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

Предлагаемое изобретение относится к области «Прикладная оптика» и направлено на разработку способа измерения показателя преломления газовых сред с целью повышения точности измерения.
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 решается 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. Относительная погрешность измерения, составляющая ~(10-10), недостаточна для проведения ряд 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 измерения 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 интерферометра Фабри-Перо в условиях, когда давление газовой среды, находящаяся между зеркалами интерферометра Фабри-Перо меняется от атмосферного значения до вакуумного. Количественное значение изменение длины волны Δλ в этих условиях определяется по величине изменения диаметра i-го интерференционного кольца интерферометра Фабри-Перо, который также зависит от давления газовой среды т.е.
<mrow><mi>Δ</mi><mi>λ</mi><mo>=</mo><mi>λ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>d</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>d</mi><mrow><mi>i</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mn>8</mn><msup><mi>f</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где λ - длина волны излучения;
i1
i2
d, d - начальное и конечное значение диаметра i-го интерференционного кольца интерферометра Фабри-Перо;
f - фокусное расстояние регистрирующего объектива.
Таким образом показатель преломления газовых сред будет определятся выражением
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mi>λ</mi><mo>−</mo><mi>m</mi><mtext>Δλ</mtext></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где m - число интерференционных колец, прошедших, например, через неподвижную диафрагму, за которой установлен фотоэлектрический приемник, при изменении давления газовой среды в 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 интерферометра Фабри-Перо. Точность вычисления Δλ, а, следовательно, точность измерения показателя преломления газовых сред определяется точностью измерения диаметров i-го интерференционного кольца интерферометра Фабри-Перо, которая 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.
Способ измерения показателя преломления газовых сред, основанный на измерении значения максимума выбранной полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо определяют частотным методом путем измерения частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум этой полосы, когда интерферометр Фабри-Перо вакуумирован, и когда максимум этой интерференционной полосы смещен в следствие наличия исследуемой газовой среды в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо, а значение показателя преломления газовой среды определяют отношением этих измеренных частот.
На чертеже приведена структурная схема измерителя показателя преломления газовых сред, реализующая заявленный способ.
Устройство содержит: 1, 2 - фотоприемники; 3 - частотомер; 4 - оптический стандарт частоты; 5 - одночастотный перестраиваемый лазер; 6 - интерферометр Фабри-Перо со специальными зеркалами и вакуумной системой; 7 - автоподстройка частоты; 8, 9 - поворотные зеркала.
Интерферометр Фабри-Перо 6 по оптическому каналу связан с одночастотным перестраиваемым лазером 5, оптическим стандартом частоты 4 и фотоприемником 2, автоподстройка частоты 7 обладает кабельной связью с фотоприемником 2 и одночастотным перестраиваемым лазером 5, одночастотный перестраиваемый лазер 5 и оптический стандарт частоты 4 по оптическому излучению при помощи поворотных зеркал 8 и 9 связаны с фотоприемником 1, который имеет кабельное соединение с частотомером 3.
пл
k
осч
пл
k
осч
1
Предложенный способ осуществляется следующим образом. Для измерения показателя преломления газовой среды пространство между зеркалами интерферометра Фабри-Перо 6 вначале вакуумируется. Излучение одночастотного перестраиваемого лазера 5 поступает на вход интерферометра Фабри-Перо 6 и его частота ν настраивается и стабилизируется при помощи автоподстройки частоты 7 по максимуму полосы пропускания такой моды k интерферометра Фабри-Перо 6, частота которой ν расположена наиболее близко к частоте излучения ν оптического стандарта 4. Для простоты расчета эту настройку осуществляем (хотя это не принципиально) таким образом, чтобы ν=ν∠ν. Это условие контролируется регистрацией частотомером 3 разностной частоты Δ между излучениями одночастотного перестраиваемого лазера 5 и оптического стандарта частоты 4, выделяемая фотоприемником 1, при пространственном совмещении этих излучений при помощи поворотных зеркал 8 и 9. Для этого случая частота максимума полосы пропускания вакуумированного интерферометра Фабри-Перо для моды k определяется
<mrow><msub><mi>ν</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
где Δ - величина отстройки частоты, соответствующей для моды k относительно частоты оптического стандарта 4.
k
При замене вакуума исследуемой газовой средой в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо 6 его оптическая длина увеличивается и максимум полосы пропускания для моды k сместится относительно частоты ν (в область низких частот на величину
<mrow><mi>Δ</mi><mi>ν</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где K - количество смещенных интерференционных полос, регистрируемых фотоприемником 2, при замене вакуума в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо 6 исследуемой газовой средой;
2
осч
i
Δ - разностная частота, выделенная фотоприемником 1 и измеренная частотомером 3, между частотой одночастотного перестраиваемого лазера 5, частота которого настроена на максимум полосы пропускания продольной k+K моды интерферометра Фабри-Перо 6, расположенная наиболее близко к частоте ν и частотой оптического стандарта 4 в присутствии газовой среды; Δ - межмодовая частота интерферометра Фабри-Перо 6, заполненного газовой средой.
Количество смещенных интерференционных полос К интерферометра Фабри-Перо 6 определяется по числу максимумов сигналов, регистрируемых фотоприемником 2 в процессе замены в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо 6 вакуума исследуемой газовой средой. При этом предварительно необходимо стабилизировать частоту одночастотного перестраиваемого лазера 5 частотно-фазовым методом по излучению оптического стандарта частоты 4, выполнив частотные условия (3).
i
i
i
-12
-13
Область дисперсии интерферометра Фабри-Перо 6 Δ можно определить с высокой точностью, измеряя разностную частоту ΔF между двумя далеко разнесенными максимумами полос пропускания интерферометра Фабри-Перо 6, составляющей несколько терагерц при известном количестве интерференционных полос на этом частотном интервале. Регистрация таких частот осуществляется фотоприемным устройством на основе диода Шоттки [Багаев С.Н., Божков В.Г, и др. «Квантовая электроника», 25(6), с.558-562, 1998 г.}. Кроме того, высокая точность измерения Δ зависит от точности настройки частоты одночастотного перестраиваемого лазера 5 на центр полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо 6. При использовании зеркал в интерферометре Фабри-Перо 6 с малыми потерями и коэффицинетом отражения - 0,99999 достигается точность настройки на центр выбранной полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо 6 ~1 Гц и относительная погрешность измерения Δ~(10-10) [Diddmax J.C., Udem Nh., Degguist J.C., и др. Science, 293, 825 (2001)].
k
Таким образом, при известных значениях ν и Δν (см. формулы (3) и (4)) определяется показатель преломления газовой среды
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ν</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ν</mi><mi>k</mi></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>ν</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi>K</mi><msub><mi>Δ</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
12
13
В заключение отметим, что регистрация предложенным частотным методом максимума полосы пропускания выбранной моды интерферометра Фабри-Перо 6 позволяет получать относительную точность измерения показателя преломления ~(10÷10), что на 3-4 порядка выше предложенного в прототипе.