用预抽气真空腔法测量及补偿空气折射率的研究

　　1　引　　言

　　在激光干涉测量中,环境因素变化导致空气折射率的改变是影响测量精度的主要原因。尤其是在非实验室环境的大距离测量中,空气折射率补偿效果的好 坏在高精度干涉测量中起着“瓶颈”作用。目前,对空气折射率的测量与补偿有许多方法,各自有着不同的特点和应用条件。分析了空气折射率的补偿原理,回顾了 几种空气折射率的测量方法及特点。在此基础上,深入研究了用预抽气真空腔测量与补偿空气折射率的方法和装置。通过一系列空气折射率测量的实验,分析了用预 抽气真空腔法测量空气折射率的特点,证实了该方法的可行性,测量结果经补偿后可使精度提高一个数量级。

　　2　空气折射率的补偿

　　空气折射率的补偿是精密激光干涉法在大气环境应用中的关键。补偿的传统方法是假设环境是均匀的,光学元件的热变化极其缓慢,因此某一点的折射率值就代表各处的折射率。然而许多环境并非足够均匀或只是处于准静态,这给补偿带来很多困难。

　　如图1所示,干涉测量的起始位置或零点是光学意义上的某一置零点,即使靶镜和分光镜的物理位置不动,环境的变化也会引起零点有一个明显的条纹数偏移量dN。在均匀环境中,t时刻零点条纹数偏移量dN的修正可通过公式(1)、(2)、(3)计算:

　　式中,λv为真空中波长,na为空气折射率;ng为玻璃折射率;α是玻璃的热膨胀系数;dT是温度变化量;Lg是零点位置下测量臂与参考臂之间在玻璃中的物理尺寸差;La是零点位置下两光臂在空气中的尺寸差。对应实际靶镜位移修正后的条纹数为:

　　式中,N0、N分别为修正前后的条纹数。靶镜的物理位移L由下式给出:

　　在干涉仪中采用对称结构,使测量臂和参考臂中的玻璃光程接近一致,以减小Lg是十分必要的。另外,波片等光学器件的特性也具有温度依赖性,因此 采用差动式干涉仪结构应具有接近一致的测量臂和参考臂的光程,以减少干涉仪光学结构对温度的敏感性。补偿的一般做法是忽略在两光臂在玻璃中的光程差Lg。

　　3　空气折射率测量及补偿的常用方法

　　3.1　PTF方法

　　所谓PTF方法是在干涉光路中布置高精度温度、压力和相对湿度传感器,对空气的温度、压力和相对湿度进行测量,并代入到Edlen经验公式中间 接求出空气折射率n。但Edlen经验公式是在一定的实验条件下得到的,其误差源除计算公式本身的不准确性,以及温度、压力和相对湿度等参数的测量误差 外,还要考虑测量环境中的空气成分与标准状态的差异产生的误差。空气成分的改变主要是CO2含量的增加、O2的减少,以及测量环境中油蒸气等杂质的存在, 而且因时因地而异。另外,该方法是采用传感器单点测量,若环境不均匀,存在温度、压力梯度等因素,就会带来测量误差。因此该方法适用于均匀的测量环境,并 且空气参数偏离标准状态不大的情况。只要传感器的精度足够高,就可以满足对n测量的精度要求。