專利名稱：一種基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體折射率測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
氣體折射率是光學(xué)精密干涉測(cè)量以及光學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)以及數(shù)據(jù)處理時(shí)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，且變化范圍為10-6，因此一般將空氣折射率近似為1，但在高精度的長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，這一項(xiàng)近似所引入的誤差將不容忽視。為實(shí)現(xiàn)納米甚至亞納米的測(cè)量不確定度，需要將空氣折射率值精確測(cè)量到萬(wàn)分之一、十萬(wàn)分之一甚至是更高精度。其次，某些光學(xué)儀器需要在保護(hù)氣體，常見為氮?dú)獾榷栊詺怏w的環(huán)境下工作，為了得到滿足設(shè)計(jì)要求的成像效果， 需要對(duì)保護(hù)氣體的折射率進(jìn)行精確測(cè)量。此外，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、溫室氣體效應(yīng)監(jiān)測(cè)中，也需要對(duì)大氣折射率進(jìn)行精確測(cè)量。目前常見的氣體折射率測(cè)量方法可分為兩類間接測(cè)量法和直接測(cè)量法。其中，間接測(cè)量法是在由Edlen于1966年推導(dǎo)得出的經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它通過測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度、壓力和CO2含量計(jì)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(cè)量，對(duì)于其他氣體則完全不適用。直接測(cè)量法是根據(jù)折射率的定義對(duì)其進(jìn)行直接測(cè)量。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法不同，又可細(xì)分為表面等離子波測(cè)量法、瑞利干涉儀法、抽/充氣干涉測(cè)量法、梯形真空腔法、多波長(zhǎng)干涉測(cè)量法和雙真空室干涉測(cè)量法。這些測(cè)量方法各有特點(diǎn)，同時(shí)也各自存在不足要么測(cè)量準(zhǔn)確度有限，要么測(cè)量時(shí)間過長(zhǎng)，要么儀器加工困難， 要么測(cè)量范圍受限的缺陷。

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基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法，通過光頻梳對(duì)應(yīng)的激光脈沖信號(hào)光路的分光和反射方向上設(shè)置的平板分光鏡、真空管、角錐反射棱鏡、分光棱鏡以及平面反射鏡，另外還帶有在對(duì)應(yīng)光路上設(shè)置和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相連接的光譜分析儀和光電探測(cè)器，經(jīng)由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的待測(cè)氣體折射率估算模塊估算出待測(cè)氣體折射率，這樣具有設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、測(cè)量速度快以及可測(cè)量多種氣體的優(yōu)點(diǎn)，并由此可對(duì)環(huán)境氣體的折射率進(jìn)行精確、 實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而有望在光學(xué)精密測(cè)長(zhǎng)、光學(xué)設(shè)計(jì)和大氣監(jiān)測(cè)中獲得應(yīng)用。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x，包括光頻梳1，在光頻梳1的發(fā)射端光路上設(shè)置有其鏡面與該發(fā)射端光路相傾斜的平板分光鏡2，在平板分光鏡2的針對(duì)光頻梳1的發(fā)射光的分光光路上依次設(shè)置有其端部同該分光光路相垂直的真空管3以及底部同該分光光路相垂直的角錐反射棱鏡4，在平板分光鏡2的針對(duì)光頻梳1的發(fā)射光的另一條分光光路的逆時(shí)針垂直方向上依次設(shè)置有其一表面同該逆時(shí)針垂直方向相垂直的分光棱鏡5和其鏡面同該逆時(shí)針垂直方向相傾斜的平面反射鏡6，且所述的另一條分光光路的分光針對(duì)分光棱鏡5的反射光路和平面反射鏡6的反射光路上分別設(shè)置有光譜分析儀8和光電探測(cè)器7，該光譜分析儀8和光電探測(cè)器7同計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)9相連接，所述的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng) 9含有待測(cè)氣體折射率估算模塊。所述的光頻梳1是能穩(wěn)定輸出周期性超短光脈沖序列的光源且其光脈沖寬度為飛秒量級(jí)。所述的平板分光鏡2的上表面反射率為50%和下表面反射率為100%。所述的真空管3為中空的圓柱形玻璃管，以及分別固定在所述玻璃管兩個(gè)端面上的圓形玻璃板。所述的角錐反射棱鏡4能將入射光沿與入射方向平行的方向反射出去。所述的分光棱鏡5能將入射光能量平均分成兩部分，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。所述的平面反射鏡6能將入射光沿與入射方向垂直的方向反射出去。所述的光電探測(cè)器7能用于探測(cè)飛秒脈沖的時(shí)域信號(hào)。所述的光譜分析儀8能對(duì)飛秒脈沖信號(hào)進(jìn)行頻譜探測(cè)與分析。所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法是由光頻梳1發(fā)出的激光脈沖信號(hào)被平板分光鏡2上表面和下表面均勻分成兩束，其中在平板分光鏡2上表面分光的光束經(jīng)過真空管3的外側(cè)上部傳播，被角錐反射棱鏡4反射后沿真空管3的的外側(cè)下部傳播；在平板分光鏡2下表面分光的光束經(jīng)真空管3的內(nèi)側(cè)上部傳播，被角錐反射棱鏡4反射后沿真空管3的內(nèi)側(cè)下部傳播，這樣分別沿真空管3外側(cè)和內(nèi)側(cè)傳播的光束在平板分光鏡 2表面重合后被反射至分光棱鏡5，再經(jīng)分光棱鏡5分束后被光譜分析儀8和光電探測(cè)器7 接收，光譜分析儀和光電探測(cè)器7分別將探測(cè)到的脈沖信號(hào)和脈沖信號(hào)的頻譜探測(cè)與分析結(jié)果發(fā)送到計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)9中，并通過其待測(cè)氣體折射率估算模塊估算出待測(cè)氣體折射率。所述的待測(cè)氣體折射率估算模塊通過時(shí)域分析方法，即為根據(jù)公式Ttl = 21T(n-l)/c估算出待測(cè)氣體折射率，其中τ ^為分別經(jīng)過真空管3的外側(cè)和內(nèi)側(cè)激光脈沖信號(hào)后的時(shí)間延遲，It為真空管3長(zhǎng)度，c為真空中的光速，η為環(huán)境氣體的折射率。所述的待測(cè)氣體折射率估算模塊通過頻域分析方法，即為根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.一種基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x，包括光頻梳(1)，其特征在于在光頻梳(1) 的發(fā)射端光路上設(shè)置有其鏡面與該發(fā)射端光路相傾斜的平板分光鏡O)，在平板分光鏡(2)的針對(duì)光頻梳(1)的發(fā)射光的分光光路上依次設(shè)置有其端部同該分光光路相垂直的真空管C3)以及底部同該分光光路相垂直的角錐反射棱鏡G)，在平板分光鏡( 的針對(duì)光頻梳(1)的發(fā)射光的另一條分光光路的逆時(shí)針垂直方向上依次設(shè)置有其一表面同該逆時(shí)針垂直方向相垂直的分光棱鏡( 和其鏡面同該逆時(shí)針垂直方向相傾斜的平面反射鏡(6)， 且所述的另一條分光光路的分光針對(duì)分光棱鏡( 的反射光路和平面反射鏡6的反射光路上分別設(shè)置有光譜分析儀⑶和光電探測(cè)器(7)，該光譜分析儀⑶和光電探測(cè)器(7)同計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(9)相連接，所述的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(9)含有待測(cè)氣體折射率估算模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的光頻梳(1)能穩(wěn)定輸出周期性超短光脈沖序列的光源且其光脈沖寬度為飛秒量級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x，其特征在于 所述的平板分光鏡O)的上表面反射率為50%和下表面反射率為100%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x，其特征在于 所述的真空管C3)為中空的圓柱形玻璃管，以及分別固定在所述玻璃管兩個(gè)端面上的圓形玻璃板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x，其特征在于 所述的角錐反射棱鏡(4)能將入射光沿與入射方向平行的方向反射出去。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x，其特征在于 所述的分光棱鏡( 能將入射光能量平均分成兩部分，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。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x，其特征在于 所述的平面反射鏡(6)能將入射光沿與入射方向垂直的方向反射出去。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x，其特征在于 所述的光電探測(cè)器(7)能用于探測(cè)飛秒脈沖的時(shí)域信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x，其特征在于 所述的光譜分析儀(8)能對(duì)飛秒脈沖信號(hào)進(jìn)行頻譜探測(cè)與分析。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在于 由光頻梳(1)發(fā)出的激光脈沖信號(hào)被平板分光鏡( 上表面和下表面均勻分成兩束，其中在平板分光鏡( 上表面分光的光束經(jīng)過真空管C3)的外側(cè)上部傳播，被角錐反射棱鏡(4) 反射后沿真空管(3)的的外側(cè)下部傳播；在平板分光鏡( 下表面分光的光束經(jīng)真空管(3)的內(nèi)側(cè)上部傳播，被角錐反射棱鏡(4)反射后沿真空管(3)的內(nèi)側(cè)下部傳播，這樣分別沿真空管⑶外側(cè)和內(nèi)側(cè)傳播的光束在平板分光鏡⑵表面重合后被反射至分光棱鏡(5)， 再經(jīng)分光棱鏡( 分束后被光譜分析儀(8)和光電探測(cè)器(7)接收，光譜分析儀和光電探測(cè)器(7)分別將探測(cè)到的脈沖信號(hào)和脈沖信號(hào)的頻譜探測(cè)與分析結(jié)果發(fā)送到計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(9)中，并通過其待測(cè)氣體折射率估算模塊估算出待測(cè)氣體折射率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在于所述的待測(cè)氣體折射率估算模塊通過時(shí)域分析方法，即為根據(jù)公式τ C1 = ZIt(II-I)/c估算出待測(cè)氣體折射率，其中τ C1為分別經(jīng)過真空管(3)的外側(cè)和內(nèi)側(cè)激光脈沖信號(hào)后的時(shí)間延遲，It為真空管(3)長(zhǎng)度，c為真空中的光速，η為環(huán)境氣體的折射率。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在于所述的待測(cè)氣體折射率估算模塊通過頻域分析方法，即為根據(jù)公式
全文摘要
一種基于光頻梳的氣體折射率測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法，通過光頻梳對(duì)應(yīng)的激光脈沖信號(hào)光路的分光和反射方向上設(shè)置的平板分光鏡、真空管、角錐反射棱鏡、分光棱鏡以及平面反射鏡，另外還帶有在對(duì)應(yīng)光路上設(shè)置和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相連接的光譜分析儀和光電探測(cè)器，經(jīng)由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的待測(cè)氣體折射率估算模塊估算出待測(cè)氣體折射率，這樣具有設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、測(cè)量速度快以及可測(cè)量多種氣體的優(yōu)點(diǎn)，并由此可對(duì)環(huán)境氣體的折射率進(jìn)行精確、實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而有望在光學(xué)精密測(cè)長(zhǎng)、光學(xué)設(shè)計(jì)和大氣監(jiān)測(cè)中獲得應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102183486SQ20111003079
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者尉昊赟, 張繼濤, 李巖 申請(qǐng)人:清華大學(xué)