[发明专利]一种大量程气体折射率实时测量系统

说明书

本发明属于气体折射率测量技术领域，具体涉及一种大量程气体折射率实时测量系统。可变腔长的真空腔由三个反射镜W1～W3构成，反射镜W1与W2形成一个真空腔，改变反射镜W1的位置改变真空腔的腔长；反射镜W2和W3固定不变，二者之间为空气；激光干涉系统包含四束激光干涉光路，从不同的位置分别射入可变腔长的真空腔，光束1由反射镜W1反射，光束2经过反射镜W1和真空腔由反射镜W2反射，光束3经过反射镜W1、W2和真空腔由反射镜W3反射，光束4经过反射镜W1、W2和空气由反射镜W3反射。本发明通过比较真空腔腔长改变前后干涉信号的相位差，实现气体折射率的绝对测量，然后通过实时测量真空腔内外光路光程差的相位变化，实现气体折射率的实时测量。

技术领域

本发明属于气体折射率测量技术领域，具体涉及一种基于激光干涉技术和可变腔长真空腔的大量程气体折射率实时测量系统。

背景技术

气体折射率是各类光学系统设计中特别关注的一个物理量，气体折射率的准确测量是开展光学精密测量的基础。在精密制造等需要高精度光学测量的领域中，气体折射率的实时测量是现场对高精度光学测量仪器开展误差补偿工作的有效途径，是提高光学测量仪器测量精度的重要手段之一。

目前，常见的气体折射率测量方法可分为两类：间接测量法和直接测量法。间接测量法也称为经验公式法，主要是通过测量环境的温度、湿度、压力和CO₂含量，依据理论公式和实验摸索的经验公式(如著名的Edlén公式)计算获得空气折射率。该方法虽然可实现气体折射率的实时测量，但受经验公式的限制，只适用于空气，无法适用于其他气体。同时，折射率的测量范围也受公式适用范围的影响，相对较小。该方法属于本领域的公知方法。

直接测量法主要利用电磁波的特性直接对气体折射率进行测量，常用的测量原理是利用微波或光波比对其在真空中和被测气体中传输的光程差异，从而实现气体折射率的直接测量。根据实现方式的不同，现存的各种直接测量方法存在测量时间长、仪器复杂、适用范围小等缺点。如发明专利CN102221535A和CN102323237A公开了一种应用三真空管的气体折射率测量仪，尽管应用三个真空管扩大了气体折射率测量范围，但针对不同的气体，仍需要设计不同腔长的真空管，适用性仍有待提高。尽管单次测量速度可控制在1分钟之内，但仍无法做到实时测量。

发明专利CN102183486B公开了一种基于光频梳的气体折射率测量方法，利用光频梳的多波长合成实现对气体折射率的估算，可实现气体折射率的快速测量，但由于真空管长度的限制，气体折射率的测量范围仍然有限。

发明专利CN103454247A公开了应用全反射原理的大量程折射率测量装置，通过图像比较计算获得折射率，可应用于气体折射率的测量，但此方法准确度受测量原理的限制，仅可达到10^-4～10^-5量级，尚无法满足气体折射率的高精度测量需求。

传统依靠F-P腔的方法，属于本领域的公知方法，但需要在测量过程中进行充放气操作，无法实现气体折射率的实时测量。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提出一种能够在大量程范围内实现气体折射率实时测量的系统，使气体折射率的测量范围摆脱真空腔腔长的限制，并实现任意气体折射率的实时测量。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种大量程气体折射率实时测量系统，包含可变腔长的真空腔和激光干涉系统；可变腔长的真空腔由三个反射镜W1～W3构成，反射镜W1与W2形成一个真空腔，可通过改变反射镜W1的位置来改变真空腔的腔长；反射镜W2和W3固定不变，二者之间为空气；激光干涉系统包含四束激光干涉光路，从不同的位置分别射入可变腔长的真空腔，由不同的反射镜反射：光束1由反射镜W1反射，光束2经过反射镜W1和真空腔由反射镜W2反射，光束3经过反射镜W1、W2和真空腔由反射镜W3反射，光束4经过反射镜W1、W2和空气由反射镜W3反射。