Интерференционный способ измерения оптического показателя преломления газов и жидкостей

 

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ, включающий измерение изменения оптического пути в интерферометре при замене исследуемой среды вакуумом, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения точности и:змерений, замену исследуемой среды вакуумом производят перемещением границы между ними, при этом величину перемещения выбирают такой, чтобы изменение оптического пути составило величину, равную целому числу порядков интерференции, и определяют показатель преломления по величине перемещения границы и числу порядков интерференции.

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ()9) (!!) SU (д11 С 01 N 21/45

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ.ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3516937/18-25 (22) 09.08.82 (46) 07.10.84. Бюл. У 37 (72) В.М. Хавинсон (53) 535,24(088 ° 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

119 802853, кл. G 01 N 21/45, 1978.

2. I. Terrien "Anair refractometer for interference length metrology

"Metrologia9 1965, v. 1, 11 3, рр. 80-83 (прототип). (54)(57) ИИТЕРФЕРЕНЦИОННЦЙ СПОСОБ

ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ, включающий измерение изменения оптического пути в интерферометре при замене исследуемой среды вакуумом, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, замену исследуемой среды вакуумом .производят перемещением границы между ними, при этом величину перемещения выбирают такой, чтобы изменение оптического пути составило величину, равную целому числу порядков интерференции, и определяют показатель преломления по величине перемещения границы и числу порядков интерференции.

1 11174

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для абсолютного и относительного измерения оптического показателя преломления газов и прозрачных жидкостей.

Знание точного значения оптического показателя преломления газов или жидкостей необходимо во многих физикохимических исследованиях. Наиболее 10 высокие требования к точности измерения показателя преломления газов, в частности воздуха, предъявляются при интерференционных измерениях длины.

Например, при эталонных измерениях 15 длины уже в настоящее время требуется точность измерения показателя преломления воздуха не ниже 10, и эти требования непрерывно растут.

Известные в настоящее время наибо-20 лее точные интерференционные способы измерения показателя преломления газов и жидкостей основаны на измерении изменения оптического пути при замене исследуемой среды на фиксированном25 участке пути светового пучка интерферометра вакуумом.

Известен интерференционный способ измерения показателя преломления, основанный на измерении изменения опти-ЗО ческой разности хода в интерферометре

1при откачке (вакуумировании) кюветы фиксированной длины, помещенной на пути светового пучка интерферометра (1) .

Недостатком известного способа является ограничение точности, связанное с необходимостью создания в полости кюветы перед началом измерения (перед вакуумированием кюветы) go среды, идентичной исследуемой среде.

Отличие температуры и состава среды, заполняющей интерферометр, от температуры и состава среды в кювете приводит к появлению погрешности, кото- 5 рая ограничивает точность измерения показателя преломления величиной порядка 10 .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является интерференционный способ измерения показателя преломления газов и жидкостей, включающий измерение изменения оптического пути в интерферометре при замене исследуемой среды вакуумом (2) .

Известный способ заключается в следующем.

В интерферометре, заполненном исследуемой средой, измеряют оптическую разность хода Х1. Затем в интер-ь ферометр на пути светового пучка помещают вакуумированную кювету известной длины 1.. так, что на длине 1 пути светового пучка исследуемая среда замещается вакуумом. Снова измеряют оптическую разность хода Х> в интерферометре. Вычисляют изменение оптической разности хода 6X = X<-Х в интерферометре, получающееся при замене исследуемой среды вакуумом на длине f. светового пучка. Определяют показатель преломления П из соотношения где К вЂ” коэффициент, характеризующий чувствительность интерферометра (обычно,К = 2).

Однако достигнутая известным способом самая высокая точность измерения покаэателя преломления воздуха

1 10 уже в настоящее время окаэы8 вается недостаточной. Ограничение точности связано с неидеальностью окон кюветы, вызванной неточностью изготовления и деформацией окон при вакуумировании полости кюветы. Значение точности 1 10 близко к преЯ дельным возможностям известного способа при длине кюветы 1 1 м и современном уровне технологии. Кроме того, так как при помещении в интерферометр вакуумированной кюветы оптическая разность хода в интерферометре изменяется скачком, для измерения изменения разности хода приходится применять метод совпадения дробных частей порядков интерференции, который требует предварительного определения показателя преломления другим способом (например, с помощью известных формул по данным о температуре, давлении и составе газа). Следовательно, возможности автоматизации процесса измерений весьма ограничены.

Таким образом, основным недостатком известного способа является ограниченная точность.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что согласно интерференционному способу измерения оптического показателя преломления газов и жидкостей, вклю3 111 чающему измерение изменения оптического пути в интерферометре при замене исследуемой среды вакуумом, замену исследуемой среды вакуумом производят перемещением границы между ними, при этом величину перемещения выбирают такой, чтобы изменение оптического пути составило величину, равную целому числу порядков интерференции, и определяют показатель преломления по величине перемещения границы и числу порядков интерференции.

На фиг.1 изображено устройство для реализации предложенного способа, представляющее собой воздушный рефрактометр; на фиг.2 — вариант устройства с основным интерферометром, выполненным по двухлучевой схеме.

7493 4

Приемная система 13 основного интерферометра, схема 15 управления приводом и привод 16 образуют цепь автоподстройки длины основного интерферометра.

Выход вспомогательного интерферометра оптически связан с приемной системой 17 вспомогательного интерферометра, выход которой электрически

10 связан с входом счетчика 18 интерференционных полос вспомогательного интерферометра, Оптическая длина основного интерферометра складывается из оптических длин вакуумной и воздушной частей интерферометра и оптической толщины окна, разделяющего вакуумную и воздушную части интерферометра

Устройство, реализующее предлагаемый способ содержит (фиг.1) источ20 ник 1 параллельного пучка монохроматического света основной интерферометр по схеме Фабри-Перо, который состоит из зеркал 2 и 3 расположен9

5 ных параллельно одно другому (оптическая осъ основного интерферометра перпендикулярна поверхности зеркал

2 и 3), вспомогательный интерферометр по схеме Майкелъсона, который состоит из светоделительного элемента 4, трехгранного отражателя 5 и зеркал би7.

Оптические оси основного и вспомогательного интерферометров и источника 1 пересекаются на поверхности 35 светоделителъного элемента 8 и лежат в одной плоскости. Вакуумная камера

9 имеет подвижную стенку 10 с окном

11, которое делит основной интерферометр на две части — вакуумную и воздушную. На подвижной стенке 10 закреплен трехгранный отражатель 5 вспомогательного интерферометра. Выход основного интерферометра через окно 12 вакуумной камеры оптически

I связан с приемной системой 13 основно.

ro интерферометра. Выход приемной системы 13 электрически связан с входом счетчика 14 числа интерференционных полос в основном интерферометре 50 и с одним входом схемы 15 управления приводом. Другой вход схемы 15 управления приводом электрически связан с выходом счетчика 14. Выход схемы 15 управления приводом электрически 55 связан с приводом 16, который механически связан с подвижной стенкой

10 вакуумной камеры 9, 2 П ° "1 Ст, ( где длина вакуумной части интерферометра; длина воздушной части интерферометра; оптический показатель преломления воздуха; толщина окна; показатель преломления материала окна. (, = „ 3 4 п.сОЙМ откуда следует, что при поступательном перемещении окна вдоль оси основного интерферометра на величину 4. длины воздушной и вакуумной частей изменяется на одну и ту же величину, а именно на -величину перемещения окна 4

=1, -<, ( (я г 9 . длины вакуумной части интерферометра, соответственно в начале и в конце перемещения окна; длины воздушной части интерферометра, соответственно в начале и в конце перемещения окна, Механическая длина основного интерферометра (расстояние между зеркалами) при поступательном перемещении окна вдоль оси интерферометра остает- . ся неизменной

1117493 привод 16 перемещает стенку 10 вакуумной камеры с окном 11 в одном направлении, при этом оптическая длина основного интерферометра монотонно

5 изменяется. При изменении оптической длины на некоторую, заранее заданную величину, по сигналу с выхода счетчика 14 замыкается кольцо автоподстройки длины основного интерферометра и привод 16 снова настраивает основной интерферометр на максимум интерферен ционной полосы. При этом

8,„„„„„2(С,","!)- (С,Е, =Д(-, представляет собой изменение суммы оптических путей в воздухе и в вакууме. Таким образом, удвоенное изменение оптической длины (изменение оптической разности хода) основного интерферометра при перемещении окна

i1 которое является границей между воздушной и вакуумной частями интерферометра, равно изменению суммы оптических путей в воздухе и вакууме.

Способ реализуется следующим образом.

Излучение от источника i монохроматического света делится светоделительным элементом 8 на два пучка, один из которых поступает в основной интерферометр, а другой — во вспомогательный, служащий для измерения величины перемещения окна 11, Приемная система 13 основного интерферометра в соответствии с оптичеСкими сигналами, поступающими с выхода основного 30 интерферометра, вырабатывает электрический сигнал, который через схему

15 управления приводом воздействует на привод 16. Привод 16, перемещая подвижную стенку камеры 10 с окном З5

11 и изменяя таким образом оптическую длину основного интерферометра, настраивает основной интерферометр на максимум интерференционной полосы (максимум пропускания). При этом !0

11 иС опт

26т 11™

Оптическая длина основного интерферометра при перемещении окна изменяется на величину

«o.,= " «", »„)-И, Е,„.И.„

=«,"-, (е",-г",) .-e,.å. =е(. ), и где (Й1 — целое число) .

Таким образом, удвоенное изменение оптической длины основного интерферометра составляет

kC iC C

2 опт " опт 2!" опт ! где М = М вЂ” М вЂ” целое число.

1 1

Следовательно, сумма оптических путей в воздухе и вакууме изменяется на величину, равную целому числу

N< порядков интерференции

Так как с подвижной стенкой !0 вакуумной камеры связан трехгранный отражатель 5 вспомогательного интерферометра, то, учитывая, что вспомогательный интерферометр имеет удвоенную чувствительность, при перемещении стенки 10 на величину 1 оптическая разность хода во вспомогательном интерферометре изменяется на величину С

2 !" опт

45 где С вЂ” скорость света в вакууме; частота излучения источника 1; порядок интерференции в основном интерферометре (целое число) °

После настройки интерферометра на максимум интерференционной полосы включают счетчик 14 числа интерференционных полос основного интерферометра и счетчик 18 числа интерференцион- ных полос вспомогательного интерферометра, разрывают кольцо автоподстройки длины основного интерферометра, 4пЕ=Н вЂ”

С

4 где !i< †. изменение порядка интерференции во вспомогательном интерферометре.

Подставляя (2) в (1) получим формулу для определения показателя преломления воздуха

Ng

П

N 22Ч1 числа Ng и N получают из показаний счетчиков 14 и 18 соответственно.

Б варианте устройства, реализующего предлагаемый способ с основным

11174 интерферометром, выполненным по двухлучевой схеме (фиг.2), исключаются зеркала 2 и 3. Основной интерферометр состоит из светоделительной призмы 19 и зеркала 20. Светоделительная, плоскость призмы расположена параллельно оптической оси источника

1, зеркало 20 расположено перпендикулярно оптической оси источника 1.

Выход основного интерферометра опти- 10 чески связан с приемной системой 13.

Оптическая разность хода в основном интерферометре (разность оптических путей света в двух плечах интерферометра) равна l5

an а ге

Здесь L — расстояние вдоль светового пучка в вакуумной камере между окнами 11 и 12.

Так как оптическая длина одного из плеч основного интерферометра при перемещении окна 11 остается постоянной, то изменение суммы оптических путей в воздухе и вакууме, сос- 25 тавляющих второе плечо интерферометра, равно изменению оптической разности хода Х в интерферометре

30 где, и Ь вЂ” зн эчения в начале и в конце перемещения окна соответственно; величина перемещения ок35

Следовательно, при изменении оптической разности хода в интерферометре на величину, равную целому числу порядков интерференции, сумма оптичес- 40 ких путей в воздухе и вакууме также изменяется на величину, равную целому числу порядков интерференции.

Ь,н,=г Ь 1, Ы где -- — относительная нестабильность частоты излучения за время измерения (для обычно применяемых в интерферометрии

Ь1 -9 источников — = 10

L — - механическая длина основного интерферометра в случае применения многолучевой схемы или начальная разность длин двух плеч в случае применения двухлучевой схемы.

При применении многолучевой схемы

50 длина интерферометра L не может быть меньше величины перемещения границы воздух-вакуум 4 поэтому в этом слу- чае

Выражение для среднеквадратической45 относительной погрешности измерения показателя преломления воздуха с помощью предлагаемого способа можно получить из формулы (3) Ь 1 — =in-

Х = 2 . — 21 = 2L(R-1).

ZX *21. (n-1j-2 (n- ) -26(и-1), 8

Пользуясь (1) и (2) и учитывая, с что у =Э, где h — длина волны света в вакууме, преобразуем (4) к виду, более удобному для численных оценок

Основными составляющими погрешности определения числа N1(погрешность, с которой задается изменение суммарного оптического пути. в исследуемой среде и вакууме, вызванное перемещением границы), являются:

1. Погрешность наведения на максимум интерференционной полосы Ь N

Эта погрешность определяется формой интерференционной полосы, мощностью светового излучения, падающего на фотоприемник, квантовым выходом фотоприемника и временем усреднения. Известные теоретические и экспериментальные исследования дают для обычно применяемых в интерферометрах мощностей светового монохроматического излучения (0,1 мВт) и времени усреднения - 1 с значение й, М 10 для двухлучевых интерферометров. Для многолучевого интерферометра это значение может быть в 30-50 раэ меньшим

2. Погрешность, вызванная нестабильностью частоты излучения где gN< — погрешность определения 55 числа N,;

Ь " — погрешность определения числа К, Применение источников, обладающих повышенной стабильностью (например

9 11174

ОКГ с внутрирезонаторной поглощающей ячейкой) позволит снизить эту погреш- о gg ность до величины 52 N, 10

При применении двухлучевой схемы указанное ограничение отсутствует и может быть сделано сколь угодно

2 малым.

3. Погрешность, вызванная изменением оптической длины основного интерферометра из-за наклонов подвиж- 10 ного окна на границе воздух-вакуум

2 1ст " " 2 С „ пст

1„! где 1 — толщина Окна;

П 1 — показатель преломления материала окна;

Ж ф2 — углы между напра»нлением снетового пучка и нормалью к по- »

20 нерхности окна н начале и з конце перемещения соответственно;

Ы,= 2- 1- изменение наклона окна при перемещении, 25

Существование этой погрешности накладывает ограничение на непрямолинейность перемещения границы воздухвакуум. Например, задаваясь велич-.z"-6 ной погрешности Ь М = 10 и принимал

"-- 39 — 1,5,И =Змми h=05мкм, получаем, что непрямолинейность перемеЦ щения не,цолжна превышать 3 при точности установки угла между нормалью к поверхности окна и направлением светового

/( пучка 3 . Эти требования, хотя и достаточно высоки, однако выполнимы.

Указанные ограничения существенны лишь для многолучевой схемы основного интерферометра. В двухлучевом варианте возможно применение практически полной компенсации влияния наклонов подвижного окна, тогда вели-. чина Ь и становится пренебрежимо ма3 лой даже при величине непрямолинейности порядка. углового градуса.

Основными составляющими погрешнос-. ти определения числа 1 2 (погрешность определения величины проекции перемещения границы воздух-вакуум на направление светового пучка) являются: погрешность отсчета дробной части порядка интерференции 5 11, для которой легко достигается значение 10

2 2

4 смещение вершины отражателя

Относительно оси светового пучка; а =,,-ц, — изменение наклона подвижной стенки при перемещении.

Как указывалось выше, значение величины Ь (порядка. нескольких угловых к секунд (3-5 ) вполне достижимо.

Точность установки отражателя отнОсительнО Оси снетОного пучка при визуальном контроле можно принять равной Д ;. 0,1 мм, При этих значениях g g. и Д погрешность Лббе имеет неличину для

0,5 мкм (1-2) -10

Примсм величину перемещения границы воздух-вакуум -(. =- 10 мм, значение показателя преломления атмосферного воздуха и = (1-3) 10, длину

4 волны излучения источника Я

0,5 мкм. Тогда,,суммируя кнадратичпо нсе рассмотренные выше погрешности, из (5) получим — 12 10

6п -11 и

У для многолучгвого варианта б" 10

-11

A для двухлученого варианта

Таким образом, предлагаемый способ позволит производить измерения показателя преломления газов с точностью, по крайней мере на два порядка более высокой чем предельная точность, получаемая при реализации известных способов I и 2 . Кроме того, предлагаемый способ позволит полностью автоматизировать процесс измерения.

93 10 (такую погрешность имеют, например, выпускаемые серийно лазерные интерферометры ИПЛ10М и ИПЛЗОК); погреш- ность, связанная со смещением вершины трехгранного отражателя 5 относительно оси светового пучка в интерферометре, проходящего через накуумную камеру (так называемая погреш,ность Аббе), величина которой определяется из формулы

1it7493

1117493

Составитель С. Бочинский

Редактор О.Бугир Техред А.Бабинец Корректор N.Ëåîíòþê

Заказ 7187/26 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4