[發明專利]一種基于白光頻域干涉法測量氣體折射率的裝置和方法

有效

• 申請號: 201410271464.6
• 申請日: 2014-06-17
• 公開（公告）號: CN104062266A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 楊永佳;蔣勇;邱榮;周自剛;閆匯
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 董芙蓉

技術領域：

本發明屬于氣體折射率測量技術領域，特別適合于精密分析與微小測量儀器領域。

背景技術：

折射率是物質的重要光學常數之一，借助折射率可以了解物質的光學性質、純度、濃度以及散射性能等。例如：在礦井中，可以通過測量空氣的折射率來分析空氣中混雜的沼氣等有害氣體的濃度；在鍋爐設備中，可以通過測量煙道氣體的折射率來分析煙道氣體中二氧化碳與一氧化碳的含量，以此來確定燃燒的情況。因此，對于氣體折射率的精確測量具有重要的理論和實踐意義。測量氣體折射率的方法一般采用干涉法，包括瑞利干涉法、邁克爾遜干涉法、激光合成波長干涉法及多波長激光干涉法，以上方法都屬于時域干涉法。基于時域干涉法進行氣體折射率測量屬于相對測量，因此在充氣或放氣時需要控制氣體的充放速度，以便通過CCD或其它成像設備能實時記錄或觀測干涉條紋的變化，而不會造成條紋的丟失；否則由于充氣或放氣時氣體的充放速度過快，造成條紋的丟失會引入額外的誤差。

發明內容:

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種基于白光頻域干涉基本原理，測量不同壓力下氣體折射率的裝置，該測量裝置是一種方便易操作、精度高，無需導軌、無需實時記錄或觀測的絕對測量裝置。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是，一種基于白光頻域干涉法測量氣體折射率的裝置：寬帶光源1輸出的光束首先經過一個小孔2，再經透鏡3作用后變為平行光束，該平行光束經寬帶分束鏡4分為兩束，其中一束稱之為參考光束，另一束稱之為信號光束，兩光束經寬帶反射鏡5、6反射后均原路返回，兩次通過石英空腔氣室7、8，并在寬帶分束鏡4處合束，最后進入光譜儀9，兩束光在頻率域內發生干涉，并由光譜儀9記錄干涉信號。兩支路中均引入了相同的石英空腔氣室7、8，主要原因是信號光經過氣室壁時會引入額外的光程差和色散，采用完全相同的兩只氣室可以消除額外光程差和色散。

附圖說明

通過參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例，本發明的以上和其它方面及優點將變得更加易于清楚，在附圖中：

圖1為本發明的一種基于白光頻域干涉法測量氣體折射率的裝置的原理示意圖。

具體實施方式

在下文中，將參照附圖更充分地描述本發明，在附圖中示出了各種實施例。然而，本發明可以以許多不同的形式來實施，且不應該解釋為局限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發明的范圍充分地傳達給本領域技術人員。

在下文中，將參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例。

參考附圖1，一種基于白光頻域干涉法測量氣體折射率的裝置：寬帶光源1輸出的光束首先經過一個小孔2，再經透鏡3作用后變為平行光束，該平行光束經寬帶分束鏡4分為兩束，其中一束稱之為參考光束，另一束稱之為信號光束，兩光束經寬帶反射鏡5、6反射后均沿原路返回，先后兩次通過石英空腔氣室7、8，并在寬帶分束鏡4處合束，最后進入光譜儀9，在頻率域內反生頻域干涉，并由光譜儀記錄干涉信號。兩支路中均引入了相同的石英空腔氣室7、8，主要原因是信號光經過氣室壁時會引入額外的光程差和色散，采用完全相同的兩只氣室可以消除額外光程差和色散。

正式實驗前，先將兩石英空腔氣室抽真空，保證兩氣室的真空度相同。然后移動反射鏡6，通過觀察光譜儀中的干涉信號使得兩支路的光程差基本相同，并保證信號光路(水平支路)光程l₂大于參考光路(豎直支路)l₁。先采集此時的干涉信號作為參考，然后向信號光路氣室中注入待測氣體，直至壓強符合測量要求為止，再采集此時的干涉信號，經過對干涉信號進行理論計算即可得到該壓強下的氣體折射率。

假設白光光源的光譜分布為E₀(λ)，則從參考臂(豎直支路)和信號臂(水平支路)返回光的表達式E₁(λ,s₁)、E₂(λ,s₂)可以分別寫為：