СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СРЕД Российский патент 2013 года по МПК G01J3/26 G01N21/41 

Описание патента на изобретение RU2495387C2

Предлагаемое изобретение относится к области «Прикладная оптика» и направлено на разработку способа измерения показателя преломления газовых сред с целью повышения точности измерения.

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 решается 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. Относительная погрешность измерения, составляющая ~(10-7-10-8), недостаточна для проведения ряд 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 измерения 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 интерферометра Фабри-Перо в условиях, когда давление газовой среды, находящаяся между зеркалами интерферометра Фабри-Перо меняется от атмосферного значения до вакуумного. Количественное значение изменение длины волны Δλ в этих условиях определяется по величине изменения диаметра i-го интерференционного кольца интерферометра Фабри-Перо, который также зависит от давления газовой среды т.е.

Δ λ = λ ( d i 1 2 d i 2 2 ) / 8 f 2 , ( 1 )

где λ - длина волны излучения;

di1, di2 - начальное и конечное значение диаметра i-го интерференционного кольца интерферометра Фабри-Перо;

f - фокусное расстояние регистрирующего объектива.

Таким образом показатель преломления газовых сред будет определятся выражением

n = λ λ m Δλ , ( 2 )

где m - число интерференционных колец, прошедших, например, через неподвижную диафрагму, за которой установлен фотоэлектрический приемник, при изменении давления газовой среды в 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 интерферометра Фабри-Перо. Точность вычисления Δλ, а, следовательно, точность измерения показателя преломления газовых сред определяется точностью измерения диаметров i-го интерференционного кольца интерферометра Фабри-Перо, которая 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.

Способ измерения показателя преломления газовых сред, основанный на измерении значения максимума выбранной полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо определяют частотным методом путем измерения частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум этой полосы, когда интерферометр Фабри-Перо вакуумирован, и когда максимум этой интерференционной полосы смещен в следствие наличия исследуемой газовой среды в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо, а значение показателя преломления газовой среды определяют отношением этих измеренных частот.

На чертеже приведена структурная схема измерителя показателя преломления газовых сред, реализующая заявленный способ.

Устройство содержит: 1, 2 - фотоприемники; 3 - частотомер; 4 - оптический стандарт частоты; 5 - одночастотный перестраиваемый лазер; 6 - интерферометр Фабри-Перо со специальными зеркалами и вакуумной системой; 7 - автоподстройка частоты; 8, 9 - поворотные зеркала.

Интерферометр Фабри-Перо 6 по оптическому каналу связан с одночастотным перестраиваемым лазером 5, оптическим стандартом частоты 4 и фотоприемником 2, автоподстройка частоты 7 обладает кабельной связью с фотоприемником 2 и одночастотным перестраиваемым лазером 5, одночастотный перестраиваемый лазер 5 и оптический стандарт частоты 4 по оптическому излучению при помощи поворотных зеркал 8 и 9 связаны с фотоприемником 1, который имеет кабельное соединение с частотомером 3.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. Для измерения показателя преломления газовой среды пространство между зеркалами интерферометра Фабри-Перо 6 вначале вакуумируется. Излучение одночастотного перестраиваемого лазера 5 поступает на вход интерферометра Фабри-Перо 6 и его частота νпл настраивается и стабилизируется при помощи автоподстройки частоты 7 по максимуму полосы пропускания такой моды k интерферометра Фабри-Перо 6, частота которой νk расположена наиболее близко к частоте излучения νосч оптического стандарта 4. Для простоты расчета эту настройку осуществляем (хотя это не принципиально) таким образом, чтобы νплk∠νосч. Это условие контролируется регистрацией частотомером 3 разностной частоты Δ1 между излучениями одночастотного перестраиваемого лазера 5 и оптического стандарта частоты 4, выделяемая фотоприемником 1, при пространственном совмещении этих излучений при помощи поворотных зеркал 8 и 9. Для этого случая частота максимума полосы пропускания вакуумированного интерферометра Фабри-Перо для моды k определяется

ν k = ν п л = ν о с ч Δ 1 , ( 3 )

где Δ1 - величина отстройки частоты, соответствующей для моды k относительно частоты оптического стандарта 4.

При замене вакуума исследуемой газовой средой в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо 6 его оптическая длина увеличивается и максимум полосы пропускания для моды k сместится относительно частоты νk (в область низких частот на величину

Δ ν = K Δ i + ( Δ 2 Δ 1 ) , ( 4 )

где K - количество смещенных интерференционных полос, регистрируемых фотоприемником 2, при замене вакуума в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо 6 исследуемой газовой средой;

Δ2 - разностная частота, выделенная фотоприемником 1 и измеренная частотомером 3, между частотой одночастотного перестраиваемого лазера 5, частота которого настроена на максимум полосы пропускания продольной k+K моды интерферометра Фабри-Перо 6, расположенная наиболее близко к частоте νосч и частотой оптического стандарта 4 в присутствии газовой среды; Δi - межмодовая частота интерферометра Фабри-Перо 6, заполненного газовой средой.

Количество смещенных интерференционных полос К интерферометра Фабри-Перо 6 определяется по числу максимумов сигналов, регистрируемых фотоприемником 2 в процессе замены в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо 6 вакуума исследуемой газовой средой. При этом предварительно необходимо стабилизировать частоту одночастотного перестраиваемого лазера 5 частотно-фазовым методом по излучению оптического стандарта частоты 4, выполнив частотные условия (3).

Область дисперсии интерферометра Фабри-Перо 6 Δi можно определить с высокой точностью, измеряя разностную частоту ΔF между двумя далеко разнесенными максимумами полос пропускания интерферометра Фабри-Перо 6, составляющей несколько терагерц при известном количестве интерференционных полос на этом частотном интервале. Регистрация таких частот осуществляется фотоприемным устройством на основе диода Шоттки [Багаев С.Н., Божков В.Г, и др. «Квантовая электроника», 25(6), с.558-562, 1998 г.}. Кроме того, высокая точность измерения Δi зависит от точности настройки частоты одночастотного перестраиваемого лазера 5 на центр полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо 6. При использовании зеркал в интерферометре Фабри-Перо 6 с малыми потерями и коэффицинетом отражения - 0,99999 достигается точность настройки на центр выбранной полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо 6 ~1 Гц и относительная погрешность измерения Δi~(10-12-10-13) [Diddmax J.C., Udem Nh., Degguist J.C., и др. Science, 293, 825 (2001)].

Таким образом, при известных значениях νk и Δν (см. формулы (3) и (4)) определяется показатель преломления газовой среды

n = ν k ν k Δ ν = ν о с ч Δ 1 ( ν о с ч Δ 1 ) [ K Δ i + ( Δ 2 Δ 1 ) ] . ( 5 )

В заключение отметим, что регистрация предложенным частотным методом максимума полосы пропускания выбранной моды интерферометра Фабри-Перо 6 позволяет получать относительную точность измерения показателя преломления ~(1012÷1013), что на 3-4 порядка выше предложенного в прототипе.

Похожие патенты RU2495387C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СРЕД 2011
  • Бикмухаметов Камил Абдуллович
  • Головин Николай Николаевич
  • Дмитриев Александр Капитонович
RU2471174C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИН 2014
  • Бикмухаметов Камил Абдуллович
  • Головин Николай Николаевич
  • Дмитриев Александр Капитонович
  • Исакова Алина Алексеевна
RU2561771C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИСПЕРСИИ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ ГЕНЕРАЦИИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРА 2011
  • Бикмухаметов Камил Абдуллович
  • Головин Николай Николаевич
  • Дмитриев Александр Капитонович
RU2486485C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2012
  • Денисенко Павел Евгеньевич
  • Куприянов Владимир Геннадьевич
  • Морозов Олег Геннадьевич
  • Морозов Геннадий Александрович
  • Садеев Тагир Султанович
  • Салихов Арсен Марсович
RU2512616C2
ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ФАБРИ - ПЕРО 1992
  • Кожеватов И.Е.
  • Куликова Е.Х.
  • Черагин Н.П.
RU2054639C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДОВОЙ ДИСПЕРСИИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВЕДУЩИХ СИСТЕМ 2006
  • Акчурин Александр Гарифович
  • Акчурин Гариф Газизович
  • Скибина Юлия Сергеевна
RU2308012C1
ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ДВУХЗЕРКАЛЬНЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР 2017
  • Бабин Сергей Алексеевич
  • Терентьев Вадим Станиславович
  • Симонов Виктор Александрович
RU2679474C1
Устройство для измерения концентрации метана в смеси газов 2015
  • Иванов Михаил Павлович
  • Толмачев Юрий Александрович
RU2615225C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СРЕДЫ 2018
  • Калачёв Алексей Алексеевич
  • Шухин Анатолий Александрович
RU2685754C1
СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ПРИСОЕДИНЕНИЯ ВЕЩЕСТВЕННОГО КОМПОНЕНТА К СЕНСОРНОМУ МАТЕРИАЛУ НА ОСНОВЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО, ХИМИЧЕСКОГО ИЛИ ФИЗИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) 2000
  • Никитин П.И.
  • Горшков Б.Г.
RU2181487C2

Реферат патента 2013 года СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СРЕД

Предлагаемое изобретение относится к оптическим измерениям. Способ измерения показателя преломления газовых сред основан на измерении частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум выбранной моды высокостабильного 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. Технический результат заключается в повышении точности определения показателя преломления газовых сред. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 495 387 C2

Способ измерения показателя преломления газовых сред, основанный на измерении значения максимума выбранной полосы пропускания интерферометра Фабри-Перо, отличающийся тем, что значение указанного максимума полосы пропускания определяют частотным методом путем измерения частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум этой полосы, когда интерферометр Фабри-Перо вакуумирован, и когда максимум этой интерференционной полосы смещен вследствие наличия исследуемой газовой среды в межзеркальном пространстве интерферометра Фабри-Перо, а значение показателя преломления газовой среды определяют отношением этих измеренных частот.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2495387C2

US 20080186504 A1, 07.08.2008
US 20100103413 A1, 29.04.2010
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗОВ 1987
  • Мищенко Ю.В.
  • Ринкевичюс Б.С.
SU1496458A1
US 6747741 B1, 08.06.2004.

RU 2 495 387 C2

Авторы

Бикмухаметов Камил Абдуллович

Головин Николай Николаевич

Дмитриев Александр Капитонович

Даты

2013-10-10Публикация

2011-07-08Подача