CN103105377B - 透明介质折射率的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透明介质折射率的测量装置，包括：一半外腔激光器，所述半外腔激光器包括一增益管及一输出腔镜，所述输出腔镜与所述增益管间隔并沿半外腔激光器的输出激光轴线共轴设置；一待测样品架，所述待测样品架位于所述增益管和所述输出腔镜之间并与两者间隔；一稳频激光器，所述稳频激光器的输出激光轴线与所述半外腔激光器的输出轴线垂直设置；以及一信号采集与处理系统，所述信号采集与处理系统包括分光棱镜、偏振片、光电探测器及一拍频处理显示系统。本发明进一步提供一种利用所述测量装置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，要获得高的折射率测量精度，对待测样品的加工要求极高，而且设备庞大，因而成本很高。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待测样品（一般为蓝宝石玻璃）的折射率，测量范围受到限制。并且两种测量方法均无法溯源。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种精度高、易于操作、且能够溯源的折射率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，所述测量装置包括：一半外腔激光器，其包括一增益管及一输出腔镜，所述输出腔镜与所述增益管间隔并沿半外腔激光器的输出激光轴线共轴设置，形成激光谐振腔；一待测样品架，所述待测样品架位于所述增益管和所述输出腔镜之间，并与两者间隔，所述待测样品架设置于所述半外腔激光器输出激光的光路上；一稳频激光器，所述稳频激光器的输出激光轴线与所述半外腔激光器的输出激光轴线垂直设置；以及一信号采集与处理系统，所述信号采集与处理系统包括分光棱镜、偏振片、光电探测器及一拍频处理显示系统，所述半外腔激光器、稳频激光器与所述分光棱镜共轭设置。

一种透明介质折射率的测量装置测量透明介质折射率的方法，包括以下步骤：

第一步，所述半外腔激光器为连续输出，模式为基横模，所述半外腔激光器的输出激光照射到分光棱镜，且部分被分光棱镜反射；

第二步，调整稳频激光器的输出方向，使其输出激光照射到分光棱镜后，部分激光直接透过分光棱镜，与所述半外腔激光器经过分光棱镜后的反射光叠加；

第三步，将待测样品放入所述待测样品架上，调整待测样品，使所述半外腔激光器刚好能够出光，此时所述待测样品的表面法线与所述激光轴线所成的初始夹角为α，记录初始拍频量f₀；

第四步，将待测样品旋转一定角度dα，所述待测样品的转轴垂直于所述出射激光的轴线，此时记录下拍频值f_n；

第五步，待测样品的折射率n由下列公式推得：

，

式中Δ为半外腔激光器的纵模间隔，h为待测样品的厚度，n₀为待测样品周围的介质折射率，λ为激光波长。

本发明利用激光器的输出频率变化来测量透明介质的折射率，激光器本身既是光源又是传感器。所述透明介质折射率的测量方法和测量装置结构简单、操作方便、灵敏度很高，具有进一步提高精度的优势，且具有溯源的潜力。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的透明介质折射率测量装置的结构示意图。

图2是本发明所述透明介质折射率测量方法中激光谐振频率随着谐振腔内折射率变化的趋势示意图。

主要元件符号说明

高反腔镜	1
		增益介质	2
增透窗片	3
		待测样品架	4
输出腔镜	5
		稳频激光器	6
分光棱镜	7
		偏振片	8
光电探测器	9
		拍频处理显示系统	10
半外腔激光器	20
		信号采集与处理系统	30

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

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明第一实施例提供一种利用激光拍频测量透明介质折射率的测量装置和测量方法，其测量装置包括半外腔激光器20，稳频激光器6以及信号采集与处理系统30。

所述半外腔激光器20用于输出激光形成激光光路，包括高反腔镜1、增益介质2、增透窗片3及输出腔镜5，所述高反腔镜1、增益介质2及增透窗片3沿所述输出激光的轴线共轴设置形成所述半外腔激光器20的增益管。所述输出腔镜5与所述增益管间隔设置并沿输出激光的轴线共轴，两者形成激光谐振腔。

所述高反腔镜1与所述增益介质2的远离所述输出腔镜5的一端固定连接，所述增透窗片3与所述增益介质2的靠近所述输出腔镜5的一端固定连接。所述高反腔镜1和输出腔镜5均镀有激光波长的高反射膜（99%以上），前者的反射率高于后者，近似全部反射。所述增透窗片3镀有激光波长的增透膜（图未示）。

所述待测样品架4位于所述增益管和所述输出腔镜5之间，并与两者间隔设置，用于放置待测样品，所述待测样品架4设置于所述半外腔激光器20输出激光的轴线上，待测样品架4中心可具有通光孔。所述待测样品架4可以带动待测样品绕垂直于激光轴线的方向旋转一定角度，经过所述待测样品架4旋转后，使入射到待测样品表面的激光与所述待测样品表面法线的夹角改变一定的角度。所述待测样品架4的几何形状不限，只要能够承载待测样品并带动待测样品旋转即可。

所述半外腔激光器20既作为光源又作为传感器，半外腔结构，基横模（TEM₀₀）模式连续输出，优选的，激光纵模个数为一个，从而能够提高测量精度，方便测量。激光器类型可以是气体激光器、半导体激光器和固体激光器等。本实施例中，所述激光器为氦氖激光器。

所述稳频激光器6为具有稳频功能的连续激光器，其工作波长与半外腔激光器20相同，优选的，两者的谐振腔长基本相同，优选的，激光器模式为基横模。所述稳频激光器6提供一个基准频率ν_s，与所述半外腔激光器20的输出频率ν形成拍频。基准频率ν_s的变化幅度很小，对于测量可以忽略，因此拍频的变化量反映出的就是半外腔激光器20的输出频率ν的变化量。优选的，所述稳频激光器6输出的激光轴线与所述半外腔激光器20输出的激光轴线垂直设置，使稳频激光器6输出的激光与所述半外腔激光器20输出的激光混合形成拍频。

进一步，所述透明介质折射率的测量装置还包括一分光棱镜7、偏振片8、光电探测器9和拍频处理显示系统10，共同组成一信号采集与处理系统30。所述分光棱镜7、偏振片8及光电探测器9由近至远依次沿所述稳频激光器6的出射激光轴线方向共轴设置，即沿远离稳频激光器6的方向依次设置。所述稳频激光器6出射的激光依次经过分光棱镜7、偏振片8射入光电探测器9，然后经拍频处理显示系统10进行信号处理。所述分光棱镜7的作用是将所述半外腔激光器20输出光的一部分反射到所述稳频激光器6的输出方向上，与所述稳频激光器6经过所述分光棱镜7的透射光重合后，并经过偏振片8入射到光电探测器9，即所述半外腔激光器20、稳频激光器6以及所述分光棱镜7共轭设置。可以理解，在满足所述半外腔激光器20、稳频激光器6以及所述分光棱镜7共轭设置的前提下，所述半外腔激光器20与所述稳频激光器6的位置可以互换，即所述分光棱镜7、偏振片8及光电探测器9及拍频处理显示系统10沿所述半外腔激光器20的输出激光轴线并远离所述半外腔激光器20的方向依次设置。所述偏振片8的作用是将前述两部分光在其透光轴方向上叠加，形成拍频信号。所述光电探测器9接收拍频信号，并将光信号转换成电信号输出到拍频处理显示系统10；所述拍频处理显示系统10对信号进行分析处理并显示出拍频量，以及计算拍频变化量和折射率值。本实施例中，由于所述半外腔激光器20的出射激光轴线与所述稳频激光器6的出射激光轴线相互垂直，所述分光棱镜7设置于二者出射激光轴线的交点上，从半外腔激光器20出射的激光入射到分光棱镜7并经其反射后，所述半外腔激光器20出射激光的一分量与所述稳频激光器6的出射激光的一分量重合。

本发明中所述“远离”、“靠近”等位置关系均以图1所述结构、方向及位置关系为基础。

本发明进一步提供一种利用所述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，半外腔激光器20为连续输出，模式为基横模；

优选的，所述半外腔激光器20输出激光的纵模个数为一个，即单纵模所述半外腔激光器20输出的激光照射到分光棱镜7，一部分被分光棱镜7反射；本实施例中，所述半外腔激光器20采用半外腔氦氖激光器，其高反腔镜和输出腔镜的反射率R₁和R₂分别是99.8%和99.5%，它们之间的距离，即激光谐振腔长度为L≈330mm；增益管长度260mm，其中有效毛细管长度200mm，内充有氦氖混合气体，充气比例为He³:Ne²⁰:Ne²²=9:0.5:0.5，充气压为3.6Torr；增透窗片固定在增益管的阴极端，其两个表面均镀有632.8nm波长的增透膜。

第二步，调整稳频激光器6的输出方向，使其输出激光照射到分光棱镜7后，一部分光透过分光棱镜7，并与前述半外腔激光器20经过分光棱镜7的反射光叠加；本实施例中，所述稳频激光器为碘稳频氦氖激光器，频率稳定度10^-12。

第三步，将待测样品放入所述待测样品架4上，所述待测样品的表面法线与所述激光轴线形成一夹角，调整待测样品使所述半外腔激光器20从不出光的状态变为刚好能够出光，此时所述待测样品的表面法线与所述激光轴线所成的夹角为α，所述α大于零度小于90度。为简便计算，所述待测样品在测试前可被加工成一规则的几何结构，如长方体、立方体、圆形薄片等等。只要保证所述待测样品具有两个相对且相互平行的平面即可，所述两个平行的平面设置于所述半外腔激光器20的输出激光的轴线上。可以理解，所述待测样品的材料及具体形状并不限于以上所举，如固态或半固态只要保证能够形成固定的形状。本实施例中，所述待测样品为K4玻璃，切割为圆形薄片，其直径14mm，厚度1.2mm。。所述α的具体大小一般与所述待测样品的材料及激光器的增益大小有关；所述半外腔激光器20与稳频激光器6的叠加光通过偏振片8混频，由光电探测器9采集拍频信号，由拍频处理显示系统10对拍频信号进行放大、处理和显示，记录初始拍频值f₀。本实施例中，所述光电探测器采用雪崩光电二极管。

第四步，将待测样品旋转一定角度dα，旋转后所述半外腔激光器20保持出光状态，且所述待测样品的转轴垂直于所述出射激光的轴线，此时记录下拍频值f_n。所述待测样品能够旋转的角度不限，跟所述待测样品的材料以及激光器增益大小有关。本实施例中，所述待测样品架4带动待测样品绕待测样品的转轴旋转，由测角装置读出旋转量；所述半外腔激光器20以及稳频激光器6输出的光经分光棱镜7，并经偏振片8后混合，照射到光电探测器9上，光电探测器9的输出信号经过放大后在拍频处理显示系统10上显示出拍频量。

第五步，待测样品的折射率n可由下列原理公式推得：

满足激光谐振条件的频率为：

（i）

式中L为激光谐振腔光学长度，c为真空中的光速，q为整数。则转动待测样品前后半外腔激光器20输出频率的变化为：

（ii）

式中h为待测样品的厚度，α为待测样品的初始偏角，n₀为待测样品周围的介质折射率，由于，所以待测样品的折射率为：

（iii）

式中Δ为半外腔激光器20的纵模间隔。其中，公式（ii）中忽略了激光输出频率变化量dν的正负号。

如图2是激光谐振频率ν_q随着谐振腔内折射率变化的趋势示意图。根据公式（i），折射率变大，意味着谐振腔的光学长度变大，则同级的激光谐振频率变小；反之，则激光谐振频率变大。

本发明提供的利用激光器的激光拍频变化来测量折射率，激光器本身既是作为光源又是传感器，将被测折射率与激光谐振频率相关联，与以往的各种测量方法存在根本的不同，原理上是新颖的而且具有溯源的潜力。本发明提供的透明介质折射率的测量装置及测量方法结构简单、操作方便、灵敏度很高，且具有进一步提高精度的优势。

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 (10)

1.一种透明介质折射率的测量装置，所述测量装置包括：

一半外腔激光器，其包括一增益管及一输出腔镜，所述输出腔镜与所述增益管间隔并沿半外腔激光器的输出激光轴线共轴设置，形成激光谐振腔；

一待测样品架，所述待测样品架位于所述增益管和所述输出腔镜之间，并分别与所述增益管和所述输出腔镜间隔，所述待测样品架设置于所述半外腔激光器输出激光的轴线上；以及

一信号采集与处理系统，所述信号采集与处理系统包括分光棱镜、偏振片、光电探测器及一拍频处理显示系统；

其特征在于，所述透明介质折射率的测量装置进一步包括：

一稳频激光器，所述稳频激光器的输出激光轴线与所述半外腔激光器的输出激光轴线垂直设置，且所述半外腔激光器、稳频激光器与所述分光棱镜共轭设置。

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，所述分光棱镜、偏振片、光电探测器沿所述稳频激光器的输出激光轴线方向依次共轴设置。

3.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，所述分光棱镜、偏振片、光电探测器沿所述半外腔激光器的输出激光轴线方向依次共轴设置。

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，所述分光棱镜设置于所述半外腔激光器的输出激光轴线与所述稳频激光器输出激光轴线的交点上。

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，所述半外腔激光器的输出激光经分光棱镜反射后的激光分量，与所述稳频激光器的输出激光经分光棱镜透射后的激光分量重合。

6.一种应用权利要求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：

第一步，所述半外腔激光器为连续输出，模式为基横模，所述半外腔激光器的输出激光照射到分光棱镜，且部分被分光棱镜反射；

第二步，调整稳频激光器的输出方向，使其输出激光照射到分光棱镜后，部分激光直接透过分光棱镜，与所述半外腔激光器输出激光中被分光棱镜反射的部分激光叠加；

第三步，将待测样品放入所述待测样品架上，调整待测样品，使所述半外腔激光器刚好能够出光，此时所述待测样品的表面法线与所述激光轴线所成的初始夹角为α，记录初始拍频量f₀；

第四步，将待测样品旋转一定角度dα，旋转后所述半外腔激光器保持出光状态，且所述待测样品的转轴垂直于所述输出激光轴线，此时记录下拍频值f_n；

第五步，待测样品的折射率n由下列公式获得：

$n=n_0+\frac{\mathrm{\λ}{\cos }^2\mathrm{\α}}{2\mathrm{h\Δ}\sin \mathrm{\α}}\·\frac{|f_0-f_n|}{\mathrm{d\α}},$

式中Δ为半外腔激光器的纵模间隔，h为待测样品的厚度，n₀为待测样品周围的介质折射率，λ为激光波长。

7.如权利要求6所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，待测样品具有两个相对且相互平行的平面设置于所述半外腔激光器的输出激光的轴线上。

8.如权利要求6所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，所述半外腔激光器的输出激光为单纵模。

9.如权利要求6所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，待测样品转动前后半外腔激光器输出频率的变化为：

$\mathrm{dv}=\frac{v}{L}(n-n_0)\frac{h\sin \mathrm{\α}}{{\cos }^2\mathrm{\α}}\mathrm{d\α},$

式中h为待测样品的厚度，α为待测样品的初始偏角，n₀为待测样品周围的介质折射率，其中，半外腔激光器输出频率ν满足：

$v=\frac{c}{2L}q;$

式中L为激光谐振腔光学长度，c为真空中的光速，q为整数。

10.如权利要求6所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，半外腔激光器以及稳频激光器输出的激光经分光棱镜、偏振片混合，并照射到光电探测器后形成输出信号，所述输出信号经过放大后在拍频处理显示系统上显示出拍频量，并由拍频量计算折射率。