一种气体折射率的测量方法和装置与流程

本发明涉及光学测量领域，尤其是一种气体折射率的测量方法和装置。

背景技术：

折射率是表征物质光学特性的基本物理量，该参数是决定物质合成、制造和在各领域中应用的重要条件。

目前气体折射率的测量方法有光干涉法、表面等离子体共振法、光纤传感方法和临界角法。这些测量方法或者结果不够精确，或者操作流程复杂。

因此，需要一种测量结果精确且操作简单的气体折射率测量方法和装置。

技术实现要素：

本发明提供一种测量结果精确且操作简单的气体折射率测量方法和装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种气体折射率的测量方法，包括：将待测气体充入气体测量池；将光频率梳正入射进所述气体测量池后进入第一光电探测器；通过频谱仪测量第一光电探测器输出的电信号并采集频谱仪的测量结果；计算出待测气体的折射率，折射率公式为：

其中，c为光速，δf为所述电信号相邻两波峰或波谷之间的频率间隔，d为气体测量池中光经过待测气体的长度。

在其中一实施例中，所述光频率梳的形成方法包括：频率为f的窄线宽激光器输出连续光波；所述光波通过保偏光纤耦合器分成两路光信号；光路1的光经过第一相位调制器，该第一相位调制器上施加的调制信号的频率为fm，则该第一相位调制器输出光谱将出现以调制频率为fm整数倍的一系列边带；光路2的光经过第二相位调制器，该第二相位调制器上施加的调制信号的频率为fm+f0，则该第二相位调制器输出光谱将出现以调制频率fm+f0为整数倍的一系列边带；第二相位调制器输出的光再经过声光移频器，移频器上加载的调制信号的频率为faom，则经过移频器后，光路2光载波的频率为f+faom；光路1和光路2经过单模光纤耦合器后将产生拍频信号而形成光频率梳，光频率梳的频率间隔为f0。

在其中一实施例中，所述光频率梳经过单模光纤耦合器后分为两束光，一束光经过气体测量池后进入第一光电探测器中，另一束光直接进入第二光电探测器中作为参考信号。

本发明还提供一种气体折射率的测量装置，包括光频率梳产生模块、气体测量池、第一光电探测器、频谱仪、信号采集和处理模块，所述光频率梳产生模块产生的光频率梳，正入射进已充入待测气体的气体测量池后进入第一光电探测器，第一光电探测器产生电信号，频谱仪测量第一光电探测器输出的电信号并通过信号采集和处理模块采集频谱仪的测量结果，计算出待测气体的折射率，折射率公式为：

其中，c为光速，δf为所述电信号相邻两波峰或波谷之间的频率间隔，d为气体测量池中光经过待测气体的长度。

在其中一实施例中，所述光频率梳产生模块包括窄线宽激光器、保偏光纤耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、移频器、单模光纤耦合器，频率为f的窄线宽激光器输出连续光波；所述光波通过保偏光纤耦合器分成两路光信号；光路1的光经过第一相位调制器，该第一相位调制器上施加的调制信号的频率为fm，则该第一相位调制器输出光谱将出现以调制频率为fm整数倍的一系列边带；光路2的光经过第二相位调制器，该第二相位调制器上施加的调制信号的频率为fm+f0，则该第二相位调制器输出光谱将出现以调制频率fm+f0为整数倍的一系列边带；第二相位调制器输出的光再经过声光移频器，移频器上加载的调制信号的频率为faom，则经过移频器后，光路2光载波的频率为f+faom；光路1和光路2经过单模光纤耦合器后将产生拍频信号而形成光频率梳，光频率梳的频率间隔为f0，该光频率梳经过光电探测器后，可形成电频率梳信号。

在其中一实施例中，所述光路1中还串联有偏振态控制器，用以调节光路1的偏振态使光路1和光路2产生的干涉对比度最佳。

在其中一实施例中，所述测量装置还包括第二光电探测器，所述光频率梳经过单模光纤耦合器后分为两束光，一束光经过气体测量池后进入第一光电探测器中，另一束光直接进入第二光电探测器中作为参考信号，其作用是监测频率梳的频率间隔，用以调节系统的测量精度。

本发明的有益效果是：本发明利用光频率梳来实现气体折射率的测量，将折射率信息通过相位转化到微波信号上，采用成熟的微波仪器来实现待测气体折射率的测量，与光学测量手段相比具有测量灵敏度可调、系统稳定等特点。

附图说明

图1为本发明实施例图。

图2为本发明实施例图。

图中，101：窄线宽激光器；102：保偏光纤耦合器；103：第一相位调制器；104：偏振态控制器；105：第二相位调制器；106：声光移频器；107：单模光纤耦合器；108：气体测量池；109：第一光电探测器；201：第二光电探测器；202：射频开关；203：频谱仪；204：信号采集和处理模块；205：第一微波信号发生器；206：第二微波信号发生器；207：第三微波信号发生器。

具体实施方式

下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。

本发明实施例提出了一种利用光频率梳来实现气体折射率的测量，该方法将折射率信息通过相位转化到微波信号上，采用成熟的微波仪器来实现待测气体折射率的测量，与光学测量手段相比具有测量灵敏度可调、系统稳定等特点。

本实施例中，如图1所示，气体折射率的测量装置包括光频率梳产生模块、气体测量池108、第一光电探测器109、第二光电探测器201、射频开关202、频谱仪203、信号采集和处理模块204。光频率梳产生模块包括窄线宽激光器、保偏光纤耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、移频器、单模光纤耦合器。

频率为f的窄线宽激光器101输出的连续波通过保偏光纤耦合器102分成两路光信号。光路1的光经过第一相位调制器103，该相位调制器上施加的调制信号的频率为fm，则该相位调制器输出光谱将出现以调制频率为fm整数倍的一系列边带。同样的，光路2的光经过第二相位调制器105，该相位调制器上施加的调制信号的频率为fm+f0，则该相位调制器输出光谱将出现以调制频率fm+f0为整数倍的一系列边带。第二相位调制器105输出的光再经过声光移频器106，移频器上加载的调制信号的频率为faom，则经过移频器后，光路2光载波的频率为f+faom。光路1和光路2经过单模光纤耦合器107后将产生拍频信号而形成光频率梳，光频率梳的频率间隔为f0。如果该光频率梳经过高速光电探测器直接探测，在频谱仪上观察到的就是射频频率梳。光路1中的偏振态控制器104的作用是调节光路1的偏振态使光路1和光路2产生的干涉对比度最佳而提高两路信号拍频的效果。测量系统中第一相位调制器103和105的调制信号源分别为第一微波信号发生器205和第二微波信号发生器206，声光移频器的调制信号源为第三微波信号发生器207。射频梳的形成过程如图2所示。

产生的频率梳经过单模光纤耦合器107后分为两束光，一束光经过气体测量池108后进入第一光电探测器109中，另一束光直接进入第二光电探测器201中作为参考信号。两个光电探测器输出的电信号经过射频开关202后进入频谱仪203进行信号测量并通过信号采集和处理模块204进行信号采集和结果显示，该模块204通过对采集到的电信号进行分析并计算出待测气体的折射率。气体测量池108可以采用常见的比色皿，比色皿的两个通光内表面需要镀制反射膜，从而使该比色皿变成一个法布里-珀罗干涉仪。

本发明的测量原理和法布里-珀罗测量光谱类似。有许多频率成分的光频率梳经过一定厚度的比色皿，就相当于一个准单色光或白光经过一个标准具。光频率梳经过气体吸收池后的出射光强可表示为：

上式中i0为入射光强，f为菲涅尔系数，φ(f)为相邻两干涉光束之间的相位差，可表示为：

上式中d为气体测量池中光经过待测气体的长度，n为待测气体的折射率，c为光速，θ为光在待测气体中的折射角。如果光频率梳是正入射进气体测量池，用光电探测器接收气体测量池输出的光并转化为电信号，用频谱仪203观察该电信号，可以得到一余弦微波信号，该信号的相邻两波峰或波谷之间的频率间隔为δf：

则待测气体的折射率可表示为：

由上式可知，根据光速常量c，气体测量池中光经过待测气体的长度d和频谱仪得到的一个周期内的信号频率范围δf，就可以得到待测气体的折射率。如果气体测量池为比色皿，比色皿两内壁之间的通光长度为5mm，当气体测量池中为空气时，则通过光电探测器输出的微波信号相邻两波峰之间的频率间隔为30ghz。当d不变时，降低相位调制器的调制频率可以降低光频率梳的重复频率，使光频率梳中射频频率间隔更小，从而使频谱仪得到的一个周期内的有效数据点更多，可以提高测量结果的精度。如果d很大，就需要提高相位调制器的调制频率。同样，本发明也可以用来测量一个已知折射率的透明物体的厚度。

本发明中的第二光电探测器201是用来监控光频率梳的频率间隔，实时调节系统的测量准确度。

本发明提出的气体折射率测量系统的工作流程简单，系统上电后，将待测气体充入到气体测量池中，记录频谱仪输出信号一个周期内的频率间隔δf，根据式(4)就可以得到待测结果。