專利名稱：相干激光氣體壓力變化高精度監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及利用激光精確測出封閉體系氣體壓力變化的裝置。根據(jù)光的相干疊加原理，通過測量兩束激光的相干強(qiáng)度在空間上某一點(diǎn)變化的方法，根據(jù)氣體壓強(qiáng)與折射率的關(guān)系，讀取體系的壓力變化值，氣體壓力變化測量精度可達(dá)千分之一帕斯卡。
為了測定氣體的壓強(qiáng)變化，以往人們采用的是壓強(qiáng)計(jì)、壓力傳感器等儀器設(shè)備。壓強(qiáng)計(jì)是一種最簡單，但精度最低的儀器，適用于精度不高壓力測量。壓力傳感器較壓強(qiáng)計(jì)精度高，但使用傳感器測量壓力變化的方法要達(dá)到1個帕斯卡的精度已經(jīng)非常困難。另外，有些測量氣壓的方法可以達(dá)到非常高的壓強(qiáng)分辨，比如對超高真空的測量，但它的測量范圍是極為有限的。
本實(shí)用新型的目的是提供一種測量范圍大，適用于任何壓強(qiáng)下的氣壓變化，測量精度高，可以達(dá)到毫帕斯卡量級的相干激光氣體壓力監(jiān)測儀。
本實(shí)用新型利用不同的壓強(qiáng)下氣體對在其中穿過的光束的折射率不同的原理，由一束穿過高壓氣體光學(xué)腔的激光束和另外一束沒有穿過高壓氣體光學(xué)腔的激光束形成干涉的方法監(jiān)測氣體壓強(qiáng)的變化。當(dāng)高壓氣體光學(xué)腔內(nèi)的氣體壓力發(fā)生變化時，小角度相交的兩束激光在空間上某一點(diǎn)的相干強(qiáng)度就會隨之而變。如果穿過高壓氣體光學(xué)腔的激光束的光程變化為一個波長(一般為幾百納米)，空間上某一點(diǎn)的相干強(qiáng)度就會經(jīng)歷亮-暗-亮這樣一個過程，因此我們可以看到，用激光相干的方法測量氣體壓力的變化是具有非常高的分辯率的。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案
利用不同的氣體在不同的氣壓和溫度下對光的折射率不同的原理，通過延遲激光光束和非延遲激光光束間的干涉效應(yīng)，測量空間上某一點(diǎn)的相干強(qiáng)度變化，得到光學(xué)氣體腔以及與之相連的氣體容器中的氣壓變化。在兩束激光的夾角很小的情況下，相干條紋可以達(dá)到很寬的程度，相鄰的兩個相干條紋代表了兩束光的光程差為一個波長的距離，比如我們使用He-Ne激光作為相干光源，則這樣的光程差為632.8納米；如果我們將兩條紋間的強(qiáng)度分為1000個測試級別，則壓強(qiáng)分辯可達(dá)0.02帕斯卡。如果我們采用266納米的激光(YGA四倍頻諧波)對氣體壓強(qiáng)的監(jiān)測精度可達(dá)百分之一帕斯卡；另外，如果我們在光學(xué)氣體腔的兩端窗口上加上反射層，并且使得光學(xué)氣體腔的有效長度為60厘米，使入射的激光在光學(xué)氣體腔中經(jīng)過N次反射后射出，那么激光在光學(xué)氣體腔中所經(jīng)過的光程就為(N+1)倍的光學(xué)氣體腔長度，因此，可以將氣體壓力變化的測量精度提高(N+1)倍。比如，我們同樣用He-Ne激光作相干光源，并且使其在光學(xué)氣體腔中反射20次，則氣體壓力變化的測量精度可達(dá)1個毫帕斯卡。當(dāng)然，對于不同的充入氣體、不同的光波波長以及不同的溫度，高壓氣體的折射率變化不同，具體的氣體壓強(qiáng)變化測量精度要由這些參數(shù)而定。
以上所描述的系統(tǒng)，其氣體壓強(qiáng)變化精度測量取決于充入的氣體、激光波長以及氣體的溫度，做到毫帕斯卡氣體壓強(qiáng)變化的準(zhǔn)確監(jiān)測是本實(shí)用新型的特色。本實(shí)用新型原則上適用于任何壓強(qiáng)下的氣體壓力變化監(jiān)測，特別是對壓強(qiáng)比較大的情況更能顯出其特色來。另外，上述的氣體壓強(qiáng)變化測量精度取決于光學(xué)氣體腔的長度、激光束在光學(xué)氣體腔中的往返次數(shù)、激光器的輸出穩(wěn)定性、測量狹縫的寬度、激光探測器的測量精度、溫度恒定精度等眾多因素。在光學(xué)高壓氣體腔的長度為60厘米，充入氣體(氮?dú)?的壓力為10個大氣壓。相干激光波長為632.8納米，激光在光學(xué)氣體腔內(nèi)往返50次，測量相干強(qiáng)度的狹縫為200微米，溫度控制精度為0.01攝氏度時，本實(shí)用新型可以分辯的最小氣體壓強(qiáng)變化為1個毫帕斯卡。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1-輸出強(qiáng)度高度穩(wěn)定的激光器；2-恒溫箱的入射窗口；3-激光分束器；4-光學(xué)氣體腔5-光學(xué)氣體腔的入射窗口；6-光學(xué)氣體腔的出射窗口；7-激光分束器；8-激光輸出強(qiáng)度探測器；9-光學(xué)氣體腔與其它高壓氣室(需要監(jiān)測氣壓變化)的連接管道；10-光學(xué)放大透鏡；11-可調(diào)節(jié)寬度的狹縫；12-激光干涉強(qiáng)度探測器；13-信號放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；14-計(jì)算機(jī)及接口電路；15-激光輸出強(qiáng)度探測器8與計(jì)算機(jī)接口14聯(lián)線；16-溫度調(diào)節(jié)器；19-光學(xué)全反鏡；18-光學(xué)分束器；17-溫度傳感器。
圖2是本實(shí)用新型的核心部件具有內(nèi)部光反射功能的光學(xué)氣體腔4的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中20-法蘭蓋；22-入射窗口5內(nèi)表面鍍的高反射膜；23-入射激光；24-入射窗口5的密封膠圈；26-在入射窗口5內(nèi)表面鍍的高反射膜22上開的激光入射孔28-激光出射窗口的密封膠圈；29-出射窗口6內(nèi)表面鍍的高反射膜；31-法蘭蓋；32-在出射窗口6內(nèi)表面鍍的高反射膜29上開的激光出射孔；33-出射激光。
本實(shí)用新型的恒溫箱內(nèi)有一分束器3，分束器3在激光器1和光學(xué)氣體腔4之間。通過連接管道9，光學(xué)氣體腔4同被測系統(tǒng)聯(lián)接。在分束器3和激光輸出強(qiáng)度探測器8之間有一分束器7。在光學(xué)氣體腔4和激光干涉強(qiáng)度探測器12之間，有一狹縫11。溫度調(diào)節(jié)器16和溫度傳感器17，固定在恒溫箱適當(dāng)位置。
本實(shí)用新型的光學(xué)氣體腔4的入射窗口5內(nèi)表面鍍有高反射膜22，在高反射膜22上開一個激光入射孔26，出射窗口6的內(nèi)表面鍍有高反射膜29，在高反射膜29上開一個激光出射孔32。入射窗口5用法蘭蓋20同光學(xué)氣體腔4的主體固定，用密封膠圈24密封。出射窗口6用法蘭蓋31同光學(xué)氣體腔4的主體固定，用密封膠圈28密封。
為了提高測量精度，本實(shí)用新型使干涉條紋間的空間距離比較大，可在狹縫11的前方放置一個光學(xué)放大透鏡10。
本實(shí)用新型可以在光學(xué)氣體腔4和光學(xué)放大透鏡10之間放入一個分束器18，同時在分束器18相對應(yīng)的位置放置一個反射鏡19，使得從分束器7反射的激光，經(jīng)反射鏡19反射，在分束器18反射后，與從出射窗口6出射的激光共線。
本實(shí)用新型的具體工作原理和過程如下由激光器1發(fā)出的相干激光束經(jīng)由恒溫箱的激光入射窗口2由分束器3進(jìn)行分光，在本實(shí)施例中我們選用He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器作為相干光源，并可以考慮加入倍頻器件而利用其諧波。分出的激光束照射在分束器7上再一次進(jìn)行分束。透過分束器7的激光照在激光強(qiáng)度探測器8上。本實(shí)施例的激光強(qiáng)度探測器選用光電倍增管或光電二極管或光電池。由分束器7反射的激光束通過光學(xué)放大透鏡10照射在狹縫11上(圖中實(shí)線)或經(jīng)由反射鏡19和分束器18形成與另外一束激光共線，從而形成兩束激光間的干涉。穿過分束器3的激光束通過光學(xué)氣體腔4入射窗口5上的小孔26進(jìn)入光學(xué)氣體腔4內(nèi)，并在入射窗口5的內(nèi)表面高反膜22和出射窗口6的內(nèi)表面高反膜29之間形成多次反射。
本實(shí)施例設(shè)計(jì)的激光往返次數(shù)為45次，最后，經(jīng)過多次反射的激光束通過出射小孔32射出，并經(jīng)過光學(xué)放大透鏡10照射在狹縫11上。為了提高測量的精度，使干涉條紋間的空間距離比較大，可在狹縫11的前方放置一個光學(xué)放大透鏡10，使放大后干涉條紋成象在狹縫11上。光學(xué)放大透鏡10的作用在于將兩束激光所形成的干涉圖象放大后照射在狹縫11上，以增加測量的分辯率。出射的激光與另外一束激光或者形成小角度干涉(圖1中實(shí)線)或者形成共線干涉圖1中虛線。透過狹縫11的激光干涉強(qiáng)度由探測器12測得，信號由13進(jìn)行放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)及接口14處理，并得出氣體壓強(qiáng)的變化量。狹縫11寬度的選擇視相干光束間的夾角以及測量精度的要求和接收器12的靈敏度而定。本實(shí)施例的激光輸出強(qiáng)度探測器8采用光電倍增管或二極管接收器件，所得激光強(qiáng)度的信號作為激光干涉強(qiáng)度探測器12所測信號的參比量，以消除由于激光器1輸出不穩(wěn)所帶來的誤差。另外，為了保證干涉條紋具有高的清晰度，適當(dāng)選擇分束器3、7、8的反射率和透過率使得形成相干的兩束激光的強(qiáng)度相同。透過狹縫11的相干強(qiáng)度信號由激光輸出強(qiáng)度探測器12接收。計(jì)算機(jī)及接口14通過聯(lián)線采集到探測器8的激光強(qiáng)度信號，用它對由激光強(qiáng)度變化而引起的相干信號變化進(jìn)行處理以提高測量的信噪比。要使本實(shí)用新型的測量精度達(dá)到毫帕斯卡量級，溫度恒定、沒有空氣流動、沒有振動是三個關(guān)鍵因素。為此，本實(shí)用新型設(shè)了具有溫度調(diào)節(jié)器16的恒溫箱，在本實(shí)用新型工作時要將恒溫箱蓋好并保持恒溫；同時為了確保光學(xué)氣體腔內(nèi)的空氣溫度恒定在±2％攝氏度的范圍；恒溫箱內(nèi)裝有高靈敏度的溫度傳感器17，通過它的信號反饋由計(jì)算機(jī)14來控制溫度調(diào)節(jié)器16。溫度調(diào)節(jié)器和溫度傳感器分別通過聯(lián)線與計(jì)算機(jī)及接口14相連。通過計(jì)算機(jī)采集信號，處理氣體壓強(qiáng)的變化量，并通過計(jì)算機(jī)對恒溫箱的溫度進(jìn)行實(shí)時控制。
本實(shí)用新型測量精度高，可以達(dá)到一個毫帕斯卡，適應(yīng)任何壓強(qiáng)下的變化量。
權(quán)利要求1.一種相干激光氣體壓力變化高精度監(jiān)測儀，主要包括激光器(1)，恒溫箱，激光分束器(3)，激光分束器(7)，光學(xué)氣體腔(4)，激光輸出強(qiáng)度探測器(8)，激光干涉強(qiáng)度探測器(12)，信號放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(13)，計(jì)算機(jī)及接口電路(14)，聯(lián)線(15)，連接管道(9)等，其特征是分束器(3)在激光器(1)和光學(xué)氣體腔(4)之間，分束器(3)和激光輸出強(qiáng)度探測器(8)之間有分束器(7)；光學(xué)氣體腔(4)與激光干涉強(qiáng)度探測器12之間有狹縫(11)，光學(xué)氣體腔(4)通過連接管道(9)同被測系統(tǒng)聯(lián)接，光學(xué)氣體腔(4)的兩端安裝有入射窗口(5)和出射窗口6；激光輸出強(qiáng)度探測器(8)同計(jì)算機(jī)及接口電路(14)，用聯(lián)線(15)連接；信號放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(13)同激光干涉強(qiáng)度探測器(12)連接，同時也與計(jì)算機(jī)及接口電路(14)相連；激光器(1)發(fā)出的激光經(jīng)過激光入射窗口(2)，由分束器(3)分束，分出的一束激光在分束器(7)上再次分束，分出的激光進(jìn)入狹縫(11)，透過的激光由激光輸出強(qiáng)度探測器(8)接收，透過分束器(3)的激光經(jīng)過入射窗口(5)進(jìn)入光學(xué)氣體腔(4)，而后從出射窗口(6)射出后，至狹縫(11)，在狹縫(11)處，同分束器(7)反射的激光干涉，由激光干涉強(qiáng)度探測器(12)接收。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干激光氣體壓力變化高精度監(jiān)測儀，其特征是在光學(xué)氣體腔(4)同狹縫(11)之間，放置一光學(xué)放大透鏡(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相干激光氣體壓力變化高精度監(jiān)測儀，其特征是在光學(xué)氣體腔(4)同光學(xué)放大透鏡(10)之間放置分束器(18)，同時在分束器(18)的相應(yīng)位置放置反射鏡(19)，使從分束器(7)反射的激光，經(jīng)反射鏡(19)反射，在分束器(18)反射后，與從出射窗口(6)出射的激光共線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的相干激光氣體壓力變化高精度監(jiān)測儀，其特征是在恒溫箱內(nèi)安裝有溫度調(diào)節(jié)器(16)和溫度傳感器(17)，并且同計(jì)算機(jī)及接口電路(14)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干激光氣體壓力變化高精度監(jiān)測儀，其特征是光學(xué)氣體腔(4)的入射窗口內(nèi)表面鍍有高反射膜(22)，并開有激光入射孔(26)，出射窗口(6)內(nèi)表面鍍有高反射膜(29)，并開有激光出射孔(32)；入射窗口(5)用法蘭蓋(20)同光學(xué)氣體腔(4)的主體固定，用密封膠圈(24)密封，出射窗口(6)用法蘭蓋(31)同光學(xué)氣體腔(4)的主體固定，用密封膠圈(28)密封。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種利用激光相干疊加原理,通過測量兩束激光相干強(qiáng)度在空間某一點(diǎn)變化的方法,根據(jù)氣體壓強(qiáng)與折射率的關(guān)系,監(jiān)測光學(xué)氣體腔壓力變化的儀器。本實(shí)用新型的恒溫箱內(nèi)有分束器,此分束器在激光器和光學(xué)氣體腔之間。通過連接管道、光學(xué)氣體腔同被測系統(tǒng)聯(lián)接。在分束器和激光輸出強(qiáng)度探測器之間有另一分束器。在光學(xué)氣體腔和激光干涉強(qiáng)度探測器之間,安裝有狹縫。本實(shí)用新型適用于任何壓強(qiáng)下的氣壓變化,測量范圍大,測量精度高,可達(dá)毫帕斯卡數(shù)量級。
文檔編號G01L23/06GK2420635SQ0023462
公開日2001年2月21日 申請日期2000年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月11日
發(fā)明者秦偉平, 呂少哲, 黃世華, 王海宇, 陳寶玖 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所