一种基于光路折叠和抽真空方式测量气体折射率的装置制造方法及图纸

本申请涉及一种基于光路折叠和抽真空方式测量气体折射率的装置，它包括自主搭建的光路折叠式迈克尔逊干涉仪、特制气室、真空抽气模块和数据采集系统；所述光路折叠式迈克尔逊干涉仪包括光源、方形分束棱镜、五块平面反射镜和扩束镜；所述特制气室为两端设置有石英玻璃观察窗的铝制圆管；所述真空抽气模块包括真空软管、真空缓冲室、抽气泵和数字温度气压计；所述数据采集系统包括光屏，光强探测器和计算机。本发明专利技术使用五块平面反射镜实现光路折叠，极大增强待测效应和压缩了仪器装置所需空间；采用先抽真空，再充入气体的测量方式可以测各种气体的折射率，通过设置真空缓冲室，使得气室内气压的变化能够均匀缓慢，提高测量气体折射率的精确度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光路折叠和抽真空方式测量气体折射率的装置
本申请涉及气体折射率精密测量技术和教学仪器设备领域，具体涉及一种基于光路折叠和抽真空方式测量气体折射率的装置。
技术介绍
迈克尔逊干涉仪是在精密测量领域应用广泛，测量气体折射率是迈克尔逊干涉仪的重要应用之一，也是高校物理实验课程中重要的实验项目，但传统的迈克尔逊干涉仪测量气体折射率通常采用打气增压的方式，由于特制气室较小导致气压变化过程不够稳定，气体温度变化较大，且光路过短导致干涉条纹数目较少，测量效应不大，因此会产生较大的误差；这种方式也只能测量空气的折射率，其他性质的气体的折射率传统的迈克尔逊干涉无法进行测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种基于光路折叠和抽真空方式测量气体折射率的装置，在不增加特制气室长度的条件下，利用折叠法延长光路，提高测量气体折射率的精确度。本专利技术采取的技术方案是：一种基于光路折叠和抽真空方式测量气体折射率的装置，包括光路折叠式迈克尔逊干涉仪、特制气室、真空抽气模块和数据采集系统；所述光路折叠式迈克尔逊干涉仪包括光源、方形分束棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜和扩束镜；所述方形分束棱镜将所述光源的入射光束分为第一路透射光束和第二路反射光束，并将第一路透射光束垂直入射特制气室内，第二路反射光束导向第四平面反射镜；所述第一平面反射镜和第三平面反射镜设置在所述特制气室远离方形分束棱镜端，所述第二平面反射镜设置在所述特制气室靠近方形分束棱镜端；所述第一路透射光束经第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜作用，在特制气室内多次反射后按原光路返回方形分束棱镜；所述第二路反射光束经第四平面反射镜反射和第五平面反射镜作用，按原光路返回方形分束棱镜；所述特制气室包括铝制圆管和石英玻璃观察窗，所述铝制圆管两端设置有石英玻璃观察窗，所述特制气室与数字温度气压计连接；所述真空抽气模块包括真空软管、真空缓冲室和真空抽气泵；所述特制气室、真空缓冲室和真空抽气泵通过所述真空软管依次连接，所述真空缓冲室还通过所述真空软管与进气端连接；所述特制气室和真空缓冲室设置有抽气阀门，所述真空缓冲室和进气端之间设置有进气阀门；所述数据采集系统包括光屏，光强探测器和计算机；所述光屏设置在所述扩束镜后方，所述光屏中央设置有一个小孔，所述光屏背面后方正对小孔处设置有所述光强探测器，所述光强探测器与计算机数据连接，所述计算机内设置有NI数据采集卡和Labview数据采集程序。进一步地，所述铝制圆管的外径为60～70mm、厚度为5～10mm、长度为20～30cm；所述石英玻璃观察窗的厚度为5～10mm。进一步地，所述光源为氦氖激光器。进一步地，所述第四平面反射镜与所述第二路反射光束的入射夹角为45°，所述第五平面反射镜与第四平面反射镜所在平面夹角为45°。进一步地，所述真空缓冲室的容量约为8L。本专利技术采取的另一技术方案为：基于上述技术方案的一种基于光路折叠和抽真空方式测量气体折射率的装置，具体包括如下步骤：步骤101：调节光源、方形分束棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、特制气室和光屏几何中心等高；打开光源，调整第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜，使第一路透射光束在特制气室内经多次反射后沿原光路返回，形成光路折叠；调整第四平面反射镜与第二路反射光束的入射夹角为45°，第五平面反射镜与第四平面反射镜所在平面夹角为45°，使第二路反射光束经多次反射后沿原光路返回，形成光路折叠；第一路透射光束和第二路反射光束经过光路折叠后在方形分束棱镜的合束作用下发生干涉，经过扩束镜在光屏上形成明暗相间的干涉条纹；步骤102：使用真空抽气泵将特制气室和真空缓冲室内的空气抽尽；步骤103：小幅度打开进气阀门和进气泵，使气体缓慢平稳的充入真空缓冲室和特制气室；步骤104：观测记录数字温度气压计的压强和温度值以及对应的干涉条纹移动数，计算气体折射率。进一步地，步骤104中，所述干涉条纹移动数目通过目测光屏上的干涉条纹变化过程得到或通过光强探测器和计算机计算得到。本专利技术的有益效果在于：(1)利用多个平面反射镜实现测量光路折叠，在不加长特制气室长度的条件下有效增加了光程，不仅压缩了仪器设备所占空间，更使得在改变相同气压的条件下增强了探测信号，干涉条纹的变化数增加，提高了测量的精确度。(2)采取抽真空的方式，待特制气室抽成真空后，再缓慢向特制气室内充入待测气体，可以测量不同性质的气体在不同压强下的折射率。(3)增加大体积真空缓冲室，在向特制气室内充入气体时使气压的变化更加稳定且均匀，令数字温度气压计可准确读取实时气压，同时干涉条纹的变化更加平稳缓慢，进一步提高测量的精确度。(4)可以验证气体折射率n与气压P的线性关系。(5)既可直观在光屏上观测干涉条纹信号，同时也可同步使用计算机采集干涉条纹光强变化信号。(6)相比于传统迈克尔逊干涉仪，采用方形分束棱镜将入射光束分为两份光束，光路具有对称性，并采用激光作为干涉光源，具有较长的相干长度，因而可以不需要设置补偿板补偿光程。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本专利技术实施例的结构示意图。图2为本专利技术实施例的实物图。图3为本专利技术实施例中激光透射光束在特制气室内的光路示意图。图4为本专利技术实施测量空气折射率时第一组数据的压强P与干涉条纹移动数目N的关系函数图。附图标记解释：1.光源、2.方形分束棱镜、3.第一平面反射镜、4.第二平面反射镜、5.第三平面反射镜、6.第四平面反射镜、7.第五平面反射镜、8.特制气室、9.真空缓冲室、10.真空抽气泵、11.光屏、12.光强探测器、13.计算机、14.进气阀门、15.抽气阀门、16.扩束镜、17.数字温度气压计、18.进气泵、19.真空软管、801.铝制圆管、802.石英玻璃观察窗。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本专利技术并不限于下面公开的具体实施例的限制。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所述领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光路折叠和抽真空方式测量气体折射率的装置，其特征在于，包括光路折叠式迈克尔逊干涉仪、特制气室、真空抽气模块和数据采集系统；/n所述光路折叠式迈克尔逊干涉仪包括光源、方形分束棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜和扩束镜；所述方形分束棱镜将所述光源的入射光束分为第一路透射光束和第二路反射光束，并将第一路透射光束垂直入射特制气室内，第二路反射光束导向第四平面反射镜；所述第一平面反射镜和第三平面反射镜设置在所述特制气室远离方形分束棱镜端，所述第二平面反射镜设置在所述特制气室靠近方形分束棱镜端；所述第一路透射光束经第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜作用，在特制气室内多次透射后按原光路返回方形分束棱镜；所述第二路反射光束经第四平面反射镜反射和第五平面反射镜作用，按原光路返回方形分束棱镜；/n所述特制气室包括铝制圆管和石英玻璃观察窗，所述铝制圆管两端设置有石英玻璃观察窗，所述特制气室与数字温度气压计连接；/n所述真空抽气模块包括真空软管、真空缓冲室和真空抽气泵；所述特制气室、真空缓冲室和真空抽气泵通过所述真空软管依次连接，所述真空缓冲室还通过所述真空软管与进气泵连接；所述特制气室和真空缓冲室设置有抽气阀门，所述真空缓冲室和进气泵之间设置有进气阀门；/n所述数据采集系统包括光屏，光强探测器和计算机；所述光屏设置在所述扩束镜后方，所述光屏中央设置有一个小孔，所述光屏背面后方正对小孔处设置有所述光强探测器，所述光强探测器与计算机数据连接，所述计算机内设置有NI数据采集卡和Labview数据采集程序。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于光路折叠和抽真空方式测量气体折射率的装置，其特征在于，包括光路折叠式迈克尔逊干涉仪、特制气室、真空抽气模块和数据采集系统；
所述光路折叠式迈克尔逊干涉仪包括光源、方形分束棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜和扩束镜；所述方形分束棱镜将所述光源的入射光束分为第一路透射光束和第二路反射光束，并将第一路透射光束垂直入射特制气室内，第二路反射光束导向第四平面反射镜；所述第一平面反射镜和第三平面反射镜设置在所述特制气室远离方形分束棱镜端，所述第二平面反射镜设置在所述特制气室靠近方形分束棱镜端；所述第一路透射光束经第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜作用，在特制气室内多次透射后按原光路返回方形分束棱镜；所述第二路反射光束经第四平面反射镜反射和第五平面反射镜作用，按原光路返回方形分束棱镜；
所述特制气室包括铝制圆管和石英玻璃观察窗，所述铝制圆管两端设置有石英玻璃观察窗，所述特制气室与数字温度气压计连接；
所述真空抽气模块包括真空软管、真空缓冲室和真空抽气泵；所述特制气室、真空缓冲室和真空抽气泵通过所述真空软管依次连接，所述真空缓冲室还通过所述真空软管与进气泵连接；所述特制气室和真空缓冲室设置有抽气阀门，所述真空缓冲室和进气泵之间设置有进气阀门；
所述数据采集系统包括光屏，光强探测器和计算机；所述光屏设置在所述扩束镜后方，所述光屏中央设置有一个小孔，所述光屏背面后方正对小孔处设置有所述光强探测器，所述光强探测器与计算机数据连接，所述计算机内设置有NI数据采集卡和Labview数据采集程序。


2.根据权利要求1所述的一种基于光路折叠和抽真空方式测量气体折射率的装置，其特征在于，所述铝制圆管的外径为60~70mm、厚度为5~10mm、长度为20~30cm；所述石英玻璃观察窗的厚度为5~10mm。


3.根据权利要求1所述的一种基于光路...

【专利技术属性】
技术研发人员：官盛果，孙静，乐建新，程晏蓓，徐小凤，黄晓霞，董元皓，
申请(专利权)人：江西师范大学，
类型：发明
国别省市：江西;36