基于可移动真空波纹管的空气折射率测量装置和方法
阅读说明：本技术 基于可移动真空波纹管的空气折射率测量装置和方法 (Air refractive index measuring device and method based on movable vacuum bellows ) 是由 崔建军 张鹏 陈恺 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本申请公开了基于可移动真空波纹管的空气折射率测量装置和方法,本装置包括：真空波纹管、第一谐振平面镜、第二谐振平面镜、反射镜、光源装置、控制模块、光电探测单元；光源系统同时产生两束波长不等的光束,谐振平面镜、真空波纹管和反射镜用于形成测量干涉光束,光电探测器用于生成测量干涉信号,控制模块控制真空波纹管的拉伸长度和反射镜的位置,同时对测量干涉信号进行解调,计算空气折射率。本方法包括：同时得到两束波长不等的光束的测量干涉光束,进而得到测量干涉信号,在真空波纹管的两种拉伸长度下分别对测量干涉信号进解调判断,计算空气折射率。本申请抗干扰能力强,且能够实现10～(-9)的测量精度。(The application discloses air refractive index measuring device and method based on movable vacuum bellows, this device includes: the device comprises a vacuum corrugated pipe, a first resonant plane mirror, a second resonant plane mirror, a reflector, a light source device, a control module and a photoelectric detection unit; the light source system simultaneously generates two beams of light beams with different wavelengths, the resonant plane mirror, the vacuum corrugated pipe and the reflector are used for forming a measuring interference light beam, the photoelectric detector is used for generating a measuring interference signal, the control module controls the stretching length of the vacuum corrugated pipe and the position of the reflector, and simultaneously demodulates the measuring interference signal and calculates the air refractive index. The method comprises the following steps: and simultaneously obtaining two measuring interference beams of beams with different wavelengths to further obtain measuring interference signals, demodulating and judging the measuring interference signals under two stretching lengths of the vacuum corrugated pipe respectively, and calculating the air refractive index. The method has strong anti-interference capability and can realize 10 ‑9 The measurement accuracy of (2).)
技术领域
本申请属于空气折射率测量领域，具体涉及基于可移动真空波纹管的空气折射率测量装置和方法。
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，直接影响着最后测量结果的准确性。
目前空气折射率的测量方法多采用温度传感器、湿度传感器以及大气压传感器等传感器进行测量得到空气温度、湿度以及大气压等参数，然后采用Edlen公式进行计算得到空气折射率，但这种方法的测量精度受到温度、湿度、大气压测量精度的限制，尤其是温度传感器采用铂电阻，需要供电，电阻会发热，从而影响测量的准确性，给测量带来误差，测量精度一般低于5×10-8。
发明内容
本申请提出了基于可移动真空波纹管的空气折射率测量装置和方法，采用两束不同波长的光束，利用可移动真空波纹管不同长度对光路的干涉影响形成主、副两个测量干涉信号，基于光学游标原理解调出光程变化的大小数，实现空气折射率的高精度测量，解决现有测量技术中抗干扰能力差的问题。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
基于可移动真空波纹管的空气折射率测量装置，包括：真空波纹管、第一谐振平面镜、第二谐振平面镜、反射镜、光源装置、控制模块、光电探测单元；
所述光源装置用于产生第一光束和第二光束，所述第一光束的波长和所述第二光束的波长不同；
所述真空波纹管用于对所述第一光束产生干涉峰值变化，所述第一谐振平面镜、所述真空波纹管和所述反射镜用于形成所述第一光束的主测量干涉光束，所述真空波纹管靠近所述第一谐振平面镜的一端位置固定，所述真空波纹管的另一端在所述控制模块的控制下产生位移；
所述第二谐振平面镜和所述反射镜用于形成所述第二光束的副测量干涉光束；
所述光电探测单元用于根据所述主测量干涉光束生成主测量干涉信号，以及根据所述副测量干涉光束生成副测量干涉信号；
所述控制模块用于判断所述主测量干涉信号和所述副测量干涉信号是否均达到稳定状态，以及对所述主测量干涉信号和所述副测量干涉信号进行解调，计算空气折射率，所述控制模块还用于记录主测量干涉信号的干涉峰值变化个数，所述控制模块还用于控制所述反射镜产生位移。
优选的，所述真空波纹管的两端均为全透镜。
优选的，所述真空波纹管位于所述第一谐振平面镜和所述第二谐振平面镜之间，所述真空波纹管的可移动端在所述第一谐振平面镜和所述第二谐振平面镜之间移动。
优选的，所述测量装置还包括第一位移台，所述第一位移台与所述真空波纹管的可移动端固定连接，所述第一位移台用于在所述控制模块的控制下带动所述可移动端产生位移。
优选的，所述测量装置还包括第二位移台，所述第二位移台与所述反射镜固定连接，所述第二位移台用于在所述控制模块的控制下带动所述反射镜产生位移。
本申请还公开了基于可移动真空波纹管的空气折射率测量方法，包括如下步骤：
同时产生第一激光和第二激光，所述第一激光的波长和所述第二激光的波长不相等；
通过第一谐振平面镜、真空波纹管和反射镜形成所述第一激光的主测量干涉光束，通过第二谐振平面镜和所述反射镜形成所述第二激光的副测量干涉光束；
根据所述主测量干涉光束得到主测量干涉信号，根据所述副测量干涉光束得到副测量干涉信号；
对所述主测量干涉信号和所述副测量干涉信号进行解调，根据所述解调的结果控制所述反射镜产生位移，当所述主测量干涉信号和所述副测量干涉信号同时达到干涉峰值点时，得到所述反射镜的初始位置；
控制真空波纹管的可移动端产生预设位移，通过对所述主测量干涉信号进行解调，得到位移过程中主测量干涉信号的干涉峰值变化个数；
移动所述反射镜，当所述主测量干涉信号和所述副测量干涉信号再次同时达到干涉峰值点时，得到所述反射镜的扫描位置；
基于所述第一激光的波长、所述第二激光的波长、所述干涉峰值变化个数、所述真空波纹管的可移动端产生的位移长度、所述反射镜的所述初始位置和所述扫描位置，计算空气折射率，完成空气折射率测量。
优选的，所述步骤还包括：对所述主测量干涉信号和所述副测量干涉信号进行解调前，对所述主测量干涉信号和所述副测量干涉信号进行稳定状态检测，当所述主测量干涉信号和所述副测量干涉信号同时达到稳定状态时，开始对所述主测量干涉信号和所述副测量干涉信号进行解调。
优选的，所述空气折射率的计算公式为：
其中，n为空气折射率，λ0为所述第一激光的波长，λ1为所述第二激光的波长，l0为所述反射镜的所述初始位置，l1为所述反射镜的所述扫描位置，Δl为所述真空波纹管的可移动端产生的位移长度，N为所述主测量干涉信号的干涉峰值变化个数。
本申请的有益效果为：
本申请公开了基于可移动真空波纹管的空气折射率测量装置和方法，对于两束不同波长的光束，通过移动真空波纹管的可移动端，使真空波纹管产生不同长度以对光路产生不同的干涉影响，采用光学游标原理进行干涉小数解析，完成空气折射率测量，由于两束光束的光路路径并不相同，因此能够很大程度抑制其他环境波动的影响，大幅提高了抗干扰能力。同时，通过精确控制真空波纹管和反射镜的位移，能够实现10-9的测量精度。
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可移动真空波纹管的空气折射率测量装置的结构示意图；
图3本申请实施例中基于可移动真空波纹管的空气折射率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.第一光电探测器；5.第二光电探测器；6.第一位移台；7.第二位移台；11.真空波纹管；21.激光发生器；22.控制模块。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主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，与游标卡尺的主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主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主尺与光学游标，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，本申请设计了基于可移动真空波纹管的空气折射率测量装置，包括：真空波纹管11、第一谐振平面镜1、第二谐振平面镜2、反射镜、光源装置、控制模块22、光电探测单元，如图2所示，其中，光源装置采用激光发生器21，同时产生第一激光和第二激光，采用稳定的激光可以获得更高的精确度；反射镜采用角锥反射镜3，这样，激光发生器21、第一谐振平面镜1、真空波纹管11、第二谐振平面镜2、角锥反射镜3，成一条直线顺序设置，两束激光的光路走向基本一致。
另外，第一谐振平面镜1的反射率为第一预设反射率，且位置固定；第二谐振平面镜2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，其余部分镂空，且位置固定；两个谐振平面镜的反射率均在2.5％～97.6％，可以相同，也可以不同。真空波纹管11靠近第一谐振平面镜1的一端位置固定，标记为固定端，另一端可在控制系统的控制下产生位移，标记为可移动端，真空波纹管11的两端均为全透镜，真空波纹管11在第一谐振平面镜1和第二谐振平面镜2之间移动，对第一激光产生干涉峰值变化。另外，为了保证真空波纹管11和角锥反射镜3的位移精度，分别增加第一位移台6和第二位移台7，用于在控制模块22的控制下分别带动真空波纹和角锥反射镜3产生精确位移。进一步的，光电探测单元分为第一光电探测器4和第二光电探测器5，以精确得到两束激光的光电信号。
激光发生器21同时产生第一激光和第二激光，两束激光的波长不同，分别标记为λ0、λ1；第一激光先后穿过第一谐振平面镜1和真空波纹管11，再穿过第二谐振平面镜2镂空部分射向角锥反射镜3，经角锥反射镜3的反射后最终形成主测量干涉光束，主测量干涉光束同样从第二谐振平面镜2中间的镂空部位、真空波纹管11、第一谐振平面镜1穿过，第一光电探测器4接收该主测量干涉光束，生成主测量干涉信号I0；第二激光从第二谐振平面镜2上端1/4部分穿过并经角锥反射镜3的反射后最终形成副测量干涉光束，副测量干涉光束从第二谐振平面镜2的下端1/4部分穿过，第二光电探测器5接收该副测量干涉光束，生成副测量干涉信号I1。主、副测量干涉信号均进入控制模块22。
控制模块22用于检测主测量干涉信号和副测量干涉信号是否均达到稳定状态，另外，控制模块22还要对主测量干涉信号和副测量干涉信号进行解调，判断两个干涉信号是否同时达到干涉峰值，以及对主测量干涉信号进行干涉峰值变化个数检测，得到主测量干涉信号的干涉峰值变化个数，计算空气折射率。
控制模块22还与位第一位移台6和第二位移台7连接，控制两个位移台产生位移。
在本实施例中，标记第一谐振平面镜1、真空波纹管11和角锥反射镜3构成主Fabry-Perot腔，第一谐振平面镜1、真空波纹管11、角锥反射镜3、第二位移台7组成主Fabry-Perot干涉仪，标记第二谐振平面镜2、角锥反射镜3构成副Fabry-Perot腔，第二谐振平面镜2、角锥反射镜3、第二位移台7组成副Fabry-Perot干涉仪；其中，副Fabry-Perot腔为主Fabry-Perot干涉仪与副Fabry-Perot干涉仪公共腔体。由此构成两套干涉仪，通过使主、副测量激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。
本实施例还公开了基于光学游标珐珀干涉的空气折射率测量方法，如图3所示，包括如下步骤：
S102.激光发生器21同时输出波长分别为λ0、λ1的两束激光，分别记作第一激光和第二激光。
S104.波长为λ0的第一激光射向主Fabry-Perot干涉仪中干涉形成主测量干涉光束，波长为λ1的第二激光射向副Fabry-Perot干涉仪中干涉形成副测量干涉光束；
S106.主测量干涉光束被第一光电探测器4接收得到主测量干涉信号I0，副测量干涉光束被第二光电探测器5接收得到副测量干涉信号I1；
S108.控制模块22对主、副测量干涉信号I0、I1是否达到稳定状态进行判断，在一定时间段t内，I0、I1漂移值的均值I0t、I1t同时小于某一个阈值I00、I11，则表示主、副测量干涉信号I0、I1达到稳定状态；
S110.控制模块22对I0、I1进行解调判断，同时控制第二位移台7带动角锥反射镜3移动，当控制模块22检测到I0、I1同时达到干涉峰值点时，控制第二位移台7停止移动，记录此时第二位移台7的初始位置l0。
S112.控制模块22控制第一位移台6带动真空波纹管11产生位移，移动距离为Δl，在移动过程中，解调系统对主测量干涉信号I0进行解调得到干涉峰值变化个数N。
S114.控制模块22控制第二位移台7带动角锥反射镜3产生位移，当控制模块22再次检测到I0、I1同时达到干涉峰值点时，记录此时第二位移台7的扫描位置l1。
S116.计算空气折射率：
n为空气折射率，λ0为所述第一激光的波长，λ1为所述第二激光的波长，l0为第二位移台7的初始位置，l1为第二位移台7的初始位置，Δl为所述真空波纹管11可移动端产生的位移长度，N为所述主测量干涉信号的干涉峰值变化个数。
带入典型值：当两激光频率差值为1GHz，第一位移台6定位精度为300nm，第二位移台7定位精度为10nm，小数解调峰值区分度为750nm，真空波纹管11移动长度Δl为100mm时，空气折射率的测量精度可达3.4×10-11。可见，本申请的计算方法，通过使主、副测量激光束之间存在一定波长差，采用光学游标原理进行干涉小数解析，能够实现10-11的空气折射率测量精度。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
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。