專利名稱：雙瑞利空氣折射率干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙瑞利空氣折射率干涉儀屬于計(jì)量領(lǐng)域的干涉測(cè)量技術(shù)。
在長(zhǎng)度的干涉測(cè)量中，空氣折射率測(cè)量的重要性毋庸贅述，并且空氣折射率的測(cè)量誤差往往已成為長(zhǎng)度測(cè)量中的一項(xiàng)主要誤差來(lái)源。
工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常要求長(zhǎng)度測(cè)量的準(zhǔn)確度優(yōu)于1×10-7，而在一些精密物理常數(shù)測(cè)量或其它科學(xué)研究中，則往往要求更高的測(cè)量準(zhǔn)確度，因此不確定度為2-5×10-8的空氣折射率值經(jīng)常是必需的。
空氣折射率的測(cè)量方法大體上可分成兩類，通過(guò)測(cè)量空氣的氣壓、溫度和濕度，然后用公式計(jì)算空氣折射率，或直接用干涉儀測(cè)量空氣折射率。
1公式計(jì)算法空氣折射率與空氣的壓力p，溫度t，和濕度f(wàn)等參數(shù)有關(guān)，同時(shí)也與空氣成分有關(guān)。B.Edlen在1966年發(fā)表了一組以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的空氣折射率公式(期刊Metrologia，1966年第2期71至80頁(yè))，已知空氣的壓力、溫度和濕度后，可由下述公式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)成分的空氣折射率(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上式中下標(biāo)“S”表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣折射率，即對(duì)應(yīng)于p＝760mmHg(1mmHg＝133.32Pa)，t＝15℃的干燥空氣，下標(biāo)“tp”表示一般狀態(tài)下的干燥空氣；而下標(biāo)“tpf”則表示一般狀態(tài)下的空氣；σ為真空波數(shù)(μm-1)。
對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)空氣，上式的不確定度約為5×10-8。所謂標(biāo)準(zhǔn)空氣是指空氣中各主要成分的摩爾百分比為氮78.09％，氧20.95％，氬0.93％和二氧化碳0.03％。
通過(guò)Edlen公式計(jì)算空氣折射率的方法至今仍在廣泛采用，例如美國(guó)HP公司的雙頻激光干涉儀，英國(guó)Ranishaw公司的激光干涉儀，以及國(guó)內(nèi)絕大部分的實(shí)驗(yàn)室干涉測(cè)量。
最近也有報(bào)道可利用二氧化碳傳感器測(cè)量空氣中二氧化碳的含量，以對(duì)折射率進(jìn)行進(jìn)一步的修正(作者Birch K.P.and DownsM.J，Metrologia，1993年第30期155至162頁(yè))，這樣可以將計(jì)算公式的準(zhǔn)確度提高到3×10-8。
公式計(jì)算法的主要缺點(diǎn)是(1)空氣折射率與空氣成分有關(guān)，而利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算到的空氣折射率只適用于標(biāo)準(zhǔn)空氣情況。當(dāng)測(cè)量環(huán)境的空氣成分偏離標(biāo)準(zhǔn)空氣時(shí)，公式的誤差就會(huì)超出上面所給的不確定度。在通常的測(cè)量環(huán)境中，由于二氧化碳含量增加和各種油蒸汽的污染，使空氣折射率的實(shí)際值和計(jì)算值之間可能產(chǎn)生很大的差異，通常是實(shí)際值稍大于計(jì)算值，并且其差值隨環(huán)境條件而異，往往可達(dá)1×10-7，有時(shí)甚至高達(dá)2×10-7。這限制了公式計(jì)算法在高準(zhǔn)確度長(zhǎng)度測(cè)量中的應(yīng)用。
(2)通過(guò)測(cè)量空氣中二氧化碳的含量，可以對(duì)空氣折射率進(jìn)行進(jìn)一步的修正，據(jù)報(bào)導(dǎo)可將公式的不確定度減小到3×10-8(Owen J.C.，Appl.Opt.，1967年第6期51至59頁(yè))，但文章同時(shí)又指出，在實(shí)際應(yīng)用中由于各空氣參數(shù)傳感器所帶來(lái)測(cè)量不確定度，使公式計(jì)算的總誤差增大到1×10-7。若考慮到二氧化碳傳感器的檢定，及其穩(wěn)定度的考察等問題，以及二氧化碳傳感器的高昂價(jià)格(單價(jià)約6000美元)，使該法的實(shí)用價(jià)值大大降低。
(3)常規(guī)的水銀氣壓計(jì)讀數(shù)比較困難，不能適應(yīng)當(dāng)今科學(xué)技術(shù)對(duì)測(cè)量自動(dòng)化的要求。而在工業(yè)測(cè)量中已廣泛使用的各種壓力傳感器，通常其隨時(shí)間的漂移較大，必須經(jīng)常進(jìn)行檢定，故也不適合于要求較高的精密長(zhǎng)度計(jì)量。
鑒于上述原因，在諸如基準(zhǔn)線紋米尺和一等大量塊檢定等要求空氣折射率的不確定度優(yōu)于5×10-8的場(chǎng)合，就必須直接測(cè)量空氣折射率。
2直接測(cè)量法利用干涉儀直接測(cè)量空氣折射率是最常用的方法，由于氣體的折射率一般很小，與真空的折射率1相差不大，以空氣為例，在常溫、常壓下其折射率約為1.00027，它與真空折射率僅相差2.7×10-4。用干涉儀測(cè)量空氣折射率時(shí)，通常以真空的折射率作為標(biāo)準(zhǔn)，所測(cè)量的是空氣折射率和真空折射率之差，因此若能以1×10-5的不確定度測(cè)出空氣和真空兩光路間的光程差，則所得空氣折射率的不確定度就可達(dá)2.7×10-9，即測(cè)量準(zhǔn)確度可以提高約3700倍。
許多類型的干涉儀可用來(lái)測(cè)量空氣折射率，測(cè)量不確定度均可達(dá)10-8量級(jí)，可以滿足一般精密測(cè)量的要求。但就已有的幾種方法而言，它們有的裝置較大，不便移動(dòng)；有的需要在測(cè)量時(shí)對(duì)氣室抽真空而使用不便；還有些則測(cè)量原理復(fù)雜，對(duì)儀器要求較高，并且價(jià)格昂貴而無(wú)法推廣使用。
2.1抽真空法用干涉儀測(cè)量空氣折射率的經(jīng)典方法是使干涉儀的一支光路通過(guò)一已知長(zhǎng)度氣室，氣室中充滿了與測(cè)量環(huán)境相同的空氣，然后將其逐漸抽成真空，只要測(cè)出抽氣前后干涉條紋級(jí)次的變化，就可準(zhǔn)確地求出空氣折射率。這種方法雖然可達(dá)到5×10-8的測(cè)量不確定度，但其操作復(fù)雜，并需要有真空泵配合工作，而且往往只能測(cè)量開始時(shí)的空氣折射率，很難反映測(cè)量過(guò)程中空氣折射率的可能變化，也無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。
2.2采用封離的真空室本發(fā)明者曾發(fā)明過(guò)一種改進(jìn)型的瑞利干涉儀，當(dāng)采用1200mm長(zhǎng)的真空管時(shí)，有可能達(dá)到2-4×10-8的測(cè)量不確定度。二十余年的應(yīng)用表明該儀器使用方便，測(cè)量準(zhǔn)確度也能滿足要求，其缺點(diǎn)是對(duì)儀器的機(jī)械加工精度要求較高；需定期采用多種波長(zhǎng)通過(guò)小數(shù)重合法對(duì)儀器進(jìn)行定度；并且只能用肉眼進(jìn)行觀測(cè)和讀數(shù)，使該儀器無(wú)法滿足測(cè)量自動(dòng)化，特別是進(jìn)行實(shí)時(shí)修正的要求。
2.3拍頻測(cè)量法其基本原理是測(cè)量光學(xué)諧振腔在真空狀態(tài)下的腔長(zhǎng)，以及抽真空前，后腔長(zhǎng)的幾何變化量，從而得到該光學(xué)諧振腔在充氣狀態(tài)下的諧振腔長(zhǎng)度。并以此長(zhǎng)度作為標(biāo)準(zhǔn)，將激光頻率鎖定到該充氣光學(xué)諧振腔的諧振頻率上，同時(shí)通過(guò)拍頻法測(cè)量出被鎖定的激光頻率，由此可計(jì)算出空氣折射率(Xu Yi et al.Proceedings of the 12thTriennial world Congress of the International MeasurementationConfederation，BeiJing，China Sep.5-10.1991，804-807)。拍頻法是以光學(xué)諧振腔的幾何長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)的，因此諧振腔材料的穩(wěn)定性將會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，即使是目前國(guó)際上公認(rèn)為最好的低膨脹系數(shù)材料“Zerodur”，其年相對(duì)漂移量也有3-10×10-8。因此要達(dá)到該法自稱的5×10-8的測(cè)量不確定度，必需經(jīng)常對(duì)光學(xué)諧振腔的長(zhǎng)度進(jìn)行周期檢定。該法的主要缺點(diǎn)是裝置異常復(fù)雜昂貴，需要精密三通道光學(xué)諧振腔，633nm碘穩(wěn)頻He-Ne激光器，激光頻率鎖定裝置，拍頻測(cè)量裝置，以及頻譜儀等昂貴的設(shè)備，因此實(shí)用性不大。
通過(guò)上面介紹，可以得到
(1)采用封離的真空室比采用測(cè)量過(guò)程中需要抽真空的氣室有利，但前者需要設(shè)法確定干涉條紋的整數(shù)級(jí)次。
(2)使用激光作光源比采用白光光源有利，后者需要預(yù)先通過(guò)多波長(zhǎng)的小數(shù)重合法對(duì)儀器的補(bǔ)償鏡位置進(jìn)行定度，這要求具有十分精密的讀數(shù)鼓輪，同時(shí)為在大光程差下觀察到零次條紋，需要增加一組輔助的附加補(bǔ)償片。
(3)若使用激光光源，則需要通過(guò)多波長(zhǎng)小數(shù)重合法測(cè)量干涉條紋的整數(shù)級(jí)次。
本發(fā)明的目的是研制一種新型的雙瑞利空氣折射率干涉儀，它應(yīng)盡可能的綜合各種方法的優(yōu)點(diǎn)，并避免它們各自的缺點(diǎn)。具體地說(shuō)即是要研制一臺(tái)具有下述優(yōu)點(diǎn)的空氣折射率干涉儀避免使用真空泵；避免要求對(duì)補(bǔ)償鏡進(jìn)行定度；不必使用多種波長(zhǎng)；儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于搬動(dòng)；測(cè)量過(guò)程應(yīng)能自動(dòng)，快速地進(jìn)行，可用于實(shí)時(shí)修正。
儀器能與各種類型的激光干涉儀配套，用于精密長(zhǎng)度測(cè)量的空氣折射率修正。
本發(fā)明雙瑞利空氣折射率干涉儀采用單波長(zhǎng)小數(shù)重合法。
干涉測(cè)量的一般公式為nL＝(k+e)λ式中，L為被測(cè)長(zhǎng)度，n為空氣折射率，λ為激光波長(zhǎng)，k和e分別為干涉級(jí)次的整數(shù)和小數(shù)部分。
通常的小數(shù)重合法是采用一組，例如四種已知波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，故可得下列方程組L＝(k1+e1)λA1L＝(k2+e2)λA2L＝(k3+e3)λA3L＝(k4+e4)λA4其中，λA1-λA4為四種已知的(空氣)波長(zhǎng)，K1-K4和e1--e4分別為對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的整數(shù)和小數(shù)干涉級(jí)次。利用測(cè)量到的一組小數(shù)e1--e4和被測(cè)長(zhǎng)度L的粗略值，通過(guò)一套固定的運(yùn)算程序，就可由上述方程組精確確定各整數(shù)級(jí)次K1-K4和被測(cè)長(zhǎng)度L，這就是一般的小數(shù)重合法。
在空氣折射率干涉儀中，測(cè)量的是空氣折射率與真空折射率1之差，即(n-1)，而不是幾何長(zhǎng)度L。這時(shí)可以將小數(shù)重合法作如下變更，即變化真空管的幾何長(zhǎng)度L，而使波長(zhǎng)λ保持不變。若采用兩種不同幾何長(zhǎng)度L1和L2的真空室，則可得n-1＝(k1+e1)λ/L1n-1＝(k2+e2)λ/L2由于L1和L2的長(zhǎng)度可以精確測(cè)出，根據(jù)L1、L2，及它們之間的精確比值，就可由測(cè)得的e1和e2求出整數(shù)級(jí)次K1、K2和被測(cè)空氣折射率n。
下面舉例說(shuō)明單波長(zhǎng)的小數(shù)重合法過(guò)程空氣折射率與空氣的壓力p，溫度t，和濕度f(wàn)有關(guān)，對(duì)633nm激光輻射，它們對(duì)空氣折射率的影響分別為壓力p3.6×10-7/mmHg溫度t9.5×10-7/℃濕度f(wàn)5.7×10-8/mmHg以北京地區(qū)為例，常年內(nèi)氣壓的波動(dòng)一般在±10mmHg以內(nèi)，若環(huán)境溫度變化不超過(guò)±1℃(實(shí)際上精密長(zhǎng)度測(cè)量對(duì)環(huán)境溫度要求更高)，兩者合計(jì)，空氣折射率的最大變化約為5×10-6。若采用600mm長(zhǎng)的真空室，約對(duì)應(yīng)于干涉儀3μm的程差變化，相當(dāng)于5個(gè)干涉級(jí)次，這是同一地區(qū)干涉級(jí)次可能的最大變化量。而對(duì)于92.308mm的真空室，由于空氣折射率變化引起的干涉儀最大程差變化約為0.46μm，相當(dāng)于0.8個(gè)干涉級(jí)次?，F(xiàn)假設(shè)第一真空室長(zhǎng)度L1＝600mm第二真空室長(zhǎng)度L2＝92.308mm設(shè)測(cè)量時(shí)實(shí)際的空氣折射率為n＝1.000275266，而在正常狀態(tài)下(壓力p＝760mmHg，溫度t＝20℃，濕度f(wàn)＝10mmHg)的空氣折射率值為n0＝1.000271226，我們即將n0看作為空氣折射率n的預(yù)測(cè)值。
此時(shí)對(duì)于第一真空室T1，干涉級(jí)次應(yīng)為k1+e1＝(n-1)L1/λ＝260.919而干涉級(jí)次的估計(jì)值為(n0-1)L1/λ＝257.090，即整數(shù)干涉級(jí)次K1應(yīng)在257±5范圍內(nèi)。而若實(shí)際測(cè)量干涉級(jí)次小數(shù)的不確定度為0.02，則e1應(yīng)在0.919±0.02范圍內(nèi)，設(shè)實(shí)際測(cè)到的小數(shù)偏大，例如e1＝0.935。
對(duì)于第二真空室T2，干涉級(jí)次為k2+e2＝(n-1)L2/λ＝40.142而干涉級(jí)次的估計(jì)值為(n0-1)L2/λ＝39.552，即整數(shù)干涉級(jí)次K2應(yīng)在39±1范圍內(nèi)。而若實(shí)際測(cè)量干涉級(jí)次小數(shù)的不確定度為0.02，則e2應(yīng)在0.142±0.02范圍內(nèi)，設(shè)實(shí)際測(cè)到的小數(shù)偏小，例如e2＝0.122。于是，若K1＝252，則n-1＝252.935/L1于是，k2+e2＝(n-1)L2/λ＝252.935 L2/L1＝38.913對(duì)于不同的k1值，可得下表
由上表可知，當(dāng)k1＝260時(shí)，e2＝0.144，最接近于實(shí)際測(cè)量值0.122。故可以確定k1＝260。加上實(shí)際測(cè)得的小數(shù)e1＝0.935，可知干涉級(jí)次為260.935。于是，空氣折射率n為n＝1+(k1+e1)λ/L1＝1+260.935λ/L1＝1.000275283與原來(lái)的假定值1.000275266相差2×10-8，是由真空室T1的干涉級(jí)次小數(shù)e1的測(cè)量誤差引起的。
上面即是用單波長(zhǎng)小數(shù)重合法確定空氣折射率n的過(guò)程。
若對(duì)空氣折射率的測(cè)量不確定度要求不高，則可采用較短的真空室，此時(shí)可以選擇不同比值的L1/L2。
根據(jù)上述介紹，在采用單波長(zhǎng)的小數(shù)重合法時(shí)，需使用不同長(zhǎng)度大，小兩個(gè)真空室。解決這一問題的方法有(1)在測(cè)量過(guò)程中更換真空室。
這使測(cè)量過(guò)程變得很麻煩，在實(shí)用上是不可取的。
(2)使用兩臺(tái)折射率干涉儀，它們具有不同的真空室長(zhǎng)度。
這在實(shí)用上是可行的，但設(shè)備投資增加了一倍，并且占用的體積也增大一倍，故這也不是一個(gè)理想的方法。
本發(fā)明為采用單波長(zhǎng)小數(shù)重合法達(dá)到前述目的采用以下技術(shù)方案。
雙瑞利空氣折射率干涉儀，設(shè)置一個(gè)激光光源S，一組將激光光束擴(kuò)束透鏡A1，其特征是在透鏡A1出射光路中設(shè)有一個(gè)通光孔徑分成上、中、下三部分的光闌D，中部的兩支光路均為空氣層；上部的一支光路中設(shè)置第一真空室T1，另一支光路中介質(zhì)為被測(cè)空氣層；下部的一支光路中的設(shè)置一個(gè)與第一真空室T1長(zhǎng)度不同的第二真空室T2，另一支光路中介質(zhì)為被測(cè)空氣層，上下兩部分各自兩支光束經(jīng)透鏡A2和柱形鏡A3后分別在攝像機(jī)的CCD光電轉(zhuǎn)換器件上形成隨被測(cè)空氣折射率大小而移動(dòng)的不同被測(cè)干涉條紋2和3，中部?jī)芍Ч馐?，在攝像機(jī)的光電轉(zhuǎn)換器件上形成不隨空氣折射率大小而移動(dòng)的固定干涉條紋1，光電轉(zhuǎn)換器輸出電信號(hào)通過(guò)接口輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，獲得空氣折射率值。
本發(fā)明雙瑞利空氣折射率干涉儀的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)變得十分緊湊。而且是無(wú)任何補(bǔ)償板的瑞利干涉儀。
經(jīng)典的瑞利干涉儀需要移動(dòng)上部的干涉條紋，并使上下兩組條紋相對(duì)準(zhǔn)，故設(shè)置了相移補(bǔ)償板；并且為便于對(duì)線，上下兩組條紋間應(yīng)無(wú)空隙，故還設(shè)置了一固定的位移板。經(jīng)改進(jìn)的采用白光對(duì)線的瑞利干涉儀則還增加了一組附加補(bǔ)償片。本發(fā)明由于采用了CCD攝像機(jī)，并且計(jì)算機(jī)處理干涉圖象，上述所有的補(bǔ)償板和位移板均可省略。
計(jì)算機(jī)處理干涉圖象，提高了干涉級(jí)次小數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度，使真空室的長(zhǎng)度可大大縮短，便于儀器的搬運(yùn)。
以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是本發(fā)明瑞利空氣折射率干涉儀光路圖；圖2是本發(fā)明的攝像機(jī)的CCD光電轉(zhuǎn)換器件上形成的三組干涉條紋示意圖。
圖1是本發(fā)明瑞利空氣折射率干涉儀光路圖，S為激光器，經(jīng)一組擴(kuò)束透鏡A1，通過(guò)光闌D，光闌D將整個(gè)通光孔徑分成上、中、下三部分，每部分有兩支光路。上部的光路中一支光束經(jīng)長(zhǎng)真空室T1長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，另一支光束通過(guò)被測(cè)空氣層，下部光路中一支光束經(jīng)短真空室T2長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，另一支光束也通過(guò)被測(cè)空氣層，經(jīng)透鏡A2和柱形鏡A3后上下兩部光路中的各自兩束光在攝像機(jī)的CCD光電轉(zhuǎn)換器件上形成各自的隨被測(cè)空氣折射率大小而移動(dòng)的不同被測(cè)干涉條紋2和3(見圖2)。中部光路中兩支光束都經(jīng)空氣層在攝像機(jī)的CCD光電轉(zhuǎn)換器件上形成干涉儀零位的固定干涉條紋1(見圖2)。光電轉(zhuǎn)換器件的輸出電信號(hào)通過(guò)接口輸入計(jì)算機(jī)，按本發(fā)明的單波長(zhǎng)重合法，數(shù)據(jù)處理后，就能獲得測(cè)空氣折射率值。同時(shí)可在計(jì)算機(jī)的顯示屏上顯示，或打印機(jī)上打印出來(lái)。也可將被測(cè)空氣折射率值按計(jì)算機(jī)中的程序作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。
權(quán)利要求
1.雙瑞利空氣折射率干涉儀，設(shè)置一個(gè)激光光源(S)，一組將激光光束擴(kuò)束的透鏡(A1)，其特征是在透鏡(A1)出射光路中設(shè)有一個(gè)通光孔徑分成上、中、下三部分的光闌(D)，中部的兩支光路均為空氣層；上部的一支光路中設(shè)置第一真空室(T1)，另一支光路中介質(zhì)為被測(cè)空氣層；下部的一支光路中的設(shè)置一個(gè)與第一真空室(T1)長(zhǎng)度不同的第二真空室(T2)，另一支光路中介質(zhì)為被測(cè)空氣層，上下兩部分各自兩支光束經(jīng)透鏡(A2)和柱形鏡(A3)分別在攝像機(jī)的CCD光電轉(zhuǎn)換器件上形成隨被測(cè)空氣折射率大小而移動(dòng)的不同被測(cè)干涉條紋，中部?jī)芍Ч馐跀z像機(jī)的光電轉(zhuǎn)換器件上形成不隨空氣折射率大小而移動(dòng)的固定干涉條紋，光電轉(zhuǎn)換器輸出電信號(hào)經(jīng)接口輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，獲得空氣折射率值。
全文摘要
雙瑞利空氣折射率干涉儀,有激光源S,擴(kuò)束透鏡A1,將通光孔徑分成上中下三部分,每部分兩支光束的光闌D,上部的一支光路中設(shè)第一真空室T1,下部的一支光路中設(shè)第二真空室T2,上下兩部分各自兩支光束經(jīng)透鏡A2和柱形鏡A3分別在攝像機(jī)的CCD光電轉(zhuǎn)換器件上形成隨被測(cè)空氣折射率大小而移動(dòng)的不同被測(cè)干涉條紋,中部?jī)芍Ч馐诠怆娹D(zhuǎn)換器件上形成固定干涉條紋,光電轉(zhuǎn)換器輸出輸入計(jì)算機(jī),數(shù)據(jù)處理后得空氣折射率值。儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可用于實(shí)時(shí)修正。
文檔編號(hào)G01N21/41GK1174327SQ9711228
公開日1998年2月25日 申請(qǐng)日期1997年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月23日
發(fā)明者倪育才 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院