CN102998284A

CN102998284A - 透明介质折射率的测量装置及测量方法

Info

Publication number: CN102998284A
Application number: CN2012105026687A
Authority: CN
Inventors: 谈宜东; 张鹏; 张书练; 牛海莎
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN102998284B

Abstract

本发明提供一种利用激光回馈原理来测量透明介质折射率的装置。其特征在于：它以待测样品的位移产生的激光回馈条纹为研究对象，待测样品与标准样品具有相同楔角，在入射面垂直于激光轴线位移时，由于待测样品与标准样品在光路中的各自厚度发生变化，即激光外腔中的光程发生了变化，因此使激光输出光强曲线中产生回馈条纹。通过回馈条纹与位移量的关系，可以计算得到待测样品的折射率。本发明的折射率测量范围不受全反射原理的临界角限制，而且待测样品可以是透明固体、液体和气体，因此应用范围较广。本发明进一步提供一种测量透明介质折射率的方法。

Description

透明介质折射率的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种透明介质折射率的测量装置及测量方法。

背景技术

折射率是材料的重要物理参数之一，也是影响光学系统性能的重要因素。折射率测量的应用领域包括光学元件的设计和加工，食品、医药、化工等行业的成分检测和产品鉴定，薄膜检测，晶体材料研制，环境监测以及珠宝鉴定等。对一些要求较高的仪器系统，精确测量折射率也有着迫切的需求。

目前的折射率测量方法主要包括测角法、干涉法、菲涅耳公式法等。其中测角法是通过角度测量来计算折射率，如最小偏向角法、临界角法（全反射法）等。

然而，传统的折射率测量方法虽经过不断的改进，但精度难于进一步提高，例如最小偏向角法，在高精度测量时，对样品的加工要求极高，而且需要高精度测角装置，设备庞大，成本很高。而临界角法（全反射法）测量折射率，因为需要满足临界角的条件，因此待测样品的折射率必须小于标准样品（一般为蓝宝石玻璃）的折射率，测量范围受到限制。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种精度高、易于操作、且测量范围广泛的透明介质折射率的测量方法和测量装置。

一种透明介质折射率的测量装置，其中，所述装置主要包括：

一激光器；

一样品池，所述样品池位于所述激光器下方以接收入射激光；

一标准样品，所述标准样品置于所述样品池内，所述标准样品包括一面对激光器的第一表面以及相对的第二表面，所述第一表面为一斜面并接收入射激光，所述第二表面为一平面，所述第一表面与第二表面形成一楔角α；

一回馈镜，所述回馈镜位于所述样品池下方，以反射从样品池出射的激光形成激光回馈；

一位移探测装置，用于探测所述样品池的横向位移；

一光电探测器，所述光电探测器位于所述激光器上方以接收激光信号并转换为电信号；以及

一信号处理和控制系统，所述信号处理和控制系统与所述光电探测器和所述位移探测装置连接，以处理从光电探测器输入的信号并控制所述回馈镜的往复运动并接收光电探测器的探测结果。

一种应用所述透明介质折射率的测量装置测量透明介质折射率的测量方法，包括以下步骤：

将待测样品置入样品池内，所述待测样品与所述标准样品契合；

调整样品池的位置，使入射激光的轴线垂直于所述标准样品的第二表面；

信号处理和控制系统向位移驱动装置输出控制信号，驱动回馈镜沿激光轴线方向做往复运动，光电探测器将接收到的激光信号转换为电信号输出至信号处理和控制系统；

调节回馈镜的位置，使激光回馈进激光腔内，并使信号处理和控制系统显示的回馈条纹形状形成正弦型条纹；

关闭信号处理和控制系统对回馈镜的控制信号，回馈镜停止往复运动；

将样品池沿垂直于激光轴线的方向移动一段位移Δl，位移探测装置将位移量Δl实时传送至信号处理和控制系统，同时由信号处理和控制系统接收光电探测器输出的电信号，并根据回馈条纹个数计算在激光轴线方向上光路的位移量ΔL；

根据楔角α、标准样品的折射率n_s、ΔL和Δl计算得到待测样品的折射率n：

Figure 2012105026687100002DEST_PATH_IMAGE001

，其中，正负号分别对应待测样品折射率大于或小于标准样品折射率。

本发明所述的透明介质折射率的测量装置及其测量方法，利用激光器的回馈原理来测量折射率，不受临界角限制，测量范围更大，对位移小数部分的检测要求降低，精度更高；并且测量方法和装置结构简单、操作方便、测量范围广，可用于固体、液体和气体透明介质折射率的测量。

附图说明

图1为本发明第一实施例所述的透明介质折射率测量装置示意图。

图2为图1所示的透明介质折射率的测量装置中标准样品的结构示意图。

图3为图1所示的透明介质折射率的测量装置测量透明介质折射率方法中位移几何关系示意图。

图4为本发明所述透明介质折射率的测量方法中同步计数原理图。

主要元件符号说明

激光器	1
		样品池	2
标准样品	3
		回馈镜	4
位移驱动装置	5
		位移探测装置	6
光电探测器	7
		信号处理和控制系统	8

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的透明介质折射率的测量装置及其测量方法。本发明首先介绍所述透明介质折射率的测量装置。

如图1所示，本发明第一实施例提供一种利用激光回馈原理测量透明介质折射率的测量装置，所述透明介质折射率的测量装置包括激光器1，样品池2，标准样品3，回馈镜4，位移驱动装置5，位移探测装置6，光电探测器7，以及信号处理和控制系统8。所述回馈镜4以及光电探测器7沿所述激光器1的输出激光共轴设置，所述样品池2设置于所述激光器1输出激光的轴线上，所述标准样品3设置于所述样品池2内。

所述激光器1的结构可以为全内腔、半外腔或全外腔，类型可以是气体激光器、固体激光器或半导体激光器，并且可连续的输出激光。所述激光器1可从两端输出激光。优选的，所述激光器1的工作模式为单纵模、基横模。

所述样品池2位于所述激光器1下方，且与后者间隔设置并接收激光，所述样品池2的池壁为透明材料，以使由所述激光器1输出的激光能够直接射入所述样品池2内。进一步的，在所述激光器1输出激光轴线方向上，在所述样品池2的池壁内外表面均有镀设增透膜，以增加光入射。所述样品池2为用于承载样品的可移动装置，可沿垂直于激光轴线的方向平移，并保证所述激光器1的激光能照射到样品即可。所述待测样品包括固体、气体、液体等，所述样品池2的作用为承载待测样品并保证样品池2内的恒温恒湿，可以理解，当所述待测样品为固体时且环境满足测量条件时，所述样品池2为一可选元件。所述样品池2为一壳体，为方便探测其位移，所述样品池2的侧壁具有至少一平面与输出激光轴线平行。本实施例中，所述样品池2为由玻璃制成的立方壳体，所述样品池2的侧壁均为一平面。可以理解，所述样品池2也可为其他透明材料及形状，可以根据实验条件进行选择。

请一并参阅图2，所述标准样品3为一标定折射率n_s的透明材质制成的固体，所述材料不限，可为蓝宝石玻璃、石英玻璃等等，只要能够形成折射率稳定的透明固体即可。本实施例中，所述标准样品3为带有楔角α的蓝宝石玻璃块。所述标准样品3包括一第一表面及一相对的第二表面，所述第一表面面对激光的入射方向，且为一斜面；所述第二表面为一平面，且垂直于激光器1入射激光的轴线，即所述第一表面所在的平面与所述第二表面所在的平面形成所述楔角α。所述标准样品3置于所述样品池2内，且所述标准样品的第二表面与所述样品池2的内壁无间隙的紧密固定，以减少空气间隙对测量结果的影响。为减小光线在样品内的偏折以及通过样品池后的偏折角度，标准样品3的楔角α取较小值，如小于5°，从而使从所述第二表面出射的激光基本垂直于所述第二表面，并且经过下方回馈镜4的反射后能够再次入射到所述激光器1中。本实施例中，所述楔角α的角度为2°。

所述回馈镜4位于所述样品池2下方，且与后者间隔设置，对从样品池2出射的激光进行反射后使所述激光再返回激光器1中。所述间隔距离不限，可根据实验条件进行选择。所述回馈镜4中，朝向激光器1的表面镀有一定反射率的反射膜，对激光进行反射。所述回馈镜4可以通过机械机构（图未示）调节俯仰和偏摆。

所述位移驱动装置5位于所述回馈镜4下方，且与后者固定连接，所述位移驱动装置5用于接收所述信号处理和控制系统8的控制信号，并带动所述回馈镜4沿激光轴线方向往复运动。可以理解，所述位移驱动装置5为一可选装置，所述回馈镜4也可选用其他方式使其往复运动。

所述位移探测装置6位于所述样品池2的侧方，且与后者间隔设置。所述样品池2的侧方是指所述样品池2与所述输出激光轴线平行的任意一平面所面对的方向，即所述位移探测装置6可设置在所述样品池2的任何一侧，只要保证所述位移探测装置6不会影响所述激光在样品池2的入射及出射，且能够探测样品池2的横向位移即可。所述横向位移是指所述样品池2在垂直于激光器1输出激光方向上的位移。进一步的，可根据需要在面对所述位移探测装置6的样品池2的侧壁外侧粘贴反射镜或镀反射膜，以作为位移探测的合作目标，从而使位移探测装置6更加方便、精确的探测样品池2的位移。本实施例中，所述位移探测装置6设置在所述样品池2的右侧（以图1所示结构为准）。所述位移探测装置6用于探测所述样品池2的横向位移，为降低计算量，优选的，所述位移探测装置6的测量轴线与所述样品池2的一侧壁垂直，且所述测量轴线平行于所述标准样品3的第二表面并且与所述标准样品3的第一表面所成的角度为α。根据精度要求，位移探测装置6可以是电感测微仪、电容测微仪、干涉仪或回馈位移测量仪等。进一步的，所述样品池2也可以设置在高精度定位平台上，此时其位移量可以直接由定位平台检测。

所述光电探测器7位于所述激光器1上方，且与后者间隔设置，所述光电探测器7用于接收激光器1经回馈镜4反射后输出的激光，并将光强信号转换为电信号。所述间隔距离不限，可根据实验条件进行选择。优选的，所述激光器1，回馈镜4以及光电探测器7沿所述输出激光的轴线方向共轴且间隔设置。

所述信号处理和控制系统8可通过数据电缆线与所述光电探测器7、所述位移驱动装置5和所述位移探测装置6连接，从而将所述光电探测器7的输入信号进行处理、显示和计算，向所述位移驱动装置5输出控制信号，驱动后者并带动所述回馈镜4沿激光轴线方向往复运动，接收所述位移探测装置6的输入信号，并与所述光电探测器7的输入信号进行同步处理。

本发明中，所述“上”、“下”均以图1所示的结构、方向及位置关系为基础。

本发明进一步提供一种利用上述透明介质折射率的测量装置测量透明介质折射率的方法，主要包括以下步骤：

第一步，将待测样品置入样品池2内；

所述待测样品面对所述激光器1的表面为垂直于激光入射方向的平面，所述待测样品与所述标准样品3接触的表面与所述标准样品3的斜面无缝隙的贴合在一起，即所述待测样品与所述标准样品契合；

第二步，调整样品池2的位置，使激光沿垂直于所述标准样品3的第二表面的方向入射样品池2；

第三步，信号处理和控制系统8输出控制信号，驱动回馈镜4沿激光轴线方向往复运动微量的位移，光电探测器7将接收到的光强信号输出至信号处理和控制系统8，调节回馈镜4的位置，使激光回馈进激光腔内，并使信号处理和控制系统8显示的回馈条纹形状成正弦型条纹，此时关闭信号处理和控制系统8对回馈镜4的控制信号，回馈镜4停止往复运动；可以理解，由于实验条件等原因，所述正弦型条纹并非严格的正弦型条纹，存在一定的误差，但所述误差基本不影响所述测量的最终结果。

第四步，样品池2沿所述位移探测装置6的测量轴线方向匀速移动一段位移，位移探测装置6将位移量Δl实时传送至信号处理和控制系统8，同步地，由信号处理和控制系统8接收光电探测器7转换的电信号，并测量样品池2在光路上的位移量ΔL；

第五步，根据ΔL和Δl的数学关系以及同步计数的原理，计算得到待测样品的折射率。

如图3是利用激光回馈原理测量透明介质折射率的位移几何关系示意图。所述样品池2沿着所述位移探测装置6的测量轴线移动，如远离所述位移探测装置6运动或靠近所述位移探测装置6移动。由于标准样品3及待测样品在光路中的厚度发生变化，由厚度和折射率差，引起光路上的光程改变，激光输出受到回馈调制，根据回馈条纹个数可以测得光路上的位移量（即光程改变量）ΔL，由位移探测装置测得样品池2的横向位移Δl，已知楔角α的情况下，有如下关系：

Figure 2012105026687100002DEST_PATH_IMAGE002

（i）

则，

Figure 2012105026687100002DEST_PATH_IMAGE003

（ii）

式中，n为待测样品的折射率，正负号分别对应待测样品折射率大于或小于标准样品折射率。

如图4是利用激光回馈原理测量透明介质折射率的同步计数原理图。其原理为在待测样品移动过程中，当回馈条纹个数为整数时同步记录此时条纹个数和位移探测装置所测得的结果，而不考虑最终移动的位移量（即不需考虑不足一个条纹的问题）。由于样品池2的横向位移量是线性的，因此计数结果形成一一对应，每一组对应的位移均可以计算一次折射率。

本发明所述激光回馈（laser feedback）现象又称为激光自混合干涉（self-mixing interference）或背向散射调制（back-scattering modulation），是指激光器的输出光束被外部反射镜（或物体）反射（或散射）回激光腔内，与腔内光场作用，从而引起激光器输出光场发生改变的现象。

作为具体的实施例，所述激光器1采用带热稳频的全内腔氦氖激光器，基横模、单纵模、连续输出。激光管长155mm，激光腔镜分别为半径1m的凹面高反镜和反射率99%的平面输出镜。充气比例为He³:Ne²⁰:Ne²²=9:0.5:0.5，充气压3.6 Torr。标准样品的楔角为2°。当所述待测样品为固体时如K4玻璃，则所述K4玻璃加工成与标准样品相同的楔角，并且优选的，所述待测样品面对所述激光器的表面为垂直于激光入射方向的平面，即所述待测样品与所述标准样品契合；当所述被测液体样品为液体时，直接注入样品池即可。样品池直接设置在高精度定位平台上，横向（即垂直于所述入射激光的方向）最大位移范围为500μm，位移分辨力为1nm。回馈镜为镀50%反射膜的平面镜。光电探测器采用硅光电池。位移驱动装置为压电陶瓷。

本发明利用激光回馈原理来测量折射率，激光器本身既是光源又是传感器。以待测样品的位移产生的激光回馈条纹为研究对象，待测样品与标准样品具有相同楔角，在待测样品位移时，由于待测样品与标准样品在光路中的各自厚度发生变化，即激光外腔中的光程发生了变化，因此使激光输出中产生回馈条纹。通过回馈条纹与位移量的关系，可以计算得到待测样品的折射率。与全反射原理相比，不受临界角限制，测量范围更大；与干涉原理相比，对位移小数部分的检测要求降低，结构相对简单。本发明的折射率测量方法中待测样品可以是透明固体、液体和气体，因此应用范围较广；采用同步计数的方法，减弱了小数部分计数精度的影响；不需要知道待测样品的厚度，也不需要测量转角，操作简便。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims

1.一种透明介质折射率的测量装置，其特征在于，所述装置主要包括：

一激光器；

一位移探测装置，用于探测所述样品池的横向位移；

2.如权利要求1所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，所述激光器、回馈镜以及光电探测器沿激光器输出激光的轴线方向共轴设置。

3.如权利要求2所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，所述样品池为一立方壳体，所述位移探测装置位于所述样品池的侧方，且所述位移探测装置的测量轴线垂直于所述样品池的一侧壁。

4.如权利要求1所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，所述标准样品为具有楔角α的透明固体。

5.如权利要求4所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，所述楔角α的度数小于5°。

6.如权利要求1所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，进一步包括一位移驱动装置，所述位移驱动装置与所述回馈镜固定连接以控制所述回馈镜沿激光轴线方向往复移动。

7.如权利要求1所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，在所述激光器输出激光轴线方向上，在所述样品池的池壁内外表面均有镀设增透膜。

8.一种应用权利要求1所述的透明介质折射率的测量装置测量透明介质折射率的测量方法，包括以下步骤：

Figure 2012105026687100001DEST_PATH_IMAGE001

9.如权利要求8所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，所述激光器的工作模式为单纵模、基横模。

10.如权利要求8所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，所述位移探测装置的测量轴线与所述样品池的一侧壁垂直，且所述测量轴线平行于所述标准样品的第二表面。