Интерференционный способ измерения оптического показателя преломления газов и жидкостей Советский патент 1984 года по МПК G01N21/45 

si

4

00

Изобретение относится к измеритель-ной технике и может быть использовано для абсолютного и относительного измерения оптического показателя преломления газов и прозрачных жидкое- $ тей.

Знание точного значения оптического показателя преломления газов или жидкостей необходимо во многих физикохимических исследованиях. Наиболее |0 высокие требования к точности измерения показателя преломления газов, в частности воздуха, предъявляются при интерференционных измерениях длины. Например, при эталонных измерениях 15 длины уже в настоящее время требуется точность измерения показателя преломления воздуха не ниже 10, и эти требования непрерывно растут.

Известные в настоящее время наибо-20 лее точные интерференционные способы измерения показателя преломления газов и жидкостей основаны на измерении изменения оптического пути при замене исследуемой среды на фиксированном25 участке пути светового пучка интерферометра вакуумом.

Известен интерференционный способ измерения показателя преломления, основанный на измерении изменения опти-зо ческой разности хода в интерферометре (при откачке (вакуумировании) кюветы фиксированной длины, помещенной на пути светового пучка интерферометРа

Недостатком известного способа

является ограничение точности, связанное с необходимостью создания в полости кюветы перед началом измерения (перед вакуумированием кюветы) дд среды, идентичной исследуемой среде. Отличие температуры и состава Среды, заполняющей интерферометр, от температуры и состава среды в кювете приводит кпоявлению погрешности, кото- 5 рая ограничивает точность измерения показателя преломления величиной порядка 10 .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является 50 интерференционный способ измерения показателя преломления газов и жидкостей, включающий измерение изменения оптического пути в интерферометре при замене исследуемой среды вакуу- 55 мом Н .

Известный способ заключается в следующем

В интерферометре, заполненном исследуемойсредой, измеряют оптическую разность хода X.. Затем в интер-ь ферометр на пути светового пучка помещают вакуумированную кювету известной длины f. так, что на длине 1 пути светового пучка исследуемая среда замещается вакуумом. Снова измеряют оптическзгю разность хода Xj, в интерферометре. Вычисляют изменение оптической разности хода йХ Xg-X,) в интерферометре, получающееся при замене исследуемой среды вакуумом на длине t светового пучка. Определяют показатель преломления П из соотношения

лх

пИ +

где К - коэффициент, характеризующий чувствительность интерферометра (обычно ,К 2). Однако достигнутая известным способом самая высокая точность измерения показателя преломления воздуха 140 уже в настоящее время оказывается недостаточной. Ограничение точности связано с неидеальностью окон кюветы, вызванной неточностью изготовления и деформацией окон при вакуумировании полости кюветы. Значение точности-1 10 близко к предельным возможностям известного способа при длине кюветы t 1 ми современном уровне технологии.Кроме того, так как при помещении в интерферометр ваку.умированной кюветы оптическая разность хода в интерферометре изменяется скачком, для измерения изменения разности хода приходится применять метод совпадения дробных частей порядков интерференции, который требует предварительного определения показателя преломления другим способом (например, с помощью известных формул по данным о температуре, давлении и составе газа). Следовательно, возможности автоматизации процесса измерений весьма ограничены. Таким образом, основным недостатком известного способа является ограниченная точность.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что согласно интерференционному способу измерения оптического показателя преломления газов и жидкостей, вклю3111

чающему измерение изменения оптгтческого пути в интерферометре при замене исследуемой среды вакуумом, замену исследуемой среды вакуумом производят

перемещением границы между ними, при этом величину перемещения выбирают такой, чтобы изменение оптического пути составило величину, равную целому числу порядков интерференции, и определяют показатель преломления по величине перемещения границы и числу порядков интерференции.

На фиг.1 изображено устройство

для реализации предложенногоспособа, представляющее собой воздушный рефрактометр; на фиг,2 - вариант устройства с основным интерферометром, выполненным по двухлучевой схеме. Устройство, реализующее предлагаемый способ содержит (фиг.1) источ ник 1 параллельного пучка монохроматического света основной интерферометр по схеме Фабри-Перо, который состоит из зеркал 2 и 3, расположенных параллельно одно другому (оптиче кая ось основного интерферометра перпендикулярна поверхности зеркал 2 и 3), вспомогательный интерферомет по схеме Майкельсона, который состои из светоделительного элемента 4, трехгранного отражателя 5 и зеркал 6 и 7. Оптические оси основного и вспомо гательного интерферометров и источника 1 пересекаются на поверхности светоделительного элемента 8 и лежат в одной плоскости. Вакуумная камера 9 имеет подвижную стенку 10 с окном 11, которое делит основной интерферометр на две части - вакуумную и воздушную. На подвижной стенке 10 закреплен трехгранный отражатель 5 вспомогательного интерферометра. Выход основного интерферометра через „ окно 12 вакуумной камеры оптически связан с приемной системой 13 основн го интерферометра. Выход приемной системы 13 электрически связан с вхо дом счетчика 14 числа интерференцион ных полос в основном интерферометре и с одним входом схемы 15 управления приводом. Другой вход схемы 15 управ ления приводом электрически связан с выходом счетчика 14. Выход схемы 15 управления приводом электрически связан с приводом 16, который механически связан с подвижной стенкой 10 вакуумной камеры 9

34 .

Приемная система 13 основного интерферометра, схема 15 управления приводом и привод 16 образуют цепь автоподстройки длины основного интерферометра.

Выход вспомогательного интерферометра оптически связан с приемной системой 17 вспомогательного интерферометра, выход которой электрически связан с входом счетчика 18 интерференционных полос вспомогательного интерферометра.

Оптическая длина основного интерферометра складывается из оптических длин вакуумной и воздушной частей интерферометра и оптической толщины окна, разделяющего вакуумную-и воздушную части интерферометра Lon,--e,, Е - длина вакуумной части интерферометра;2 - длина воздушной части интерферометра;h - оптический показатель преломления воздуха; Ь - толщина окна; , - показатель преломления материала окна. еханическая длина основного инерометра (расстояние между зерми) при поступательном перемещении вдоль оси интерферометра остаетеизменной, да следует, что при поступательперемещении окна вдоль оси основинтерферометра на величину-€. длиоздушной и вакуумной частей измеся на одну и ту же величину, а но на величину перемещения окна t; -1. 14 t- t. t jt. - длины вакуумной части интер ферометра, соответственно в начале и в кон, це перемещения окна; длины воздушной части интерферометра, соответственно в начале и в конце перемещения окна. Оптическая длина основного интерферометра при перемещении окна изменяется на величину 41олт-№ -сО-(.ну1,,) (e;-e;)f(e;-e2)y..-e.(n-o. Величина 2(l,(t г r yЩnпредставляет собой изменение суммы оптических путей в воздухе и в вакууме. Таким образом, удвоенное изме нение оптической длины ( изменение оптической разности хода) основного интерферометра при перемещении окна :11, которое является границей между -воздушной и вакуумной частями интерферометра, равно изменению суммы оптических путей в воздухе и вакууме Способ реализуется следующим обра зом. Излучение от источника 1 монохроматического света делится светоделительным элементом 8 на два пучка, один из которых поступает в основной интерферометр, а другой - во вспомогательный, служащий для измерения ве личины перемещения окна 11. Приемная система 13 основного интерферометра в соответствии с оптическими сигнала ми, поступающими с выхода основного интерферометра, вырабатьгоает электрический сигнал, который через схему 15 управления приводом воздействует на привод 16. Привод 16, перемещая подвижную стенку камеры 10 с окном 11 и изменяя таким образом оптическу длину основного интерферометра, настраивает основной интерферометр на максимум интерференционной полосы (максимум пропускания). При этом привод 16 перемещает стенку 10 вакуумной камеры с окном 11 в одном направлении, при этом оптическая длина основного интерферометра монотонно изменяется. При изменении оптической длины на некоторую, заранее заданную величину, по сигналу с выхода счетчика 14 замыкается кольцо автоподстройки длины основного интерферометра и привод 16 снова настраивает основной интерферометр на максимум интерферен(ционной полосы. При этом 2L -N - i где (Kj, - целое число). Таким образом, удвоенное изменение оптической длины основного интерферометра составляет 2uLon 2Lom.-2LQi N,, N, где N, N - N - целое число. Следовательно, сумма оптических путей в воздухе и вакууме изменяется на величину, равную целому числу N, порядков интерференции ,-Так как с подвижной стенкой 10 вакуумной камеры связан трехгранный отражатель 5 вспомогательного интерерометра, то, учитывая, что вспомогательньй интерферометр имеет удвоенную чувствительность, при перемещении стенки 10 на величину 1 оптичесая разность хода во вспомогательном нтерферометре изменяется на величину

-N -N,-,

21

опт

где С - скорость света в вакууме; 9 - частота излучения источниI

N - порядок интерференции в основном интерферометре (целое число).После настройки интерферометра на максимум интерференционной полосы включают счетчик 14 числа интерференционных полос основного интерферометра и счетчик 18 числа интерференционных полос вспомогательного интерферометра, разрывают кольцо автоподстройки длины основного интерферометра.

4ne-N2 7

где Ng - изменение порядка интерференции во вспомогательном интерферометре.

Подставляя (2) в (1) получим формулу для определения показателя преломления воздуха

числа N-2 и N получают из показаний счетчиков 14 и 18 соответственно.

Б варианте устройства, реализующего предлагаемый способ с основным 71 интерферометром, выполненным по двух лучевой схеме (фиг.2), исключаются зеркала 2 и 3. Основной инте1 ферометр состоит из светоделительной призмы 19 и зеркала 20. Светоделительная .плоскость призмы расположена параллельно оптической оси источник 1, зеркало 20 расположено перпендику лярно оптической оси источника 1. Выход основного интерферометра оптически связан с приемной системой 13. Оптическая разность хода в основном интерферометре (разность оптических путей света в двух плечах интерферометра) равна . 2L. - 2L 2L(R-1). Здесь L - расстояние вдоль светового пучка в вакуумной камере между окнами 11 и 12. Так как оптическая длина одного из плеч основного интерферометра при перемещении окна 11 остается постоянной, то изменение суммы оптичес ких путей в воздухе и вакууме, соетавляющих второе плечо интерферометра, равно изменению оптической разности хода X в интерферометре лх.21Чп-0-2и п-0-2е у -0, где U и L - значения в начале и в конце перемещения окна соответственно; t - величина перемещения ок на. Следовательно, при изменении опти ческой разности хода в интерферометр на величину, равную целому числу порядков интерференции, сумма оптических путей в воздухе и вакууме также изменяется на величину, равную целом числу порядков интерференции. Вьфажение для среднеквадратическо относительной погрешности измерения показателя преломления воздуха с помощью предлагаемого способа можно по лучить из формулы (3) in . . l(uN,2 т- НтаЧ-мгЬ

погрешность определения числа И1;

погрешность определения числа N2 ;

.|.,о-.

- .. 2 2N,y

Применение источников, обладающих повышенной стабильностью (например 3 Пользуясь (О и учитывая. что Л , гдеЛ - длина волны света в вакууме, преобразуем (4) к виду, более удобному для численных оценок ГГ х1 ( Основными составляющими погрешности определения числа N (погрешность, с которой задается изменение суммарного оптического пути, в исследуемой среде и вакууме, вызванное перемещением границы), являются: 1. Погрешность наведения на максимум интерференционной полосы U.N(. Эта погрешность определяется формой интерференционной полосы, мощностью светового излучения, падающего на фотоприемник, квантовым выходом фотоприемника и временем усреднения. Известные теоретические и экспериментальные исследования дают для обычно применяемых в интерферометрах мощностей светового монохроматического излучения ( 0,1 мВт) и времени усреднения с значение Л, N t 10 двухлучевьгх интерферометров. Для многолучевого интерферометра это значение может быть в 30-50 раз меньшим 2. Погрешность, вызванная нестабильностью частоты излучения JN, 2Lh.|, где fотносительная нестабильность частоты излучения за время измерения (для обычно применяемых в интерферометрии ь .-9 V 19 . источников L- механическая длина основного интерферометра в случае применения многолучевой схемы или начальная разность длин двух плеч в случае применения двухлучевой схемы. При применении многолучевой схемы лина интерферометра L не может быть еньше величины перемещения границы оздух-вакуум -С, поэтому в этом слуаеОКГ с внутрирезонаторной поглощаюв;ей ячейкой) позволит снизить эту погреш ность до величины й N, « Ю ji При применении двухлучевой cxfekbi указанное ограничение отсутствует и ujN может быть сделано сколь угодно малым. 3. Погрешность, вызванная изменением оптической длины основного интерферометра из-за наклонов подвижкого окна на границе воздух-вакуум 2 n,,,-i /с-т- ЫЛ i,(, где h толщина окна; Пр - покааатель преломления материала окна; 06, углы мелсду напратзлением светового пучка и нормалью к по верхности окна в начале и в конце перемещения соответственно;ud-oij-oi,- изменение наклона окна при перемещении, . Существование этой погрешности накладывает ограничение на непрямолииейность перемещения границы возду вакуум. Например, задаваясь величиной погрешности & К 10 и пpиниI a 1,5,, И 3 мм и ft 0,5 мкм. получаем,что непрямолинейность переме щения не должна превышать 3 при точност установки угла меж,цу нормалью к поверх ности окна и направлением светового пучка 3 . Эти требования, хотя и достаточно высоки, однако выполнимы. Указанные ограничения существенны лишь ДЛЯ многолучевой схемы основного интерферометра. В двухлучевом варианте возможно применение практи чески полной компенсации влияния наклонов подвижного окна, тогда вели чина UT п становится пренебрежимо малой даже при величине непрямолинейности порядка, углового градуса. Основными составляющими погрешнос ти определения числа N.(погрещность оп{)еделения величины проекции переме щения границы воздух-вакуум на направление светового пучка) являются: погрешность отсчета дробной части по рядка интерференции U, Hj для которой легко достигается значение 10 (такую погрешность имеют, например, выпускаемые серийно лазерные интерферометры ИПЛЮМ и ИПЛЗОК) ; погреш-р ность, связанная со смещением вершины трехгранного отражателя 5 относительно оси светового пучка в интерферометре, проходящего через вакуумную камеру (так Р азываемая погрешность Аббе), величина которой определяется из формулы . , где d смещение вершины отралсателя относительно оси светового пучка; Ad-d2-i i изменение наклона подвижной стенки при перемещении. Как указывалось выше, значение величины Л с{, порядка нескольких угловых секунд (3-5 ) вполне достижимо. Точность установки отралсателя относительно оси светового пучка при визуальном контроле можно принять равной d С, 1 мм. При этих значениях ioi и погрешность Лббе имеет величину для об 0,5 мкм ujW (1-2) Примем величину перемещения границы возду: -вакуу7.1 -,-- 10 мм, значение показателя преломления атмосферного воздуха п (1-3)10, длину волны излучения источника мкм. Тогда, суммируя квадратич но все рассмотренные выше погрешности, из (5) получим 12-10для многолучевого варианта для двухлучевого 4П П варианта Таким образом, предлагаемый способ позволит производить измерения показателя преломления газов с точностью, по крайней мере на два порядка более высокой чем предельная точность, получаемая при реализации известных способов 1 и 2 . Кроме того, предлагаемый способ позволит полностью автоматизировать процесс измерения,

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ, включающий измерение изменения оптического пути в интерферометре при замене исследуемой среды вакуумом, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения точности и:змерений, замену исследуемой среды вакуумом производят перемещением границы между ними, при этом величину перемещения выбирают такой, чтобы изменение оптического пути составило величину, равную целому числу порядков интерференции, и определяют показатель преломления по величине перемещения границы и числу порядков интерференции.

i

1Ж|2

HTJ у lyy

16

15

Фмг.1