阅读说明：本技术 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 (Air refractive index fluctuation measuring device and method based on optical vernier Fabry-Perot interference ) 是由 张鹏 崔建军 陈恺 崔京远 康岩辉 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：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,本装置包括：光源系统、解调系统、光电转换单元、平面镜单元、反射镜单元；光源系统用于产生波长不能的两束原始光束,平面镜单元和反射镜单元用于形成两束干涉光束,光电转换单元用于得到干涉信号,解调系统用于对干涉信号进行解调,计算空气折射率波动；本方法步骤包括：同时产生两束波长不等的原始光束,进而得到两束原始光束对应的干涉光束以及干涉信号,通过判断两个干涉信号是否同时到达干涉峰值,计算空气折射率波动。本装置结构简单,操作方便。(The application discloses air refracting index fluctuation measuring device and method based on optics vernier enamel amber interferes, and this device includes: the device comprises a light source system, a demodulation system, a photoelectric conversion unit, a plane mirror unit and a reflector unit; the light source system is used for generating two original light beams with different wavelengths, the plane mirror unit and the reflector unit are used for forming two interference light beams, the photoelectric conversion unit is used for obtaining interference signals, and the demodulation system is used for demodulating the interference signals and calculating air refractive index fluctuation; the method comprises the following steps: simultaneously generating two original light beams with different wavelengths, further obtaining interference light beams and interference signals corresponding to the two original light beams, and calculating the air refractive index fluctuation by judging whether the two interference signals reach an interference peak value simultaneously. The device has simple structure and convenient operation.)

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λ₀和λ；平面镜单元包括第一谐振平面镜1和第二谐振平面镜2，第一谐振平面镜1用于对第一原始光束产生谐振作用，其反射率为第一预设反射率，第二谐振平面镜2用于对第二原始光束产生谐振作用，其上端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。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。在本实施例中，为了保证两个谐振平面镜位置固定且间距维持不变，增加零膨胀玻璃材质的稳固台4，第一谐振平面镜1和第二谐振平面镜2均与稳固台4固定连接，并保持两个谐振平面镜之间的间距为谐振距离L。反射镜采用角锥反射镜3，这样，第一谐振平面镜1、第二谐振平面镜2、角锥反射镜3，顺序设置，第一原始光束穿过第一谐振平面镜1后穿过第二谐振平面镜2的镂空部分射向角锥反射镜3，可以保证两束原始光束的光路基本一致，有利于计算准确。另外，为了保证角锥反射镜3位移精度，增加位移台5与角锥反射镜3固定连接，位移台5在解调系统22的控制下带动角锥反射镜3产生位移。

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I₀；第二原始光束从第二谐振平面镜2上端1/4部分穿过并经角锥反射镜3的反射后最终形成第二干涉光束，第二干涉光束从第二谐振平面镜2的下端1/4部分穿过，第二光电转化器接收该第二干涉光束，生成第二干涉信号I₁。

解调系统22用于对第一、第二干涉信号I₀、I₁进行解调，判断I₀、I₁是否同时达到干涉峰值，计算空气折射率波动。解调系统22还用于根据解调结果控制位移台5带动角锥反射镜3产生位移。

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λ₀、λ₁的两束原始光束，分别记作第一原始光束和第二原始光束，此时的光学游标长度l_y为：

其中，l_y为光学游标长度，λ₀为所述第一原始光束的波长，λ₁为所述第二原始光束的波长；

S104.波长为λ₀的第一原始光束射向第一Fabry-Perot干涉仪中干涉形成第一干涉光束，波长为λ₁的第二原始光束射向第二Fabry-Perot干涉仪中干涉形成第二干涉光束；

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I₀，第二干涉光束被第二光电转换器12接收生成第二干涉信号I₁；

S108.第一、第二干涉信号I₀、I₁同时进入到解调系统22中，解调系统22对I₀、I₁进行解调判断，同时控制位移台5带动角锥反射镜3产生位移，当解调系统22检测到I₀、I₁同时到达干涉峰值点时，位移台5停止移动，记录此时位移台5的初始位置l₀。

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_y，使得固定其上的角锥反射镜3来回重复扫描一个光学游标长度l_y，当解调系统22再次检测到I₀、I₁同时达到干涉峰值点时，位移台5停止移动，记录此时位移台5的扫描位置l₁。

S112.计算空气折射率波动：

其中，Δn为空气折射率波动，l₀为位移台5的初始位置，l₁为位移台5的所述扫描位置，L为第一谐振平面镜1与第二谐振平面镜2之间的测量腔长，即谐振距离。

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^-11，可见，本申请的计算方法，通过使第一、第二干涉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的空气折射率波动测量精度。

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。