[发明专利]中高层大气折射率测量装置及测量方法

权利要求书

1.中高层大气折射率测量装置，其特征在于，包括：

激光器：为半外腔结构，包括增益管，增益管两端封接固定腔镜和增透窗片，所述增透窗片位于增益管出射光端；

偏振分光镜：设置在增透窗片的外侧，与出射光呈角度设置，增益管出射光经偏振分光镜反射成参考激光，透射成测量激光，参考激光和测量激光的偏振方向相互正交；

第一独立腔镜：设置在偏振分光镜反射端，与增益管构成参考谐振腔；

第二独立腔镜：设置在偏振分光镜透射端，与增益管构成测量谐振腔；

高真空管：设置在参考谐振腔中偏振分光镜和第一独立腔镜之间；

探测管腔：设置在测量谐振腔中偏振分光镜和第二独立腔镜之间，探测管腔的长度与高真空管的长度相等；探测管腔包括开口端，接入待测中高层大气；

偏振片：设置在固定腔镜的外侧；

频差探测器：设置在激光器经过偏振后的一侧，探测两偏振激光的频差；

频率计：与频差探测器连接，记录探测的频差值；

数据处理系统：与频率计连接，基于两正交偏振激光的频差计算中高层大气折射率；

分束镜：设置在偏振片与固定腔镜之间，与固定腔镜端通光方向成45°角，偏振片位于分束镜的透射光路；

渥拉斯顿棱镜：设置在分束镜的反射光路上，分束镜反射光经所述棱镜后按两个正交偏振态分成第一偏振光和第二偏振光；

第一光电探测器：设置在第一偏振光光路上，用于采集第一偏振光光强；

第二光电探测器：设置在第二偏振光光路上，用于采集第二偏振光光强；

数据处理系统：进一步与第一光电探测器和第二光电探测器连接，记录第一偏振光光强和第二偏振光光强并根据光强的差值生成驱动信号；

温控机构：所述增益管表面设置有加热丝，所述温控机构连接数据处理系统和加热丝，接收驱动信号控制加热丝工作，以补偿环境因素导致的增益管伸缩变形；

压电陶瓷致动器：与数据处理系统和第一独立腔镜连接，接收驱动信号控制压电陶瓷致动器，驱动第一独立腔镜。

2.如权利要求1所述的中高层大气折射率测量装置，其特征在于，所述频差探测器为PIN二极管或雪崩光电二极管。

3.如权利要求1所述的中高层大气折射率测量装置，其特征在于，所述数据处理系统被配置为，根据如下方法计算高层大气折射率：

基于参考谐振腔中的参考激光和测量谐振腔中的测量激光的频率差，计算中高层大气的折射率；

其中，n为中高层大气折射率，Δ₁为测量激光处于下降沿时与参考激光之间的频率差，Δ₂为测量激光处于上升沿时与参考激光之间的频率差，Δ为测量激光纵模间隔，λ为测量激光波长，l为探测管腔沿激光束方向的长度。

4.一种中高层大气折射率测量方法，采用权利要求1至3中任意一项所述的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将待测大气引入探测管腔；

S2：使测量激光处于下降沿时，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差，使测量激光处于上升沿时，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差；

S3：数据处理系统基于两次测得的参考光和探测光的频率差计算生成中高层大气折射率。

5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤S2中，进一步包括以下步骤：

根据第一光电探测器和第二光电探测器的光强值，调整温控机构和加热丝，使测量激光处于下降沿并与参考激光光强相等达到第一等光强点，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差；

改变温度继续调整温控机构和加热丝，使测量激光处于上升沿并与参考激光光强相等达到第二等光强点，由频差探测器和频率计检测参考激光和探测激光之间的频率差。

6.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，进一步包括：

步骤S1之前，首先将探测管腔抽成真空，记录参考激光和测量激光达到第一等光强点的频差Δ₁₀，达到第二等光强点时的频差Δ₂₀；

计算激光器各元件各向异性引入的初始等效折射率差Δn₀：

按步骤S3完成中高层大气折射率测量后，在测量结果中补偿初始等效折射率差。