气体折射率的测试光路——用激光干涉条纹计数原理

    

    1　前　言

    当代长度基准“米”定义:光在真空里于1/299792458秒行进的距离为1米。那么,光在真空里的光速值:C₀=299792458米·秒^-1。

    实际应用是在大气中,例如:

    电磁波测距:利用微波束或光束行进于待测距离(100米~几十公里乃至星际间距)往返时间确定的:

    S=C·t/2

式中S———待测距离;

    C———光在大气中的速度;

    t———行进于待测距离往返时间。

   ④ 光波干涉测长(波长计数法)用下式测量长度:

式中L———待测长度;     N———干涉条纹数;     λ———应用的光波长(通常用激光源)。     由于光波长与光速(C)和光频率(f)关系式:     若光行进于大气中,受气压、温度、湿度、气体成分影响,光速值受介质影响而变化,那么利用光速为“测长尺子”,必须加以修正。这种影响的实质是光束行进于介质中受分子运动阻碍行进的速度,也可以说对光波长进行了压缩。所以必须对光速进行大气修正,其修正量须很准确地测量。通用的测量方法如图1所示,瑞利(Rayleigh)干涉仪和雅满(Jamin)干涉仪,它们是用光束通过充入不同气压、温度、湿度以及不同成分的气体的管道里,测量光束经过气管后光程(几何间距与折射率乘积)变化的相关量,计算出折射率。

    这里阐述两种用白光“O”级干涉条纹定位,激光干涉条纹计数的光路。

    2　两种光干涉光路测量原理

    2·1　两套迈克尔逊(Michelson)干涉仪串联起来的光路

    如图2所示光路及逻辑电路,其中第一套双光束干涉光路的两臂光束分别透过两个气管A和B,白光源经准直,并通过半透半反射分光镜F1,行振幅分光,两束光分别透过气管A及B,再由两猫眼(Cat seye)反射镜。又经串联的第二套干涉仪,被F2分光,一束在一固定间距的a镜上反射,另一束光经可移动的三面互成直角反射镜M和平面镜b上反射,而后两束光再叠加干涉。经光电转换,并经电路处理后作计数器开、关门的控制指令。激光束由直角棱镜G引进光路,也经过与上述相同的光路及电路处理成脉冲计数信号被开、关门控制输入计数器。

    当M镜在平直导轨上沿光束方向平移时,出现如下等光程:

    2·2　由一臂分光的干涉光路

    如图3所示,白光源经准直后,射向分光镜F,一束射向G并被波前分割成两束,分别透过A、B两气管,于气管另一端的密封玻璃表面反射,经F分光的另一束光经三面互成直角的反射镜M和平面镜E反射,其中还有一个固定于三面互成直角的反射镜中心的小三面直角棱镜,作为激光干涉用的移动靶镜,此时白光束与激光束同步增减光程。