基于光学游标珐珀干涉的空气折射率波动测量装置和方法与流程

1.本技术属于空气折射率波动测量领域，具体涉及基于光学游标珐珀干涉的空气折射率波动测量装置和方法。


背景技术：

2.空气折射率在光学精密测量等领域有着非常重要的作用，往往影响着最后测量结果的准确性。空气折射率波动是测量当前空气折射率相对于某一时刻空气折射率的波动，目前主要通过测量空气折射率间接的测得空气折射率波动值。
3.但是，目前空气折射率的测量方法中，无论是瑞利干涉测量法、f
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p干涉拍频测量法、波纹管双干涉测量法、全反射相位跳变法，还是edlen公式计算法，均存在因测量条件变化快，干扰因素多，导致测量精度较低，并且上述测量方法的装置一般比较复杂，不易操作，加大了测量难度。
4.申请内容
5.本技术提出了基于光学游标珐珀干涉的空气折射率波动测量装置和方法，将两束波长不等的光束通过不同的平面镜和相同的反射镜，得到两个不同的干涉信号，通过对两个不同干涉信号的解调，实现空气折射率波动的测量，解决现有测量技术结构复杂，测量难度高的问题。
6.为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
7.基于光学游标珐珀干涉的空气折射率波动测量装置，包括：光源系统、解调系统、光电转换单元、平面镜单元、反射镜单元；
8.所述光源系统用于同时产生第一原始光束和第二原始光束，所述第一原始光束的波长和所述第二原始光束的波长不同；
9.通过所述平面镜单元和所述反射镜单元，分别形成所述第一原始光束对应的第一干涉光束和所述第二原始光束对应的第二干涉光束；
10.所述光电转换单元用于分别获取所述第一干涉光束对应的第一干涉信号和所述第二干涉光束对应的第二干涉信号；
11.所述解调系统用于对所述第一干涉信号和所述第二干涉信号进行解调，根据解调的结果计算空气折射率波动；所述解调系统还用于控制所述反射镜产生位移。
12.优选的，所述平面镜单元包括第一谐振平面镜和第二谐振平面镜，所述第一谐振平面镜用于对所述第一原始光束产生谐振作用，所述第二谐振平面镜用于对所述第二原始光束产生谐振作用。
13.优选的，所述第一谐振平面镜的反射率为第一预设反射率，所述第二谐振平面镜的反射率为第二预设反射率，所述第一预设反射率与所述第二预设反射率均大于2.5％且小于97.6％。
14.优选的，所述第二谐振平面镜的上端1/4部分和下端1/4部分的反射率均为第二预设反射率，所述第二谐振平面镜的其余部分镂空，所述第二原始光束从所述第二谐振平面
镜的上端1/4部分穿过，所述第二干涉光束从所述第二谐振平面镜的下端1/4部分穿过。
15.优选的，所述第一谐振平面镜和所述第二谐振平面镜之间的距离为谐振距离。
16.本技术还公开了基于光学游标珐珀干涉的空气折射率波动测量方法，包括如下步骤：
17.同时产生第一原始光束和第二原始光束，所述第一原始光束的波长和所述第二原始光束的波长不相等；
18.通过第一谐振平面镜和反射镜单元得到所述第一原始光束的第一干涉光束，通过第二谐振平面镜和所述反射镜单元得到所述第二原始光束的第二干涉光束；
19.根据所述第一干涉光束得到第一干涉信号，根据所述第二干涉光束得到第二干涉信号；
20.对所述第一干涉信号和所述第二干涉信号进行解调，根据所述解调的结果控制所述反射镜单元的位移，当所述第一干涉信号和所述第二干涉信号同时达到干涉峰值点时，得到所述反射镜单元的初始位置；
21.移动所述反射镜单元，所述反射镜单元的移动距离不超过一个光学游标长度，当所述第一干涉信号和所述第二干涉信号再次同时达到干涉峰值点时，得到所述反射镜单元的扫描位置；
22.基于所述反射镜单元的所述初始位置、所述反射镜单元的所述扫描位置、所述第一谐振平面镜与所述第二谐振平面镜之间的所述谐振距离，计算空气折射率波动，完成空气折射率波动测量。
23.优选的，所述光学游标长度的计算公式为：
[0024][0025]
其中，l
y
为光学游标长度，λ0为所述第一原始光束的波长，λ1为所述第二原始光束的波长。
[0026]
优选的，所述空气折射率波动的计算公式为：
[0027][0028]
其中，δn为空气折射率波动，l0为所述反射镜单元的所述初始位置，l1为所述反射镜单元的所述扫描位置，l为所述第一谐振平面镜与所述第二谐振平面镜之间的所述谐振距离。
[0029]
本技术的有益效果为：
[0030]
本技术公开了基于光学游标珐珀干涉的空气折射率波动测量装置和方法，将两束波长不等的原始光束通过不同的平面镜和共同的反射镜，使两束干涉光束之间存在一定波长差，对两个干涉光束的电信号进行解调，实现空气折射率波动的测量，本装置结构简单，操作方便；同时，通过对两束光束在一个光学游标范围内的微调，可以实现10
‑
11
的空气折射率波动测量精度；另外，由于两束原始光束的光路路径并不相同，还能够很大程度抑制其他
环境波动的影响，抗干扰能力强。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为fabry
‑
perot腔的变化对不同波长的激光产生的干涉峰影响示意图；
[0033]
图2为本技术实施例中基于光学游标珐珀干涉的空气折射率波动测量装置的结构示意图；
[0034]
图3本技术实施例中基于光学游标珐珀干涉的空气折射率波动测量方法的流程示意图。
[0035]
附图说明：1.第一谐振平面镜；2.第二谐振平面镜；3.角锥反射镜；4.稳固台；5.位移台；11.第一光电转换器；12.第二光电转换器；21.光源系统；22.解调系统。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0037]
为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
[0038]
游标效应最初应用于提高长度测量的分辨率(如游标卡尺)，其工作原理在于巧妙利用第一尺与游标的微小比例尺差异来进行长度测量。光学游标原理就是游标效应在光学干涉中的应用，当两个具有波长差的激光进行fabry
‑
perot干涉时，会形成两个具有微小差异的干涉信号，与游标卡尺的第一尺与游标具有异曲同工之妙。通过对这两个干涉信号进行解调，就能通到光学游标和光学第一尺得到亚皮米级分辨力的位移读数。
[0039]
fabry
‑
perot干涉为多光束干涉，根据多光束干涉的公式：
[0040][0041]
其中，p为透射光光强，a为入射光光振幅，r为fabry
‑
perot腔谐振镜的光强反射率，d为fabry
‑
perot腔腔长，λ为入射光波长。折叠fabry
‑
perot腔干涉峰的间隔δd与干涉波长λ之间的关系可表示为：
[0042][0043]
如附图1所示，根据干涉激光波长的不同，随着fabry
‑
perot腔的变化会出现间距不同的干涉峰。如果两个fabry
‑
perot腔的干涉波长非常接近，那么他们分别进行干涉后形
成的干涉峰间隔也会非常接近。比如波长为633nm与波长为632.996nm分别进行干涉形成的干涉峰间隔的差值就为1pm。利用这两个具有不同等间隔的干涉峰就能构建光学第一尺与光学游标，根据不同的波长差值就能形成不同分辨率的光学游标尺。
[0044]
根据上述原理，本技术设计了基于光学游标珐珀干涉的空气折射率波动测量装置，包括：光源系统21、解调系统22、光电转换单元、平面镜单元、反射镜单元；如图2所示，其中，光源系统21用于同时产生第一原始光束和第二原始光束1，两束原始光束的波长不同，分别标记为λ0和λ；平面镜单元包括第一谐振平面镜1和第二谐振平面镜2，第一谐振平面镜1用于对第一原始光束产生谐振作用，其反射率为第一预设反射率，第二谐振平面镜2用于对第二原始光束产生谐振作用，其上端1/4部分和下端1/4部分的反射率均为第二预设反射率，其余部分镂空。两个谐振平面镜的反射率均在2.5％～97.6％，可以相同，也可以不同。在本实施例中，为了保证两个谐振平面镜位置固定且间距维持不变，增加零膨胀玻璃材质的稳固台4，第一谐振平面镜1和第二谐振平面镜2均与稳固台4固定连接，并保持两个谐振平面镜之间的间距为谐振距离l。反射镜采用角锥反射镜3，这样，第一谐振平面镜1、第二谐振平面镜2、角锥反射镜3，顺序设置，第一原始光束穿过第一谐振平面镜1后穿过第二谐振平面镜2的镂空部分射向角锥反射镜3，可以保证两束原始光束的光路基本一致，有利于计算准确。另外，为了保证角锥反射镜3位移精度，增加位移台5与角锥反射镜3固定连接，位移台5在解调系统22的控制下带动角锥反射镜3产生位移。
[0045]
光电转换单元包括第一光电转换器11和第二光电转换器12，第一原始光束穿过第一谐振平面镜1后从第二谐振平面镜2中间的镂空部分射向角锥反射镜3，经角锥反射镜3的反射后最终形成第一干涉光束，第一干涉光束同样从第二谐振平面镜2中间的镂空部分和第一谐振平面镜1穿过，第一光电转化器接收该第一干涉光束，生成第一干涉信号i0；第二原始光束从第二谐振平面镜2上端1/4部分穿过并经角锥反射镜3的反射后最终形成第二干涉光束，第二干涉光束从第二谐振平面镜2的下端1/4部分穿过，第二光电转化器接收该第二干涉光束，生成第二干涉信号i1。
[0046]
解调系统22用于对第一、第二干涉信号i0、i1进行解调，判断i0、i1是否同时达到干涉峰值，计算空气折射率波动。解调系统22还用于根据解调结果控制位移台5带动角锥反射镜3产生位移。
[0047]
在本实施例中，标记第一谐振平面镜1、角锥反射镜3构成第一fabry
‑
perot腔，第一谐振平面镜1、角锥反射镜3、位移台5组成第一fabry
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perot干涉仪，标记第二谐振平面镜2、角锥反射镜3构成第二fabry
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perot腔，第二谐振平面镜2、角锥反射镜3、位移台5组成第二fabry
‑
perot干涉仪；其中，第二fabry
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perot腔为第一fabry
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perot干涉仪与第二fabry
‑
perot干涉仪公共腔体。由此构成两套干涉仪，通过使第一、第二干涉光束之间存在一定波长差，通过角锥反射镜3移动，构成光学游标，采用大小数结合可准确计算空气折射率波动。
[0048]
本实施例在测量时，第一谐振平面镜1与第二谐振平面镜2固定于零膨胀玻璃上，形成固定距离的测量腔长，即谐振距离l。空气折射率波动变化会导致测量腔内的光程发生变化，从而使得第一、第二干涉信号同时达到干涉峰值点的位置发生变动，检测这个位置变动就能换算得到空气折射率的波动量，从而简化测量装置结构和测量过程。
[0049]
本实施例还公开了基于光学游标珐珀干涉的空气折射率波动测量方法，如图3所示，包括如下步骤：
[0050]
s102.光源系统21同时输出波长分别为λ0、λ1的两束原始光束，分别记作第一原始光束和第二原始光束，此时的光学游标长度l
y
为：
[0051][0052]
其中，l
y
为光学游标长度，λ0为所述第一原始光束的波长，λ1为所述第二原始光束的波长；
[0053]
s104.波长为λ0的第一原始光束射向第一fabry
‑
perot干涉仪中干涉形成第一干涉光束，波长为λ1的第二原始光束射向第二fabry
‑
perot干涉仪中干涉形成第二干涉光束；
[0054]
s106.第一干涉光束被第一光电转化器接收生成第一干涉信号i0，第二干涉光束被第二光电转换器12接收生成第二干涉信号i1；
[0055]
s108.第一、第二干涉信号i0、i1同时进入到解调系统22中，解调系统22对i0、i1进行解调判断，同时控制位移台5带动角锥反射镜3产生位移，当解调系统22检测到i0、i1同时到达干涉峰值点时，位移台5停止移动，记录此时位移台5的初始位置l0。
[0056]
s110.解调系统22控制位移台5来回重复扫描一个光学游标长度l
y
，使得固定其上的角锥反射镜3来回重复扫描一个光学游标长度l
y
，当解调系统22再次检测到i0、i1同时达到干涉峰值点时，位移台5停止移动，记录此时位移台5的扫描位置l1。
[0057]
s112.计算空气折射率波动：
[0058][0059]
其中，δn为空气折射率波动，l0为位移台5的初始位置，l1为位移台5的所述扫描位置，l为第一谐振平面镜1与第二谐振平面镜2之间的测量腔长，即谐振距离。
[0060]
重复上述操作，不断计算空气折射率的波动。
[0061]
带入典型值计算：当两激光频率差值为1ghz，位移台5定位精度为20nm，小数解调峰值区分度为750nm，测量腔的长度l为100mm时，空气折射率波动的测量精度可达3.4
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，可见，本技术的计算方法，通过使第一、第二干涉光束之间存在一定波长差，采用光学游标原理进行干涉小数解析，能够实现10
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的空气折射率波动测量精度。
[0062]
以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。