专利名称：双瑞利空气折射率干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双瑞利空气折射率干涉仪属于计量领域的干涉测量技术。
在长度的干涉测量中，空气折射率测量的重要性毋庸赘述，并且空气折射率的测量误差往往已成为长度测量中的一项主要误差来源。
工业生产经常要求长度测量的准确度优于1×10-7，而在一些精密物理常数测量或其它科学研究中，则往往要求更高的测量准确度，因此不确定度为2-5×10-8的空气折射率值经常是必需的。
空气折射率的测量方法大体上可分成两类，通过测量空气的气压、温度和湿度，然后用公式计算空气折射率，或直接用干涉仪测量空气折射率。
1公式计算法空气折射率与空气的压力p，温度t，和湿度f等参数有关，同时也与空气成分有关。B.Edlen在1966年发表了一组以实验数据为基础的空气折射率公式(期刊Metrologia，1966年第2期71至80页)，已知空气的压力、温度和湿度后，可由下述公式计算出标准成分的空气折射率(n-1)s×108＝8342.13+2406030/(130-σ2)+15997/(38.9-σ2)(n-1)tp＝[p(n-1)s/720.775]×[1+p(0.817-0.0133t)10-6]/(1+0.0036610t)ntpf-ntp＝-f(5.7224-0.0457σ2)×10-8上式中下标“S”表示标准状态下的空气折射率，即对应于p＝760mmHg(1mmHg＝133.32Pa)，t＝15℃的干燥空气，下标“tp”表示一般状态下的干燥空气；而下标“tpf”则表示一般状态下的空气；σ为真空波数(μm-1)。
对应于标准空气，上式的不确定度约为5×10-8。所谓标准空气是指空气中各主要成分的摩尔百分比为氮78.09％，氧20.95％，氩0.93％和二氧化碳0.03％。
通过Edlen公式计算空气折射率的方法至今仍在广泛采用，例如美国HP公司的双频激光干涉仪，英国Ranishaw公司的激光干涉仪，以及国内绝大部分的实验室干涉测量。
最近也有报道可利用二氧化碳传感器测量空气中二氧化碳的含量，以对折射率进行进一步的修正(作者Birch K.P.and DownsM.J，Metrologia，1993年第30期155至162页)，这样可以将计算公式的准确度提高到3×10-8。
公式计算法的主要缺点是(1)空气折射率与空气成分有关，而利用经验公式计算到的空气折射率只适用于标准空气情况。当测量环境的空气成分偏离标准空气时，公式的误差就会超出上面所给的不确定度。在通常的测量环境中，由于二氧化碳含量增加和各种油蒸汽的污染，使空气折射率的实际值和计算值之间可能产生很大的差异，通常是实际值稍大于计算值，并且其差值随环境条件而异，往往可达1×10-7，有时甚至高达2×10-7。这限制了公式计算法在高准确度长度测量中的应用。
(2)通过测量空气中二氧化碳的含量，可以对空气折射率进行进一步的修正，据报导可将公式的不确定度减小到3×10-8(Owen J.C.，Appl.Opt.，1967年第6期51至59页)，但文章同时又指出，在实际应用中由于各空气参数传感器所带来测量不确定度，使公式计算的总误差增大到1×10-7。若考虑到二氧化碳传感器的检定，及其稳定度的考察等问题，以及二氧化碳传感器的高昂价格(单价约6000美元)，使该法的实用价值大大降低。
(3)常规的水银气压计读数比较困难，不能适应当今科学技术对测量自动化的要求。而在工业测量中已广泛使用的各种压力传感器，通常其随时间的漂移较大，必须经常进行检定，故也不适合于要求较高的精密长度计量。
鉴于上述原因，在诸如基准线纹米尺和一等大量块检定等要求空气折射率的不确定度优于5×10-8的场合，就必须直接测量空气折射率。
2直接测量法利用干涉仪直接测量空气折射率是最常用的方法，由于气体的折射率一般很小，与真空的折射率1相差不大，以空气为例，在常温、常压下其折射率约为1.00027，它与真空折射率仅相差2.7×10-4。用干涉仪测量空气折射率时，通常以真空的折射率作为标准，所测量的是空气折射率和真空折射率之差，因此若能以1×10-5的不确定度测出空气和真空两光路间的光程差，则所得空气折射率的不确定度就可达2.7×10-9，即测量准确度可以提高约3700倍。
许多类型的干涉仪可用来测量空气折射率，测量不确定度均可达10-8量级，可以满足一般精密测量的要求。但就已有的几种方法而言，它们有的装置较大，不便移动；有的需要在测量时对气室抽真空而使用不便；还有些则测量原理复杂，对仪器要求较高，并且价格昂贵而无法推广使用。
2.1抽真空法用干涉仪测量空气折射率的经典方法是使干涉仪的一支光路通过一已知长度气室，气室中充满了与测量环境相同的空气，然后将其逐渐抽成真空，只要测出抽气前后干涉条纹级次的变化，就可准确地求出空气折射率。这种方法虽然可达到5×10-8的测量不确定度，但其操作复杂，并需要有真空泵配合工作，而且往往只能测量开始时的空气折射率，很难反映测量过程中空气折射率的可能变化，也无法进行实时修正。
2.2采用封离的真空室本发明者曾发明过一种改进型的瑞利干涉仪，当采用1200mm长的真空管时，有可能达到2-4×10-8的测量不确定度。二十余年的应用表明该仪器使用方便，测量准确度也能满足要求，其缺点是对仪器的机械加工精度要求较高；需定期采用多种波长通过小数重合法对仪器进行定度；并且只能用肉眼进行观测和读数，使该仪器无法满足测量自动化，特别是进行实时修正的要求。
2.3拍频测量法其基本原理是测量光学谐振腔在真空状态下的腔长，以及抽真空前，后腔长的几何变化量，从而得到该光学谐振腔在充气状态下的谐振腔长度。并以此长度作为标准，将激光频率锁定到该充气光学谐振腔的谐振频率上，同时通过拍频法测量出被锁定的激光频率，由此可计算出空气折射率(Xu Yi et al.Proceedings of the 12thTriennial world Congress of the International MeasurementationConfederation，BeiJing，China Sep.5-10.1991，804-807)。拍频法是以光学谐振腔的几何长度为标准的，因此谐振腔材料的稳定性将会影响测量的准确度。据文献报导，即使是目前国际上公认为最好的低膨胀系数材料“Zerodur”，其年相对漂移量也有3-10×10-8。因此要达到该法自称的5×10-8的测量不确定度，必需经常对光学谐振腔的长度进行周期检定。该法的主要缺点是装置异常复杂昂贵，需要精密三通道光学谐振腔，633nm碘稳频He-Ne激光器，激光频率锁定装置，拍频测量装置，以及频谱仪等昂贵的设备，因此实用性不大。
通过上面介绍，可以得到
(1)采用封离的真空室比采用测量过程中需要抽真空的气室有利，但前者需要设法确定干涉条纹的整数级次。
(2)使用激光作光源比采用白光光源有利，后者需要预先通过多波长的小数重合法对仪器的补偿镜位置进行定度，这要求具有十分精密的读数鼓轮，同时为在大光程差下观察到零次条纹，需要增加一组辅助的附加补偿片。
(3)若使用激光光源，则需要通过多波长小数重合法测量干涉条纹的整数级次。
本发明的目的是研制一种新型的双瑞利空气折射率干涉仪，它应尽可能的综合各种方法的优点，并避免它们各自的缺点。具体地说即是要研制一台具有下述优点的空气折射率干涉仪避免使用真空泵；避免要求对补偿镜进行定度；不必使用多种波长；仪器结构简单，便于搬动；测量过程应能自动，快速地进行，可用于实时修正。
仪器能与各种类型的激光干涉仪配套，用于精密长度测量的空气折射率修正。
本发明双瑞利空气折射率干涉仪采用单波长小数重合法。
干涉测量的一般公式为nL＝(k+e)λ式中，L为被测长度，n为空气折射率，λ为激光波长，k和e分别为干涉级次的整数和小数部分。
通常的小数重合法是采用一组，例如四种已知波长进行测量，故可得下列方程组L＝(k1+e1)λA1L＝(k2+e2)λA2L＝(k3+e3)λA3L＝(k4+e4)λA4其中，λA1-λA4为四种已知的(空气)波长，K1-K4和e1--e4分别为对应于不同波长的整数和小数干涉级次。利用测量到的一组小数e1--e4和被测长度L的粗略值，通过一套固定的运算程序，就可由上述方程组精确确定各整数级次K1-K4和被测长度L，这就是一般的小数重合法。
在空气折射率干涉仪中，测量的是空气折射率与真空折射率1之差，即(n-1)，而不是几何长度L。这时可以将小数重合法作如下变更，即变化真空管的几何长度L，而使波长λ保持不变。若采用两种不同几何长度L1和L2的真空室，则可得n-1＝(k1+e1)λ/L1n-1＝(k2+e2)λ/L2由于L1和L2的长度可以精确测出，根据L1、L2，及它们之间的精确比值，就可由测得的e1和e2求出整数级次K1、K2和被测空气折射率n。
下面举例说明单波长的小数重合法过程空气折射率与空气的压力p，温度t，和湿度f有关，对633nm激光辐射，它们对空气折射率的影响分别为压力p3.6×10-7/mmHg温度t9.5×10-7/℃湿度f5.7×10-8/mmHg以北京地区为例，常年内气压的波动一般在±10mmHg以内，若环境温度变化不超过±1℃(实际上精密长度测量对环境温度要求更高)，两者合计，空气折射率的最大变化约为5×10-6。若采用600mm长的真空室，约对应于干涉仪3μm的程差变化，相当于5个干涉级次，这是同一地区干涉级次可能的最大变化量。而对于92.308mm的真空室，由于空气折射率变化引起的干涉仪最大程差变化约为0.46μm，相当于0.8个干涉级次。现假设第一真空室长度L1＝600mm第二真空室长度L2＝92.308mm设测量时实际的空气折射率为n＝1.000275266，而在正常状态下(压力p＝760mmHg，温度t＝20℃，湿度f＝10mmHg)的空气折射率值为n0＝1.000271226，我们即将n0看作为空气折射率n的预测值。
此时对于第一真空室T1，干涉级次应为k1+e1＝(n-1)L1/λ＝260.919而干涉级次的估计值为(n0-1)L1/λ＝257.090，即整数干涉级次K1应在257±5范围内。而若实际测量干涉级次小数的不确定度为0.02，则e1应在0.919±0.02范围内，设实际测到的小数偏大，例如e1＝0.935。
对于第二真空室T2，干涉级次为k2+e2＝(n-1)L2/λ＝40.142而干涉级次的估计值为(n0-1)L2/λ＝39.552，即整数干涉级次K2应在39±1范围内。而若实际测量干涉级次小数的不确定度为0.02，则e2应在0.142±0.02范围内，设实际测到的小数偏小，例如e2＝0.122。于是，若K1＝252，则n-1＝252.935/L1于是，k2+e2＝(n-1)L2/λ＝252.935 L2/L1＝38.913对于不同的k1值，可得下表
由上表可知，当k1＝260时，e2＝0.144，最接近于实际测量值0.122。故可以确定k1＝260。加上实际测得的小数e1＝0.935，可知干涉级次为260.935。于是，空气折射率n为n＝1+(k1+e1)λ/L1＝1+260.935λ/L1＝1.000275283与原来的假定值1.000275266相差2×10-8，是由真空室T1的干涉级次小数e1的测量误差引起的。
上面即是用单波长小数重合法确定空气折射率n的过程。
若对空气折射率的测量不确定度要求不高，则可采用较短的真空室，此时可以选择不同比值的L1/L2。
根据上述介绍，在采用单波长的小数重合法时，需使用不同长度大，小两个真空室。解决这一问题的方法有(1)在测量过程中更换真空室。
这使测量过程变得很麻烦，在实用上是不可取的。
(2)使用两台折射率干涉仪，它们具有不同的真空室长度。
这在实用上是可行的，但设备投资增加了一倍，并且占用的体积也增大一倍，故这也不是一个理想的方法。
本发明为采用单波长小数重合法达到前述目的采用以下技术方案。
双瑞利空气折射率干涉仪，设置一个激光光源S，一组将激光光束扩束透镜A1，其特征是在透镜A1出射光路中设有一个通光孔径分成上、中、下三部分的光阑D，中部的两支光路均为空气层；上部的一支光路中设置第一真空室T1，另一支光路中介质为被测空气层；下部的一支光路中的设置一个与第一真空室T1长度不同的第二真空室T2，另一支光路中介质为被测空气层，上下两部分各自两支光束经透镜A2和柱形镜A3后分别在摄像机的CCD光电转换器件上形成随被测空气折射率大小而移动的不同被测干涉条纹2和3，中部两支光束，在摄像机的光电转换器件上形成不随空气折射率大小而移动的固定干涉条纹1，光电转换器输出电信号通过接口输入计算机，经数据处理后，获得空气折射率值。
本发明双瑞利空气折射率干涉仪的优点是结构变得十分紧凑。而且是无任何补偿板的瑞利干涉仪。
经典的瑞利干涉仪需要移动上部的干涉条纹，并使上下两组条纹相对准，故设置了相移补偿板；并且为便于对线，上下两组条纹间应无空隙，故还设置了一固定的位移板。经改进的采用白光对线的瑞利干涉仪则还增加了一组附加补偿片。本发明由于采用了CCD摄像机，并且计算机处理干涉图象，上述所有的补偿板和位移板均可省略。
计算机处理干涉图象，提高了干涉级次小数的测量准确度，使真空室的长度可大大缩短，便于仪器的搬运。
以下结合附图通过实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明瑞利空气折射率干涉仪光路图；图2是本发明的摄像机的CCD光电转换器件上形成的三组干涉条纹示意图。
图1是本发明瑞利空气折射率干涉仪光路图，S为激光器，经一组扩束透镜A1，通过光阑D，光阑D将整个通光孔径分成上、中、下三部分，每部分有两支光路。上部的光路中一支光束经长真空室T1长度为L1，另一支光束通过被测空气层，下部光路中一支光束经短真空室T2长度为L2，另一支光束也通过被测空气层，经透镜A2和柱形镜A3后上下两部光路中的各自两束光在摄像机的CCD光电转换器件上形成各自的随被测空气折射率大小而移动的不同被测干涉条纹2和3(见图2)。中部光路中两支光束都经空气层在摄像机的CCD光电转换器件上形成干涉仪零位的固定干涉条纹1(见图2)。光电转换器件的输出电信号通过接口输入计算机，按本发明的单波长重合法，数据处理后，就能获得测空气折射率值。同时可在计算机的显示屏上显示，或打印机上打印出来。也可将被测空气折射率值按计算机中的程序作进一步的数据处理。
权利要求
1.双瑞利空气折射率干涉仪，设置一个激光光源(S)，一组将激光光束扩束的透镜(A1)，其特征是在透镜(A1)出射光路中设有一个通光孔径分成上、中、下三部分的光阑(D)，中部的两支光路均为空气层；上部的一支光路中设置第一真空室(T1)，另一支光路中介质为被测空气层；下部的一支光路中的设置一个与第一真空室(T1)长度不同的第二真空室(T2)，另一支光路中介质为被测空气层，上下两部分各自两支光束经透镜(A2)和柱形镜(A3)分别在摄像机的CCD光电转换器件上形成随被测空气折射率大小而移动的不同被测干涉条纹，中部两支光束，在摄像机的光电转换器件上形成不随空气折射率大小而移动的固定干涉条纹，光电转换器输出电信号经接口输入计算机，经数据处理后，获得空气折射率值。
全文摘要
双瑞利空气折射率干涉仪,有激光源S,扩束透镜A1,将通光孔径分成上中下三部分,每部分两支光束的光阑D,上部的一支光路中设第一真空室T1,下部的一支光路中设第二真空室T2,上下两部分各自两支光束经透镜A2和柱形镜A3分别在摄像机的CCD光电转换器件上形成随被测空气折射率大小而移动的不同被测干涉条纹,中部两支光束在光电转换器件上形成固定干涉条纹,光电转换器输出输入计算机,数据处理后得空气折射率值。仪器结构简单,可用于实时修正。
文档编号G01N21/41GK1174327SQ9711228
公开日1998年2月25日 申请日期1997年7月23日 优先权日1997年7月23日
发明者倪育才 申请人:中国计量科学研究院