专利名称：基于y型腔正交偏振激光器的透明介质折射率测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于Y型腔正交偏振激光器的透明介质折射率测量方法及装置， 属于激光测量技术领域。
背景技术：
物质的折射率反映了物质内部的很多信息，同时与其它的一些参量(如密度、压强等)密切相关，因此对物质折射率的测量，在许多研究领域都有广泛的应用。通常测量透明介质折射率的方法是使用技术成熟的椭偏仪(孙顺明，张良莹，姚熹.椭偏技术的原理及其在功能薄膜表征中的应用[J].压电与声光，1998，20(3) 209-213)和运用全反射原理的阿贝折射仪(郝爱花，高应俊，阮驰，等.用反射法自动测量大尺寸样品的折射率分布[J].光子学报，2003，32 (7) 856-859)等现有仪器，其测量准确度虽高，但操作复杂，有一定的技术要求。为此，不断有人提出新的测量原理和方法，其中比较有代表性的包括干涉法(李毛和，张美敦.用光纤迈克耳孙干涉仪测量折射率[J].光学学报.2000，9 (20) 1294-1296;范延滨，王正彦.法布里-珀罗干涉图样与折射率对应关系的研究[J].量子电子学报，1999. 16(5) 466-468 ；SCHUBERT Th, HAASE N, KOCK H, et al. Refractive indexmeasurements using an integrated Mach-Zehnder interferometer[J]. Sensors and Actuators A，1997，60 (13) :108_112.)、最小偏向角法、布儒斯特角法(KEJALAKSHMY N,SRINIVASANK. Simple method of Brewster-angle measurement for the determination of refractive indices intransparent biaxial crystal[J]. Opt Eng,2001,40 (11) 2594-2597)等。这些方法中有的要求对待测样品进行严格加工，有的仪器结构复杂庞大，仪器调整复杂，测量工作繁重；有的仪器采用图像处理的方法，数据量大，必须依赖于计算机辅助进行，信号读出速度慢。
发明内容
为克服现有的透明介质折射率测量方法和装置的仪器结构复杂，操作工作繁重， 调节困难、精度不高等等不足，本发明提供一种基于Y型腔正交偏振激光器的高精度透明介质折射率测量方法及装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是本发明的装置，包括Y型腔正交偏振激光器、样品池、工作点选择与控制单元和信号采集与处理单元。其中，Y型腔正交偏振激光器包括腔体、第一高反射率镜片、第二高反射率镜片、第三高反射率镜片、偏振分光膜、氦氖放电管、第一压电陶瓷和第二压电陶瓷。腔体包括共用段、S子段和P子段。共用段和S子段采用微晶玻璃材料和钻孔工艺一体化加工，共用一个端面。第一高反射率镜片以光胶的方式贴在共用段的第一端面上， 第一压电陶瓷安装在第一高反射率镜片上。第二高反射率镜片以光胶的方式贴在S子段的第一端面上。偏振分光膜镀制在S子段和共用段的共用端面上。共用段内传播的S偏振光经偏振分光膜反射后进入S子段。第一高反射率镜片、第二高反射率镜片、偏振分光膜构成 S偏振光的谐振腔，简称“S子腔”。P子段采用微晶玻璃材料和钻孔工艺加工。P子段上设有通气孔。第三高反射率镜片以光胶的方式贴在P子段的第一端面上，第二压电陶瓷安装在第三高反射率镜片上。P子段的第二端面与共用段和S子段的公共端面以光胶的方式连接。共用段内传播的P偏振光经偏振分光膜后透射至P子段。第一高反射率镜片、偏振分光膜和P子段构成P偏振光的谐振腔，简称“P子腔”。样品池由Y型腔正交偏振激光器的偏振分光膜与高反射率镜片之间的密闭毛细管构成，也可在偏振分光膜与高反射率镜片之间另外放置容器作为样品池。工作点选择与控制单元接收Y型腔正交偏振激光器的S子段和P子段输出的S偏振光和P偏振光，采用等光强的方法将两偏振态纵模稳定在增益曲线上关于中心频率对称的位置；它与Y型腔正交偏振激光器的氦氖放电管的阴极和阳极相连，为Y型腔正交偏振激光器的氦氖放电管提供泵浦电压；它与Y型腔正交偏振激光器的第二压电陶瓷相连接， 通过调节第二压电陶瓷的电压，使得Y型腔正交偏振激光器中两偏振光的频差大于闭锁阈值。信号采集与处理单元与Y型腔正交偏振激光器的共用段相连接，接收Y型腔正交偏振激光器的输出频差，并进行滤波、计数、运算和显示。氦氖放电管包括增益区、阴极和阳极。增益区置于共用段中，其内充有氦氖混合气体，氦气和氖气的气压比约为7 1。样品池置于P子段中，待测透明介质通过样品池上的开口抽入或抽出。其中，测量装置的工作点是指Y型腔正交偏振激光器中纵模在其增益曲线上的相对位置。工作点选择与控制单元包括第一光电探测器、第二光电探测器、工作点选择和控制电路。第一光电探测器接收Y型腔正交偏振激光器S子段出射的S偏振光，并将其转化为电压信号。第二光电探测器接收Y型腔正交偏振激光器P子段出射的P偏振光，并将其转化为电压信号。工作点选择和控制电路与Y型腔正交偏振激光器的阴极和阳极，为氦氖放电管提供泵浦电压；它与第一光电探测器、第二光电探测器、第一压电陶瓷相连，通过比较S偏振光和P偏振光的光强大小，采用等光强的方法，通过调节第一压电陶瓷的电压，使得S偏振光纵模和P偏振光纵模在增益曲线上关于中心频率对称；它与第二压电陶瓷相连， 通过调节第二压电陶瓷的电压，使得Y型腔正交偏振激光器中两偏振光的频差大于闭锁阈值。信号采集与处理单元包括偏振片、第三光电探测器、计数与信号处理电路。S偏振光和P偏振光沿着偏振片的偏振方向的分量产生拍频。第三光电探测器将拍频信号转化为电压信号后送入计数与信号处理电路中。计数与信号处理电路测量拍频信号的频率，并进行滤波、运算和显示。本发明的基本工作过程如下透明介质抽入或抽出样品池后，Y型腔正交偏振激光器中P子段的折射率会发生改变，从而导致S子腔和P子腔光学长度差的变化，Y型腔正交偏振激光器中S偏振光和P 偏振光的拍频频差也将发生变化，根据激光器的驻波条件，该拍频频差的变化值与透明介质的折射率成正比。
本发明的有益效果是(一 )所述的透明介质折射率测量方法和装置，输出信号为S偏振光和P偏振光的拍频频差，为数字信号，可采用计数器直接读出，信号读出设备简单、便携，该方法和装置具有很高的响应速度，可用于透明介质折射率的实时监测；(二)所述的透明介质折射率测量方法和装置，将透明介质的折射率转化为Y型腔正交偏振激光器的拍频频差变化，比例因子大；(三)所述的透明介质折射率测量方法和装置中，Y型腔正交偏振激光器中S偏振光和P偏振光共用增益区，两偏振光的频率差动产生的拍频频率基本消除了增益区的温度变化对激光器频差稳定性的影响，因此Y型腔正交偏振激光器的频差稳定性较高，保证了所述的位移测量方法和装置有较高的零偏稳定性、较高的分辨率。
图1为透明介质折射率测量装置中Y型腔正交偏振激光器的原理结构图；图2为基于Y型腔正交偏振激光器的透明介质折射率测量装置的总体结构图；图3为透明介质折射率在线监测装置中Y型腔正交偏振激光器的原理结构图。
具体实施例方式在图1中，Y型腔正交偏振激光器100包括压电陶瓷101、第一高反射率镜片103、 第二高反射率镜片104、第三高反射率镜片105、偏振分光膜106、氦氖放电管107、共用段 108、S子段109和P子段110。共用段108和S子段109采用微晶玻璃材料一体化加工，它们共用一个端面。第一高反射率镜片103以光胶的方式贴在共用段108的第一端面上，第一压电陶101瓷安装在第一高反射率镜片上。第二高反射率镜片104以光胶的方式贴在S子段109的第一端面上。第二压电陶瓷102安装在第二高反射率镜片104上。偏振分光膜106镀制在S子段109 的共用端面上。共用段内S偏振光经偏振分光膜106反射后进入S子段。第一高反射率镜片103、第二高反射率镜片104、偏振分光膜106构成S偏振光的谐振腔，简称“S子腔”。P 子段采用微晶玻璃材料和钻孔工艺加工，第三高反射率镜片105以光胶的方式贴在P子段 110的第一端面上，P子段的第二端面与共用段和S子段的公共端面以光胶的方式连接。共用段内P偏振光经偏振分光膜106后透射至P子段。第一高反射率镜片103、第三高反射率镜片105、偏振分光膜106构成P偏振光的谐振腔，简称“P子腔”。氦氖放电管107中充有氦氖混合气体，氦气和氖气的气压比约为7 1。在图2中，本发明的装置包括Y型腔正交偏振激光器100、样品池111、工作点选择与控制单元、信号采集与处理单元300。样品池111可由P子段中偏振分光膜106与高反射率镜片105之间的毛细管构成，也可在偏振分光膜106与高反射率镜片105之间另外放置容器作为样品池，但容器的两个端面需垂直于谐振腔光轴，而且这两个端面上均需镀制增透膜。样品池上设有第一开口 112，待测透明介质通过第一开口 112抽入或抽出。工作点选择与控制单元包括第一光电探测器201、第二光电探测器202、工作点选择和控制电路203。第一光电探测器201接收Y型腔正交偏振激光器100S子段出射的S偏振光，并将其转化为电压信号，第二光电探测器201接收Y型腔正交偏振激光器100P子段出射的P偏振光，并将其转化为电压信号。工作点选择和控制电路203具有三个主要功能， 第一个功能是为氦氖放电管提供高电压，第二个功能是调节压电陶瓷102的电压，使得Y型腔正交偏振激光器100中两偏振光的频差大于闭锁阈值，第三个功能是根据第一光电探测器201和第二光电探测器202的输出电压，采用等光强的方法稳频，即通过调节压电陶瓷 101的电压，使得S偏振光纵模和P偏振光纵模在增益曲线上关于中心频率对称。信号采集与处理单元300包括偏振片301、第三光电探测器302和计数与信号处理电路303。共用段输出的S偏振光和P偏振光沿着偏振片301的偏振方向的分量产生拍频，第三光电探测器302接收拍频信号，并将其转化为电压信号后送入计数与信号处理电路303中，计数与信号处理电路303测量拍频信号的频率，并进行滤波、计数、运算和显示。图3是图2中Y型腔正交偏振激光器100的另外一种结构，该结构可用于透明介质折射率的在线实时监测。样品池111上设有两个开口，第一开口 112和第二开口 113。透明介质从第一开口 112流入，从第二开口 113流出，或者从第二开口 113流入，从第一开口 112流出，当透明介质折射率发生改变时，Y型腔正交偏振激光器的拍频频差会发生改变， 从而实现对待测透明介质折射率的在线实时监测。
权利要求
1.基于Y型腔正交偏振激光器的透明介质折射率测量装置，包括Y型腔正交偏振激光器、样品池、工作点选择与控制单元、信号采集与处理单元，其特征在于型腔正交偏振激光器包括腔体、第一高反射率镜片、第二高反射率镜片、第三高反射率镜片、偏振分光膜、氦氖放电管、第一压电陶瓷和第二压电陶瓷；腔体包括共用段、S子段和P子段；共用段和S子段采用微晶玻璃材料和钻孔工艺一体化加工，共用一个端面；第一高反射率镜片以光胶的方式贴在共用段的第一端面上，第一压电陶瓷安装在第一高反射率镜片上；第二高反射率镜片以光胶的方式贴在S子段的第一端面上；偏振分光膜镀制在S子段和共用段的共用端面上；共用段内传播的S偏振光经偏振分光膜反射后进入S子段；第一高反射率镜片、第二高反射率镜片、偏振分光膜构成S偏振光的谐振腔，简称“S子腔” ；P子段上设有通气孔；第三高反射率镜片以光胶的方式贴在 P子段的第一端面上，第二压电陶瓷安装在第三高反射率镜片上；P子段的第二端面与共用段和S子段的公共端面以光胶的方式连接；共用段内传播的P偏振光经偏振分光膜后透射至P子段；一高反射率镜片、偏振分光膜和P子段构成P偏振光的谐振腔，简称“P子腔”；工作点选择与控制单元接收Y型腔正交偏振激光器的S子段和P子段输出的S偏振光和P偏振光，采用等光强的方法将两偏振态纵模稳定在增益曲线上关于中心频率对称的位置；它与Y型腔正交偏振激光器的氦氖放电管的阴极和阳极相连，为Y型腔正交偏振激光器的氦氖放电管提供泵浦电压；它与Y型腔正交偏振激光器的第二压电陶瓷相连接，通过调节第二压电陶瓷的电压，使得Y型腔正交偏振激光器中两偏振光的频差大于闭锁阈值；信号采集与处理单元与Y型腔正交偏振激光器的共用段相连接，接收Y型腔正交偏振激光器的输出频差，并进行滤波、计数、运算和显示。
2.根据权利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的透明介质折射率测量装置，其特征在于，样品池由Y型腔正交偏振激光器的偏振分光膜与高反射率镜片之间的密闭毛细管构成，也可在偏振分光膜与高反射率镜片之间另外放置容器作为样品池。
3.根据权利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的透明介质折射率测量装置，其特征在于，氦氖放电管包括增益区、阴极和阳极。增益区置于共用段中，其内充有氦氖混合气体，氦气和氖气的气压比约为7 1。
4.根据权利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的透明介质折射率测量装置，其特征在于，样品池上设有第一开口。
5.根据权利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的透明介质折射率测量装置，其特征在于，样品池上设有两个开口，第一开口和第二开口。
全文摘要
本发明涉及一种基于Y型腔正交偏振激光器的透明介质折射率测量方法及装置，由Y型腔正交偏振激光器、样品池、工作点选择与控制单元和信号采集与处理单元组成。透明介质抽入或抽出样品池后，Y型腔正交偏振激光器的P子段的折射率会发生改变，从而导致S子腔和P子腔光学长度差的变化，Y型腔正交偏振激光器中S偏振光和P偏振光的拍频频差也将发生变化，该拍频频差的变化值与透明介质的折射率成正比。本发明具有高分辨率、高线性度、直接数字式输出、结构简单、操作方便、快捷等特点。本发明还可用于透明介质折射率的实时监测。
文档编号G01N21/21GK102507450SQ20111034211
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者张斌, 肖光宗, 龙兴武 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学