偏振分光棱鏡(35) 能將入射偏振光分成兩部分，一部分沿原光路出射，另一部分沿與入射光路垂直的方向反射。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的空氣折射率快速高精度絕對測量裝置，其特征在于所述的第一相位計(19)、第二相位計09)以及第三相位計(39)為能準確測量并輸出兩通道輸入信號的相位差雙通道電信號處理單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣折射率快速高精度絕對測量裝置的測量方法，其特征為，正交偏振雙頻激光器(1)發(fā)出的正交雙頻光束被第一分束鏡(11)、第二分束鏡和第一反射鏡(31)分成能量相等的三束，被第一分束鏡(11)反射的光束依次經(jīng)平板反射鏡 (4)、第一 1/4波片(12)、第一真空管(13)、第一角錐棱鏡(14)、第一偏振分光棱鏡(15)、 第二反射鏡(16)傳輸，并被第一探測器(17)和探測器(18)分別探測得到對應(yīng)的光電信號，該光電信號傳輸?shù)降谝幌辔挥?19)分析得到第一相位差為2Δ夠，其中Δ夠為第一真空管 (13)引入的單路相位差；被第二分束鏡反射的光束依次經(jīng)平板反射鏡、第二 1/4 波片(22)、第二真空管(23)、第二角錐棱鏡(M)、第二偏振分光棱鏡0 以及第三反射鏡 (26)傳輸，并被第三探測器(XT)和第四探測器08)分別探測得到對應(yīng)的光電信號，該光電信號傳輸?shù)降诙辔挥?9)分析得到第二相位差為2Δ外，其中Δ外為第二真空管(烈)引入的單路相位差；被第一反射鏡(31)反射的光束依次經(jīng)平板反射鏡(4)、第三1/4波片(32)、 第三真空管(33)、第三角錐棱鏡(34)、第三偏振分光棱鏡(3 以及第四反射鏡(36)傳輸， 并被第五探測器(37)和第六探測器(38)分別探測得到對應(yīng)的光電信號，該光電信號傳輸?shù)降谌辔挥?39)分析得到第三相位差為2Δ%，其中為第三真空管(幻)引入的單路相位差；最后通過下列公式(1)、公式(2)和公式(3)聯(lián)合求解空氣折射率η
全文摘要
一種空氣折射率快速高精度絕對測量裝置，測量裝置和方法沒有抽充氣過程，且三支真空管同時測量，測量速度最快可在10秒內(nèi)完成，該裝置的測量范圍可達4×10-4，測量不確定度可達10-8，是一種空氣折射率的快速、高精度的絕對測量方法和裝置，實現(xiàn)了測量準確度高、測量時間短、儀器加工方便以及測量范圍大的優(yōu)點，同時還適用于除了空氣外的其他氣體的折射率測量。
文檔編號G01N21/41GK102323237SQ20111016454
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者尉昊赟, 張繼濤, 李巖 申請人:清華大學(xué)