Способ измерения показателя преломления газовых сред

Изобретение относится к области оптических измерений и предназначено для измерения показателя преломления газовых сред. Способ измерения показателя преломления газовых сред основан на измерении частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум выбранной моды высокостабильного многолучевого интерферометра Фабри-Перо, когда межзеркальное пространство заполнено газовой средой и когда оно вакуумировано. Значение показателя преломления газовой среды определяют отношением измеренных частот в вакууме и в присутствии газовой среды. Частотный метод регистрации максимума полосы пропускания выбранной моды многолучевого интерферометра Фабри-Перо позволяет повысить точность измерения показателя преломления газовых сред. 1 ил.

 

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.

Применяемые способы измерения показателя преломления газовой среды в вышеперечисленных работах не дают необходимой точности, которая составляет 10^-7÷10^-8. 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.

где λ - длина волны излучения; d_il, d_i2 - 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.

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_c одночастотного перестраиваемого лазера 2, частота которого настроена на максимум полосы пропускания моды k многолучевого интерферометра Фабри-Перо 3. Таким образом определяется частота ν_c 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_в 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.

Таким образом, при известных значениях частот ν_c и ν_в определяется показатель преломления газовой среды по формуле:

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^-11÷10^-12), что на (3-4) порядка выше, предложенного в прототипе.

Способ измерения показателя преломления газовых сред, основанный на измерении значения максимума выбранной полосы пропускания многолучевого интерферометра Фабри-Перо, отличающийся тем, что значение этого максимума полосы пропускания определяют частотным методом путем измерения частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум этой полосы, когда межзеркальное пространство многолучевого интерферометра Фабри-Перо заполнено газовой средой и когда оно вакуумировано, а значение показателя преломления газовой среды определяют отношением этих измеренных частот.