[发明专利]调制式激光干涉空气折射率测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及空气折射率测量方法及装置，尤其是涉及一种调制式激光干涉 空气折射率测量方法及装置。

背景技术

空气折射率测量精度是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一般分为间接测量和直接测量 两大类。间接测量法是首先测量出空气的压力、温度和相对湿度，然后用Edlen 公式计算得出空气折射率，该方法测量精度不优于3×10^-8。直接测量法是采用干 涉法来实现的，例如瑞利干涉法、法－珀干涉法和多波长干涉法等。干涉法测 量空气折射率通常以真空的折射率作为标准，测量光束经过长度为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， 测量时，在真空腔抽气或者放气过程中，由于腔内气流变化太快且不均匀，会 导致干涉条纹抖动，使测量精度受限，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

为了满足光学精密测量技术对空气折射率的高精度需求，本发明的目的在 于提供一种调制式激光干涉空气折射率测量方法及装置，根据两路干涉信号相 位差变化量与光程变化量以及合成波长之间的关系，将真空腔内折射率变化量 的测量转化为对两路干涉信号相位差和合成波长的测量，不需要对整小数干涉 条纹进行计数，可精确测得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、一种调制式激光干涉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，射向由分光镜、参考角锥 棱镜和测量角锥棱镜构成的迈克尔逊干涉仪，分别形成各自的干涉信号，再经 分光镜、偏振分光镜分光后由两个探测器接收，参考角锥棱镜固定在直线位移 工作台上，测量角锥棱镜固定在压电陶瓷驱动器上，在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；测量空气折射率前，首先通过直 线位移工作台移动参考角锥棱镜，检测λ₁和λ₂的干涉信号的相位差变化2π时参 考角锥棱镜移动的位移ΔL，即为波长λ₁和λ₂形成的合成波长值λ_S/2；然后，直 线位移工作台不动，通过压电陶瓷驱动器调制测量角锥棱镜在Δl＝0.5μm范围内 往返运动，先将石英真空腔抽成真空，测得波长λ₁和λ₂的干涉信号相位差为接着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，再测得此时 波长λ₁和λ₂的干涉信号相位差为最后根据石英真空腔长度L、合成波长λ_S和波长λ₁和λ₂的干涉信号的相位差变化量与空气折射率n的关 系，得到空气折射率为：

二、一种调制式激光干涉空气折射率测量装置：

本发明包括双频激光器，分光镜，参考角锥棱镜，直线位移工作台，石英 真空腔，测量角锥棱镜，压电陶瓷驱动器，偏振分光镜，第一探测器和第二探 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、参考角锥 棱镜和测量角锥棱镜组成的迈克尔逊干涉仪，形成各自的干涉信号，再经分光 镜、偏振分光镜分光后，分别由第一探测器和第二探测器接收，第一探测器和 第二探测器接收的信号分别经相位差测量模块对两路干涉信号的相位差进行检 测后，送计算机显示，在分光镜和测量角锥棱镜之间的测量光路中还置有石英 真空腔，参考角锥棱镜固定在直线位移工作台上，测量角锥棱镜固定在压电陶 瓷驱动器上。

本发明具有的有益效果是：

本发明是通过调制测量角锥棱镜，将空气折射率变化引起的光程变化量调 制成两路干涉信号相位差的测量，可实现对空气折射率的高精度测量。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，可 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