СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СРЕД
METHOD OF MEASURING REFRACTION INDICES OF GASEOUS MEDIA

Одним из важнейших оптических свойств любого вещества является показатель преломления. Предлагаемое изобретение направлено на разработку способа измерения показателя преломления газовых сред с целью повышения точности измерения и относится к разделу «Оптика».
Известно множество способов измерения показателя преломления газовых сред. В зависимости от точности измерения выбирают тот или иной способ. Широкий класс задач в термодинамике и теплофизике, связанных с необходимостью экспериментального определения температурных полей вокруг нагретых тел, успешно решаются интерферометрическими методами, не внося при этом возмущений в исследуемый объект [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. М.: Машиностроение, 1989, с.181]. Измерение показателя преломления, например, оптических элементов, призм и т.д. осуществляется с непосредственным использованием закона преломления, т.е. реализуется метод измерения угла отклонения световых лучей [Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия, 1974, 400 с.]. Для определения неоднородностей в прозрачных объектах и измерения градиента показателя преломления используется теневой метод.
-7
-8
Применяемые способы измерения показателя преломления газовой среды в вышеперечисленных работах не дают необходимой точности, которая составляет 10÷10. Такие точности недостаточны для проведения ряда прецизионных научных исследований. Это в первую очередь касается физической оптики, спектроскопии и аналитической химии (получение новых веществ с заданными параметрами), термодинамики и теплофизики (исследование температурных полей) и т.д.
Известен способ определения абсолютного значения показателя преломления газовых сред, являющийся прототипом предлагаемого изобретения. [Скоков И.В. «Многолучевые интерферометры», М., Машиностроение, 1969, 248 с.]. Определение абсолютного значения показателя преломления газовых сред осуществляется по изменению длины волны излучения в максимуме полосы пропускания многолучевого интерферометра Фабри-Перо в условиях, когда давление газовой среды, находящееся между зеркалами многолучевого интерферометра Фабри-Перо, меняется от атмосферного значения до вакуумного. Количественное значение изменения длины волны Δλ в этих условиях определяется по величине изменения диаметра i-го интерференционного кольца многолучевого интерферометра Фабри-Перо, который также зависит от давления газовой среды, т.е.
il
i2
где λ - длина волны излучения; d, d - начальное и конечное значения диаметра i-го интерференционного кольца многолучевого интерферометра Фабри-Перо, f - фокусное расстояние регистрирующего объектива.
Таким образом показатель преломления газовых сред будет определятся выражением
где m - число интерференционных колец, прошедших, например, через неподвижную диафрагму, за которой установлен фотоэлектрический приемник, при изменении давления газовой среды в многолучевом интерферометре Фабри-Перо.
Из (2) видно, что при известном значении длины волны излучения λ принцип измерения показателя преломления газовых сред сводится к отсчету числа m и определению изменения длины волны Δλ при изменении давления газовой среды в межзеркальном пространстве многолучевого интерферометра Фабри-Перо. Точность вычисления Δλ определяется точностью измерения диаметров i-го интерференционного кольца многолучевого интерферометра Фабри-Перо, которая по субъективным причинам сравнительно низкая.
Таким образом, указанный способ из-за низкой точности не позволяет проводить прецизионные измерения показателя преломления, например, в разреженных газовых средах.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения показателя преломления газовых сред.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в создаваемом способе значение максимума выбранной полосы пропускания многолучевого интерферометра Фабри-Перо определяют частотным методом путем измерения частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум этой полосы пропускания, когда межзеркальное пространство многолучевого интерферометра Фабри-Перо заполнено газовой средой и когда оно вакуумировано. Значение показателя преломления газовой среды определяют отношением измеренных частот в вакууме и в присутствии газовой среды.
На чертеже приведена структурная схема измерителя показателя преломления газовых сред, реализующая заявленный способ.
Устройство содержит: автоподстройку частоты 1; одночастотный перестраиваемый лазер 2; многолучевой интерферометр Фабри-Перо 3 со специальными зеркалами и вакуумной системой; фотоприемники 4 и 5; стабилизированный по частоте фемтосекундный лазер с известными генерируемыми частотами 6; частотомер 7; поворотные зеркала 8 и 9.
Многолучевой интерферометр Фабри-Перо 3 по оптическому каналу связан с одночастотным перестраиваемым лазером 2 и фотоприемником 4, автоподстройка частоты 1 обладает кабельной связью с фотоприемником 4 и одночастотным перестраиваемым лазером 2, одночастотный перестраиваемый лазер 2 и фемтосекундный лазер 6 по оптическому излучению при помощи поворотных зеркал 8 и 9 связаны с фотоприемником 5, который имеет кабельное соединение с частотомером 7.
Предложенный способ осуществляется следующим образом.
c
c
в
Для измерения показателя преломления газовой среды пространство между зеркалами многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3 заполняется газовой средой. Излучение одночастотного перестраиваемого лазера 2 пропускается через многолучевой интерферометр Фабри-Перо 3 и настраивается на максимум полосы пропускания произвольно выбранной моды k и при помощи автоподстройки частоты 1 стабилизируется частота одночастотного перестраиваемого лазера 2. При пространственном совмещении излучений одночастотного перестраиваемого лазера 2 и стабилизированного по частоте фемтосекундного лазера 6, осуществляемые поворотными зеркалами 8 и 9, с помощью фотоприемника 5 и частотомера 7 определяется частота ν одночастотного перестраиваемого лазера 2, частота которого настроена на максимум полосы пропускания моды k многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3. Таким образом определяется частота ν максимума полосы пропускания моды k многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3 при наличии газовой среды в межзеркальном пространстве. Для определения показателя преломления газовой среды необходимо знать значение частоты этой моды k многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3, когда пространство между зеркалами вакуумировано. Для этих целей при помощи вакуумных насосов производится постепенная откачка газовой среды из межзеркального пространства многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3, не нарушая процесса стабилизации частоты одночастотного перестраиваемого лазера 2 (необходимо соблюдать «слежение» автоподстройкой частоты 1 за максимумом полосы пропускания для моды k многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3). При вакуумировании межзеркального пространства многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3 значение частоты ν одночастотного перестраиваемого лазера 2, настроенного на максимум полосы пропускания моды k определяется, как и в случае, когда многолучевой интерферометр Фабри-Перо 3 заполнен газовой средой по излучению стабилизированного по частоте фемтосекундного лазера 6 при помощи фотоприемника 5 и частотомера 7.
c
в
Таким образом, при известных значениях частот ν и ν определяется показатель преломления газовой среды по формуле:
-11
-12
В заключение отметим, что регистрация частотным методом максимума полосы пропускания выбранной моды многолучевого интерферометра Фабри-Перо позволяет получать точность измерения показателя преломления газовых сред ~(10÷10), что на (3-4) порядка выше, предложенного в прототипе.