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

技术领域

本申请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

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。

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-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。

申请内容

本申请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。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

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；

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；

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；

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；

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。

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。

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％。

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。

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。

本申请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：

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；

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；

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；

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；

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；

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。

优选的，所述光学游标长度的计算公式为：

其中，l

优选的，所述空气折射率波动的计算公式为：

其中，Δn为空气折射率波动，l

本申请的有益效果为：

本申请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

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，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申请的一些实施例，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。

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；

图2为本申请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；

图3本申请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。

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

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、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申请作进一步详细的说明。

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。

Fabry-Perot干涉为多光束干涉，根据多光束干涉的公式：

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：

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。

根据上述原理，本申请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λ

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I

解调系统22用于对第一、第二干涉信号I

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-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-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-Perot腔为第一Fabry-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。

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。

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：

S102.光源系统21同时输出波长分别为λ

其中，l

S104.波长为λ

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I

S108.第一、第二干涉信号I

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

S112.计算空气折射率波动：

其中，Δn为空气折射率波动，l

重复上述操作，不断计算空气折射率的波动。

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3.4×10

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。