CN102680409A - 一种布儒斯特角的测量装置及方法 - Google Patents

一种布儒斯特角的测量装置及方法 Download PDF

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一种布儒斯特角的测量装置及方法，所述装置包括光源、分光计和起偏元件，所述分光计包括平行光管、望远镜和载物台，待测介质放置在所述载物台上，所述光源发出的入射光从所述平行光管射向待测介质，并从待测介质上反射出射光进入所述望远镜；所述平行光管的前部设有透光轴与入射面相垂直的第一起偏元件和透光轴与入射面相平行的第二起偏元件。所述方法利用该装置进行测量。本发明是通过分光计来测量布儒斯特角，通过在分光计的平行光管前设置两个透光轴相垂直的起偏元件，利用其生成的两条对比亮度较大的光线，可以在望远镜中较容易观测，从而能准确地测出了入射到待测介质上光线的布儒斯特角大小。

Description

一种布儒斯特角的测量装置及方法
技术领域
本发明属于布儒斯特角的测量领域，特别是涉及一种布儒斯特角的测量装置及方法。
背景技术
1812年苏格兰物理学家布儒斯特(D.Brewster，1781-1868)在研究反射光的偏振程度时发现，反射光的偏振程度取决于入射角，当入射角ib与折射角r0之和等于90°，如图1所示，即反射光与折射光互相垂直时，反射光成为光振动方向与入射面垂直的线偏振光。
目前，测量布儒斯特角是根据反射光达到线偏振态时进行判定的，如图2所示，在反射光线一侧设置一个偏振片进行检偏，以偏振片(其透光轴与入射面平行)达到最暗为标准，通过人眼观察经过偏振片的光线最黑暗时的角度，确定此时达到的入射角大小为布儒斯特角。
可是，人眼对于“最暗”这一临界点很难判断，存在着较大的不确定性。由于这个原因，不同的人在测量过程中可能存在较大的偏差。因此若使用传统方法，通过人眼对布儒斯特角的测定在实际应用中还是存在较大困难的，还无法做到真正意义上的定量分析。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：现有的仪器通过人眼对布儒斯特角的测定存在较大误差，无法做到真正意义上的定量分析。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种布儒斯特角的测量装置。
其中，所述装置包括光源、分光计和起偏元件，所述分光计包括平行光管、望远镜和载物台，待测介质放置在所述载物台上，所述光源发出的入射光从所述平行光管射向待测介质，并从待测介质上反射出射光进入所述望远镜；所述平行光管的前部设有透光轴与入射面相垂直的第一起偏元件和透光轴与入射面相平行的第二起偏元件。
本发明还提供了一种布儒斯特角的测量方法，所述方法包括如下步骤：
(1)安装测量仪器
将待测介质放置在分光计的载物台上，在平行光管前部的第一侧设有透光轴与入射面相垂直的第一起偏元件，在其第二侧设有透光轴与入射面相平行的第二起偏元件，光源发出的入射光从平行光管射向待测介质，并从待测介质上反射出射光进入望远镜；
(2)记录分光计读数
在望远镜的前部设有透光轴平行于入射面的第三起偏元件，以望远镜上测得的第一侧图像为标准，转动望远镜，当第二侧图像的明暗程度与第一侧图像接近时，记录此时分光计左右侧游标读数
Figure BDA00001705631300021
和
(3)移去待测介质，再次记录分光计读数
再次转动望远镜，使得望远镜对准平行光管，记录分光计左右侧游标读数θ1平和θ2平；
(4)计算被测介质的布儒斯特角
布儒斯特角的大小
优选地，所述步骤(2)还包括两次测量步骤，第一次测量是沿一方向转动望远镜，以望远镜第一侧图像为标准，当第二侧图像的明暗程度与第一侧图像接近时，记录此时分光计左右侧游标读数θ1小和θ2小；第二次测量是沿相反方向转动望远镜，以望远镜第一侧图像为标准，当第二侧图像的明暗程度与第一侧图像接近时，记录此时分光计左右侧游标读数θ1大和θ2大，此时
Figure BDA00001705631300031
Figure BDA00001705631300032
(三)有益效果
上述技术方案具有如下优点：本发明的测量布儒斯特角是通过分光计来测量的，通过在分光计的平行光管前设置两个透光轴相垂直的起偏元件，利用其生成的两条对比亮度较大的光线，可以在望远镜中较容易观测，从而能准确地测出了入射到待测介质上光线的布儒斯特角大小。该测量方法是通过在视野第一侧产生出一个标准，对视野中狭缝第二侧是否达到预定值判定有了唯一标准。以此对入射角的大小做进一步的微调，即可得到准确测定的布儒斯特角值，并以此求出介质的折射率。本发明的测量方法和装置立足于马吕斯定律和布儒斯特定律，测量方法和装置的制作简单巧妙。另外，通过对入射光线布儒斯特角的测量，我们可以进一步利用布儒斯特定律，对物体的折射率进行测量，并可将测得的折射率做进一步的应用。
附图说明
图1是布儒斯特现象的原理图；
图2是现有的一种测量布儒斯特角装置的结构示意图；
图3是本发明一种实施例测量装置的结构示意；
图4是图3的局部结构示意图；
图5是本发明一种实施例测量方法的流程图。
其中，1：待测介质；2：第三起偏元件；3：望远镜；4：第二起偏元件；5：光源；6：第一起偏元件；7：平行光管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图3-4所示，是本发明一种实施例测量装置的结构示意图，该装置包括光源5、分光计和两个起偏元件，所述分光计包括平行光管7、望远镜3和载物台(图中未示出)，待测介质1放置在所述载物台上，所述光源5发出的入射光从所述平行光管7射向待测介质1，并从待测介质1上反射出射光，所述出射光射入所述望远镜3中，用于观察入射光的成像。所述平行光管7的前部还设有透光轴与入射面相垂直的第一起偏元件6和透光轴与入射面相平行的第二起偏元件4。本发明的测量装置是由分光计来测量布儒斯特角，通过在分光计的平行光管前设置两个透光轴相垂直的起偏元件，利用其生成的两条对比亮度较大的光线，可以在望远镜中较容易观测，从而能准确地测出了入射到待测介质上光线的布儒斯特角大小，并以此求出被测介质的折射率，还可进一步拓展到介质其他相关性质(如：介电常数等)的测量。
再次参阅图4，本发明的第一起偏元件6和第二起偏元件4并排设置在平行光管7的狭缝处，狭缝宽度为1-2mm。该实施例的平行光管7的狭缝左侧是透光轴方向垂直于入射面的第一起偏元件6，狭缝右侧是透光轴方向平行于入射面的第二起偏元件4。入射面是指入射光线与入射点处法线所形成的平面，该实施例中指的是入射光线与其射到待测介质入射点处法线所形成的平面。该实施例的第一起偏元件6和第二起偏元件4长度为平行光管7的狭缝长度一半，宽度比狭缝宽度宽2-3mm的全等的长方形。该实施例是将这两个起偏元件紧靠在一起，贴于平行光管7的狭缝上，从而在望远镜3中形成明暗对比的两条光线。当光源5发射出来的光线经过平行光管7的狭缝后，将形成光矢量方向互相垂直的两部分光线。当入射角达到布儒斯特角时，其反射光线将成为光矢量方向垂直于入射面的线偏振光。因此，经过平行光管7的狭缝左侧入射的光线，在以布儒斯特角入射到被测介质1后，它的反射光线依然存在，而经过平行光管7的狭缝右侧入射的光线，在以布儒斯特角入射到物体后，它的反射光线将会消失。该装置通过观测望远镜中左右侧的两个图像就可以判断出入射角是否是布儒斯特角，相比较于现有技术而言，可以更加直观、准确的测量布儒斯特角。
本发明的望远镜3中图像的明暗程度可以利用眼睛进行目测，也可以利用检测仪进行测量，通过在望远镜3的目镜上连接检测仪，从而可以测量出目镜左右两侧图像的亮度。该实施例采用眼睛进行观测，在望远镜3的目镜视野中，将会观察到明显的左明右暗的对比效果。当改变入射角大小使其为非布儒斯特角时，望远镜中的明暗对比效果将越来越不明显，可以初步地确定出光线入射时的布儒斯特角大小。
为了使得测量的准确性进一步地提高，进一步解决人眼对二分视野中明暗对比效果的判断存在着的个体差异问题，优选地，在望远镜3的前部设有透光轴与入射面相平行的第三起偏元件2。第三起偏元件2的透光轴方向与第一起偏元件6的透光轴方向互相垂直，由马吕斯定律可知，经第一起偏元件6起偏的光线再经过第三起偏元件2作用后，它的透射光强度将为0，即在望远镜3的目镜视野中我们将看到目镜狭缝左侧已变得完全黑暗。此时如果调节光线的入射角大小，当入射角达到布儒斯特角时，狭缝右侧的光线由于光矢量方向平行与入射面，由布儒斯特定律知，该光线经物体反射后将会消失。所以我们将在望远镜视野中会看到狭缝的图像消失，即视野完全黑暗的效果。本发明的装置通过第三起偏元件2的使用，就在视野左侧产生出一个最暗的标准，对视野中狭缝右侧是否达到完全黑暗的判定有了唯一标准。以此对入射角的大小做进一步的微调，即可得到准确测定的布儒斯特角值。
本发明的光源5可以为各种适合的光源，优选地，所述光源为单色光源，该实施例采用钠光源。本发明的起偏元件可以为各种适合的起偏部件，优选地为偏振片和起偏镜，从而将自然光变成偏振光。
如图5所示，为本发明一种实施例测量方法的流程图，所述方法包括如下步骤：
(1)安装测量仪器
本发明的测量方法是利用分光计进行测量的，将待测介质放置在分光计的载物台上，在平行光管的前部的第一侧设有透光轴与入射面相垂直的第一起偏元件，在其第二侧设有透光轴与入射面相平行的第二起偏元件，光源发出的入射光从平行光管射向待测介质，并从待测介质上反射出射光射入望远镜。根据分光计使用原理调节仪器，使得平行光管、载物台、望远镜均处于水平位置，满足测量的要求。安装测量仪器之后，打开光源，调节好第一起偏元件和第二起偏元件，并且光源照射均匀。将待测介质固定于载物台上，保证平稳不摇动。
(2)记录分光计数值
在望远镜的前部设有透光轴平行于入射面的第三起偏元件，以望远镜上测得的第一侧图像为标准，转动望远镜，当第二侧图像的明暗程度与左侧图像接近时，记录此时分光计左右侧游标读数和
Figure BDA00001705631300062
该实施例是以第一侧图像的黑暗程度为标准，当第二侧的图像也与第一侧同样黑暗时，差值在2-20％范围内认为两者接近，记录游标读数。
(3)移去待测介质，再次记录分光计读数
再次转动望远镜，使得望远镜对准平行光管，记录分光计左右侧游标读数θ1平和θ2平；
(4)计算被测介质的布儒斯特角
根据以下公式计算布儒斯特角的值，布儒斯特角的大小
Figure BDA00001705631300063
为了能初步确定布儒斯特角的位置，优选地，所述步骤(2)之前还包括粗测布儒斯特角的步骤，以望远镜上观察的第一侧与第二侧图像的明暗为标准，转动望远镜，当望远镜上第一侧和第二侧图像的明暗程度区分最大，可以初步确定该入射角为布儒斯特角。进一步地，当改变入射角大小时，望远镜目镜视野中的明暗对比效果将越来越不明显，可以进一步确定出上述明暗对比最明显时的光线入射角为布儒斯特角。
为了使得测量的准确性进一步地提高，进一步解决人眼对二分视野中明暗对比效果的判断存在着的个体差异以及测量时存在的心理因素问题，所述步骤(2)还包括两次测量步骤，第一次测量是沿一方向转动望远镜，以望远镜第一侧图像明暗程度为标准，当第二侧图像的明暗程度与第一侧图像接近时，记录此时分光计左右侧游标读数θ1小和θ2小；第二次测量是沿相反方向转动望远镜，以望远镜第一侧图像明暗程度为标准，当第二侧图像的明暗程度与第一侧图像接近时，记录此时分光计左右侧游标读数θ1大和θ2大；此时
Figure BDA00001705631300071
Figure BDA00001705631300072
然后根据以下公式计算布儒斯特角的值，布儒斯特角的大小
Figure BDA00001705631300073
该实施例是先初步确定布儒斯特角的位置，然后分别从小于布儒斯特角一侧和大于布儒斯特角一侧开始进行双向逼近测量：
从小于布儒斯特角一侧开始利用该方法判断布儒斯特角的位置，达到时固定望远镜镜筒和载物台，记下此时两个游标的读数θ1小(从小角度逼近测量时左侧游标读数)和θ2小(从小角度逼近测量时右侧游标读数)的大小。
从大于布儒斯特角一侧开始利用该方法判断布儒斯特角的位置，达到时固定望远镜镜筒和载物台，记下此时两个游标的读数θ1大(从大角度逼近测量时左侧游标读数)和θ2大从大角度逼近测量时右侧游标读数)的大小。
移去待测物体，转动望远镜对准平行光管，同样使望远镜竖直准线平分狭缝，记下两个游标的读数θ1平(望远镜对准平行光管时左侧游标读数)和θ2平(望远镜对准平行光管时右侧游标读数)的大小。则达到布儒斯特角的反射光线所在位置游标的平均读数为：
Figure BDA00001705631300082
则布儒斯特角的大小ib为：
Figure BDA00001705631300083
待测物体的折射率：n＝tanib
测量后可采用传统的方法进行验证，例如可以采用最小偏向角法测棱镜折射率的方法，来验证所测折射率是否正确。
以下为本发明的测量方法进行试验时的两个实施例：
实施例一：
按照上述步骤安装好测量装置，将三棱镜放置在载物台上，根据上述方法测得的数据如下：
表1双向逼近测量的分光计数据
Figure BDA00001705631300084
表2达到布儒斯特角的反射光线所在位置游标的读数
Figure BDA00001705631300085
表3望远镜对准平行光管位置处读数
  左侧游标读数θ1平   右侧游标读数θ2平
  231°30′   51°30′
根据上述数据计算的布儒斯特角的大小ib为：
Figure BDA00001705631300091
n＝tanib＝1.62
该实施例测得的三棱镜折射率与使用实际的折射率n＝1.64相比，偏差很小。
实施例二：
按照上述步骤安装好测量装置，将人造大理石放置在载物台上，根据上述方法测得的数据如下：
表4双向逼近法测量的分光计数据
Figure BDA00001705631300092
表5达到布儒斯特角的反射光线所在位置游标的读数
Figure BDA00001705631300093
表6望远镜对准平行光管位置处读数
  左侧游标读数θ1平   右侧游标读数θ2平
  231°0′   70°0′
根据上述数据计算的布儒斯特角的大小ib为：
Figure BDA00001705631300094
n＝tanib＝1.532
该实施例测得的折射率与人造大理石实际的折射率n＝1.530相比，偏差很小。
根据上述两个实施例，利用本发明的方法测得的布儒斯特角误差基本上在1/100左右。
由以上实施例可以看出，本发明实施例通过分光计来测量布儒斯特角，通过在分光计的平行光管前设置两个透光轴相垂直的偏振元件，利用其生成的两条对比亮度较大的光线，可以在望远镜中较容易观测，从而能准确地测出了入射到待测介质上光线的布儒斯特角大小，并以此求出被测介质的折射率，还可进一步拓展到介质其他相关性质(如：介电常数等)的测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种布儒斯特角的测量装置，其特征在于，所述装置包括光源、分光计和起偏元件，所述分光计包括平行光管、望远镜和载物台，待测介质放置在所述载物台上，所述光源发出的入射光从所述平行光管射向待测介质，并从待测介质上反射出射光进入所述望远镜；所述平行光管的前部设有透光轴与入射面相垂直的第一起偏元件和透光轴与入射面相平行的第二起偏元件。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述望远镜的前部设有透光轴与入射面相平行的第三起偏元件。
3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述光源为单色光源。
4.如权利要求1-3中任何一项所述的测量装置，其特征在于，所述装置还包括用于检测望远镜中图像亮度的检测仪，所述检测仪设置在望远镜附近。
5.如权利要求1-3中任何一项所述的测量装置，其特征在于，所述待测介质为透光或者不透光物质。
6.如权利要求1-3中任何一项所述的测量装置，其特征在于，所述起偏元件为偏振片。
7.如权利要求1-3中任何一项所述的测量装置，其特征在于，所述起偏元件为起偏镜。
8.一种布儒斯特角的测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)安装测量仪器
将待测介质放置在分光计的载物台上，在平行光管前部的第一侧设有透光轴与入射面相垂直的第一起偏元件，在其第二侧设有透光轴与入射面相平行的第二起偏元件，光源发出的入射光从平行光管射向待测介质，并从待测介质上反射出射光进入望远镜；
(2)记录分光计读数
在望远镜的前部设有透光轴平行于入射面的第三起偏元件，以望远镜上测得的第一侧图像为标准，转动望远镜，当第二侧图像的明暗程度与第一侧图像接近时，记录此时分光计左右侧游标读数
Figure FDA00001705631200021
和
Figure FDA00001705631200022
(3)移去待测介质，再次记录分光计读数
再次转动望远镜，使得望远镜对准平行光管，记录分光计左右侧游标读数θ1平和θ2平；
(4)计算被测介质的布儒斯特角
布儒斯特角的大小
Figure FDA00001705631200023
9.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)之前还包括粗测布儒斯特角的步骤，以望远镜上观察的第一侧图像为标准，转动望远镜，当望远镜上第一侧和第二侧图像的明暗程度区分最大时，初步确定此时的入射角度为布儒斯特角。
10.如权利要求8或者9所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括两次测量步骤，第一次测量是沿一方向转动望远镜，以望远镜第一侧图像为标准，当第二侧图像的明暗程度与第一侧图像接近时，记录此时分光计左右侧游标读数θ1小和θ2小；第二次测量是沿相反方向转动望远镜，以望远镜第一侧图像为标准，当第二侧图像的明暗程度与第一侧图像接近时，记录此时分光计左右侧游标读数θ1大和θ2大，此时
Figure FDA00001705631200024
Figure FDA00001705631200025
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