[发明专利]一种基于色散干涉法的空气折射率测量装置及测量方法

摘要

一种基于色散干涉法的空气折射率测量装置及测量方法，该装置包括重复频率锁定的光学频率梳、分光比为5050的平板分束镜、长度一定的真空管、表面镀金的空心角锥以及记录干涉光谱的光谱分析仪，重复频率锁定的光学频率梳具有许多频率稳定的纵模，可以获得空气折射率的色散特性，真空管内部抽真空，外部与空气相通，可以在避免抽气和充气的情况下实现空气折射率的相对测量并且可以获得较高的测量不确定度；本发明还公开了该装置的测量方法，本发明测量装置具有装置简单、测量周期短、稳定性好等优势，可以在精密长度计量中用于空气折射率的实时修正。

主权项

一种基于色散干涉法的空气折射率测量装置的测量方法，所述测量装置包括作为光源的重复频率锁定的光学频率梳(1)，设置在重复频率锁定的光学频率梳(1)出光端的准直器(2)，使入射光以45°角入射的第一平面反射镜(3)，使第一平面反射镜(3)的反射光以45°角入射于分光比为50:50的平板分束镜(4)，放置在分光比为50:50的平板分束镜(4)后端的真空管(5)，所述真空管(5)的长度一定，其内部在制作时就被抽真空，其外部与空气相连，两端胶合两个融石英窗口使光通过，窗口直径保证分光比为50:50的平板分束镜(4)的反射光通过其外部，透射光通过其内部；真空管(5)的后端放置表面镀金的空心角锥(6)，所述表面镀金的空心角锥(6)的放置位置使反射光和透射光以45°角入射，同时，表面镀金的空心角锥(6)的两束反射光中一束通过真空管(5)的内部，另一束通过真空管(5)的外部；还包括第二平面反射镜(7)，所述第二平面反射镜(7)的放置位置使表面镀金的空心角锥(6)的两束反射光再次通过分光比为50:50的平板分束镜(4)反射和透射后合成的一束光以45°角入射，所述第二平面反射镜(7)的折射光位置处放置空间光耦合器(8)，所述空间光耦合器(8)的出光端放置光谱分析仪(9)，其作用就是记录两干涉臂的干涉光谱，用于后续数据处理从而计算得到空气折射率；其特征在于：所述测量方法包括如下步骤：步骤1：调节重复频率锁定的光学频率梳(1)中参考信号的频率使得光学频率梳的重复频率锁定到f0‑δf，用光谱分析仪(9)记录下此时的干涉光谱信号记为I‑(w)；其中：f0表示光学频率梳(1)的重复频率，δf表示重复频率的微小改变量；步骤2：调节重复频率锁定的光学频率梳(1)中参考信号的频率使得光学频率梳的重复频率锁定到f0，用光谱分析仪(9)记录下此时的干涉光谱信号记为I0(w)；步骤3：调节重复频率锁定的光学频率梳(1)中参考信号的频率使得光学频率梳的重复频率锁定到f0+δf，用光谱分析仪(9)记录下此时的干涉光谱信号记为I+(w)；步骤4：通过公式(1)‑(5)计算相位改变量φ；I0(λ)=I1(λ)+I2(λ)+2I1(λ)I2(λ)cosΦ0(λ)---(1)]]>I-(λ)=I1(λ)+I2(λ)+2I1(λ)I2(λ)cos[Φ0(λ)-φ]---(2)]]>I+(λ)=I1(λ)+I2(λ)+2I1(λ)I2(λ)cos[Φ0(λ)+φ]---(3)]]>Iref(λ)＝I1(λ)+I2(λ)   (4)φ=arccos[I+(λ)-Iref(λ)]+[I-(λ)-Iref(λ)]2[I0(λ)-Iref(λ)]---(5)]]>其中：φ为由于重复频率改变引起的相位改变，I0(λ)表示重复频率为f0时的干涉光强，I+(λ)表示重复频率为f0+δf时的干涉光强，I‑(λ)表示重复频率为f0‑δf时的干涉光强，Iref(λ)表示背景光强，I1(λ)和I2(λ)分别为两束干涉光的光强，λ为波长；步骤5：通过如下公式(6)计算干涉相位Φ0(λ)；Φ0(λ)=arccos2sinφ[I0(λ)-Iref(λ)]{[I-(λ)-Iref(λ)]-[I+(λ)-Iref(λ)]}2+{2sinφ[I0(λ)-Iref(λ)]}2---(6)]]>其中：Φ0(λ)表示重复频率为f0时的干涉相位；步骤6：由于：Φ0(λ)=2π[n(λ)-1]lcellλ-2mπ---(7)]]>对Φ0(λ)求导，由式(8)拟合得到空气折射率nair(λ)；dΦ0(λ)dλ=-2π[nair(λ)-1]lcellλ2---(8)]]>其中：lcell为真空管长度。