CN103278475B - 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，输出多纵模、基横模的连续激光，包括一增益管及一输出腔镜；一腔镜驱动装置与所述输出腔镜连接并驱动所述输出腔镜沿输出激光轴线往返移动；一拍频合成及探测模组设置于所述输出激光的光路上以获得所述输出激光的纵模间隔；一光电探测模组用于将所述输出激光的两个纵模分开形成两路激光信号；一样品承载及测量模组用于承载待测样品并带动待测样品绕垂直于输出激光轴线的轴转动，并测量所述待测样品的转动角度；一信号处理与控制系统获取所述拍频合成及探测模组以及光电探测模组的电信号并进行处理。本发明进一步提供一种应用所述测量装置测量透明介质折射率的测量方法。

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

折射率测量是测量技术领域的研究重点之一。折射率测量的应用领域涉及材料加工，光学系统设计，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。尤其对一些要求较高的仪器系统，精确测量折射率有着迫切的需求。

目前常用的透明介质折射率测量方法主要包括全反射法（临界角法）、干涉法、最小偏向角法等。传统折射率测量方法虽经不断的改进，但原理上较少突破，精度难以进一步提高，且测量结果不能溯源。此外，传统方法在测量时也存在一定限制。例如最小偏向角法，需要将被测样品加工成三角棱镜，且在高精度测量时对样品的加工要求极高，设备成本高。而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，且用于固体介质测量时精度下降。干涉法测量折射率往往需要预先知道被测样品的厚度，而且装置比较复杂。

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装置及测量方法。

一种透明介质折射率的测量装置，包括：一半外腔激光器，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设置形成激光谐振腔，该半外腔激光器用于输出多纵模、基横模的连续激光；一腔镜驱动装置，该腔镜驱动装置与所述输出腔镜连接并驱动所述输出腔镜沿输出激光轴线往返移动；一拍频合成及探测模组，该拍频合成及探测模组设置于所述输出激光的光路上以获得所述输出激光的纵模间隔；一光电探测模组，用于将所述输出激光的两个纵模分开形成两路激光信号，并分别探测两路激光信号的光强转化为电信号；一样品承载及测量模组，用于承载待测样品并带动待测样品以垂直于输出激光轴线的轴为旋转轴转动，以及测量所述待测样品的转动角度；一信号处理与控制系统，用于获取所述拍频合成及探测模组以及光电探测模组的电信号并进行处理，同时驱动所述腔镜驱动装置往复移动。

一种应用如上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：半外腔激光器输出连续激光；通过信号处理与控制系统向腔镜驱动装置输出一控制电压，使第一光电探测器及第二光电探测器接收的光强信号相等，通过拍频合成及探测模组获得初始纵模间隔Δ₀；将待测样品置于样品承载及测量模组中，所述待测样品在输出激光的方向上具有相对平行的两个平面，所述平面垂直于半外腔激光器输出激光的轴线方向；使所述待测样品转动θ₁角度，得到第一个出光位置，并得第一个出光位置的纵模间隔Δ₁；继续沿相同方向转动待测样品θ₂角度，得到第二个出光位置，获得第二个出光位置的纵模间隔Δ₂；通过以下公式计算待测样品的折射率n_s：

，

其中，n₀为所述待测样品所处周边环境的折射率。

与现有技术相比较，本发明所述的透明介质折射率的测量装置和测量方法，通过旋转所述待测样品引起激光纵模间隔的变化来测量折射率，不受临界角限制；无需预先精确测量待测样品的厚度；对于待测样品只需加工成具有互相平行的两平面即可，形状无特殊要求；并且通过将激光频率引入折射率测量，灵敏度高，且测量结果具有高精度和可溯源的发展潜力。

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为本发明所述透明介质折射率的测量方法中判断等光强点的程序框图。

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时样品旋转前后的位置关系示意图。

图4为图1所示的透明介质折射率的测量装置放入待测样品后计算光程变化的原理示意图。

图5为本发明第二实施例所述的透明介质折射率测量装置示意图。

主要元件符号说明

第一光电探测器	1
		第二光电探测器	2
分光棱镜	3
		增益管	4
样品架	5
		测角装置	6
输出腔镜	7
		腔镜驱动装置	8
拍频合成装置	9
		拍频探测器	10
高反腔镜	11
		增益介质	12
增透窗片	13
		信号处理与控制系统	14
分光镜	15
		半外腔激光器	20

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。本发明的透明介质折射率的测量装置及其测量方法是基于激光谐振腔频率特性，通过旋转待测样品获得转角及变化纵模间隔的方式，实现测量待测样品折射率的效果。

如图1所示，本发明第一实施例提供一种利用激光纵模间隔变化来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第一光电探测器1、第二光电探测器2、分光棱镜3、半外腔激光器20、样品架5、腔镜驱动装置8、拍频合成装置9、拍频探测器10以及信号处理与控制系统14。所述半外腔激光器20包括一增益管4以及一输出腔镜7，所述样品架5设置于增益管4与输出腔镜7之间用于承载待测样品。所述腔镜驱动装置8与所述输出腔镜7连接。所述拍频合成装置9以及拍频探测器10设置于从输出腔镜7输出激光的光路上。所述半外腔激光器20可分别从所述输出腔镜7的一端以及增益管4远离输出腔镜7的一端输出激光。所述分光棱镜3设置于从所述半外腔激光器20远离输出腔镜7的一端的输出光路上，所述第一光电探测器1及第二光电探测器2分别接收从分光棱镜3出射的激光。

所述半外腔激光器20产生的激光贯穿待测样品形成激光输出。所述输出腔镜7透射的激光入射到所述拍频合成装置9，经过拍频合成装置9处理后入射到所述拍频探测器10。从所述半外腔激光器20远离输出腔镜7一端输出的激光入射到所述分光棱镜3，经过分光棱镜3分光后，分别照射到所述第一光电探测器1以及第二光电探测器2。

所述增益管4包括高反腔镜11、增益介质12和增透窗片13沿输出激光的轴线共轴设置。所述增益管4和所述输出腔镜7构成半外腔激光器20，类型可以是气体激光器、固体激光器或半导体激光器，输出连续激光。所述高反腔镜11与所述增益介质12的远离所述输出腔镜7的一端固定连接，所述增透窗片13与所述增益介质12的靠近所述输出腔镜7的一端固定连接。所述高反腔镜11和输出腔镜7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13镀有激光波长的增透膜（图未示）。所述增益管4和所述输出腔镜7组成的半外腔激光器20可从所述高反腔镜11及所述输出腔镜7中同时输出激光。所述半外腔激光器20的工作模式可为多纵模、基横模。优选的，激光器的工作模式为双纵模、基横模。本实施例中，所述半外腔激光器为氦氖激光器，激光器输出模式为基横模、双纵模、连续输出。激光增益管4长260mm，所述高反腔镜11为半径1m、反射率99.8%的凹面镜，所述输出腔镜7为反射率99.5%的平面镜。充气比例为He³:Ne²⁰:Ne²²=9:0.5:0.5，充气压3.6 Torr。

所述第一光电探测器1、第二光电探测器2以及所述分光棱镜3组成一光电探测模组，用于将所述输出激光的两个纵模分开形成两路激光信号，分别探测两路激光信号的光强转化并为电信号。所述分光棱镜3设置于所述半外腔激光器20中高反腔镜11的一端，且与所述高反腔镜11间隔设置。所述分光棱镜3的作用为将从高反腔镜11输出激光中的两个纵模分离开，以便所述第一光电探测器1、第二光电探测器2可以分别探测两个纵模的光强。所述分光棱镜3的类型不限，只要可以将两个正交方向偏振的分量分离开即可。本实施例中，所述分光棱镜3为渥拉斯顿棱镜。

所述第一光电探测器1、第二光电探测器2的光敏面分别设置于所述分光棱镜3的两个输出方向上，用于将分光棱镜3输出的两束光强信号转换为电信号，并将所述电信号输出至信号处理与控制系统14。

所述样品架5以及所述测角装置6组成一样品承载及测量模组，用于承载待测样品并带动待测样品以垂直于输出激光轴线的轴为旋转轴转动，并且测量所述待测样品的转动角度。所述样品架5位于所述增益管4和所述输出腔镜7之间，并与两者间隔设置，所述样品架5用于承载待测样品。所述样品架5可以带动待测样品绕垂直于激光出射方向的转轴顺时针或逆时针旋转。所述旋转轴可与所述输出激光的轴线相交，也可与所述输出激光的轴线错开，并且所述旋转轴位于所述待测样品靠近所述增益管的表面所在的平面内。经过所述样品架5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，得到该夹角下的纵模间隔。所述样品架5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。本实施例中，所述样品架5为一具有通光孔的载物台，所述半外腔激光器20输出的激光贯穿所述通光孔。

所述测角装置6用于测量所述样品架5及所述待测样品的转动角度。所述测角装置6可为与所述样品架5联动的带有测角功能的装置（如转盘等），也可以是独立的测角仪器。所述测角装置6的具体设置位置根据实际需要进行选择，只要不会遮蔽所述输出激光即可，如所述测角装置6可设置于所述样品架5在垂直于激光光路方向上的任意一侧。本实施例中，测角装置6为独立的测角仪，位于所述样品架5的一侧。

所述腔镜驱动装置8与所述输出腔镜7固定连接。所述腔镜驱动装置8接收所述信号处理与控制系统14的控制信号，并带动所述输出腔镜7沿激光输出方向往复移动微小距离。所述拍频合成装置9设置于所述从输出腔镜7输出激光的光路上，且与所述输出腔镜7间隔设置。所述拍频合成装置9的作用是将激光输出的两个纵模混合，从而形成拍频信号，此拍频大小即为纵模间隔。本实施例中，所述拍频合成装置9为一偏振片。

所述拍频探测器10设置于从所述拍频合成装置9透射的激光的光路上，且与后者间隔设置。所述拍频探测器10用于接收经拍频合成装置9产生的激光，并转化为电信号，经放大后输出至所述信号处理与控制系统14。本实施例中，所述拍频探测器10为能响应高频信号的雪崩光电二极管。

所述信号处理与控制系统14通过数据电缆线分别与所述第一光电探测器1、第二光电探测器2、所述腔镜驱动装置8和所述拍频探测器10电连接，从而对所述光强探测器组的输出信号进行处理、显示和分析，对所述拍频探测器10的输出信号进行处理和显示，向所述腔镜驱动装置8输出控制信号，驱动后者并带动所述输出腔镜7沿激光轴线方向移动微小距离，并根据测量数据和预置参数计算折射率。

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，半外腔激光器连续输出激光，模式为多纵模、基横模。

第二步，运行信号处理与控制系统14，向腔镜驱动装置8输出一预设的控制电压，使第一光电探测器1及第二光电探测器2接收的光强信号相等，得到等光强点。

如图2所示，可通过以下判断程序得到等光强点。驱动输出腔镜7沿激光轴线方向移动一段位移，所述信号处理与控制系统14接收第一光电探测器1及第二光电探测器2的输入电信号，判断所述第一光电探测器1及第二光电探测器2所接收到的两路光强信号是否相等。如相等，则维持该控制电压；如不相等，则调整控制电压，改变输出腔镜7的相对位置，直到两光强信号相等，得到等光强点。并且在整个测量过程（转动待测样品的过程）中，当由于外界环境扰动和激光器蠕变等造成两光强不相等时，信号处理与控制系统14自动判断增加或减小控制电压，使半外腔激光器始终工作在等光强点。由信号处理与控制系统14记录未放入待测样品时的初始纵模间隔Δ₀。

第三步，将待测样品置于样品架5上，并使从增益管4输出的激光沿垂直于待测样品表面的方向入射如待测样品（位置0）。

请参阅图3，所述待测样品设置在从增透窗片13输出激光的光路上，从增透窗片13输出的激光透射所述待测样品，并贯穿所述样品架5的通孔后入射到输出腔镜7。所述待测样品在半外腔激光器输出激光的光路上具有两个相互平行的平面，从而减少计算误差。可以理解，当所述待测样品为固体时，可直接将固体的两个表面加工成相互平行的两个平面。而当所述待测样品为气体或液体时，则可将气体或液体承载于一具有一对平行平面的容器内。半外腔激光器20输出激光的方向垂直于所述平面入射到待测样品的表面，即所述输出激光的方平行于所述待测样品平面法线的方向。本实施例中，所述待测样品为加工成平行平板的圆形玻璃片，平行度优于10″。

第四步，转动所述样品架5及所述待测样品，得到第一个出光位置（位置1），由测角装置6测量此时的转角θ₁，由信号处理与控制系统14记录此时的纵模间隔Δ₁。

所述待测样品以垂直于输出激光轴线的任一轴线为旋转轴旋转，并且所述旋转轴位于所述激光的入射表面所在的平面内，使所述待测样品的旋转角度等于所述半外腔激光器输出的激光与所述待测样品的平面法线之间的夹角。本实施例中，所述旋转轴位于所述待测样品靠近所述增益管4的表面内，并与所述输出激光的轴线相交。

第五步，继续沿相同方向转动样品架5，得到第二个出光位置（位置2），记录此时的转角θ₂和纵模间隔Δ₂。

需要说明的是，由于旋转过程中可能出现多个出光区域（半外腔激光器从不出光状态转为出光状态）或者连续出光，因此所述第二个出光位置并不局限为第二个出光区域，也可以选择第三个、第四个甚至更靠后的第n个出光区域作为第二个出光位置，所述旋转的角度θ小于90度，这样可便于所述测角装置6测量旋转角度，减少误差。

第六步，根据上述纵模间隔、转角以及预置参数计算待测样品的折射率n_s。

可以理解，若选用的激光器增益较小，在此情况下，放入待测样品后半外腔激光器不能出光。通过逆时针或顺时针转动所述样品架5，由于多光束干涉产生的透射增强现象，可以得到第一个出光位置（位置1）。相反，若选用的半外腔激光器增益足够，则只需转动任意一个适当的角度即可，并定义此时的位置为第一个出光位置，得到θ₁及Δ₁。然后再次转动所述待测样品，得到第二个出光位置，并得到θ₂和Δ₂，通过计算即可得到待测样品的折射率。

请参阅图4，由于光线在进入待测样品后会发生折射，在计算激光谐振腔的光学长度改变量时，应根据光线的偏折投影到初始激光轴线方向上来计算实际的光程变化。光程的变化量ΔL由光线在样品内的光程减去初始光程n₀l′，即：

（1）

其中n₀为待测样品所处周边环境的折射率。根据激光纵模间隔公式：

（2）

其中Δ为纵模间隔，c为光速，L为激光谐振腔的光学长度。可得纵模间隔变化量Λ与谐振腔长度变化量δL的关系为：

（3）

其中Δ和Δ′分别为变化前后的纵模间隔。将（1）式带入（3）式可得：

（4）

（5）

其中Δ₀为初始激光纵模间隔，Δ₁、Δ₂分别为第一出光位置和第二出光位置的纵模间隔。两式相除可得：

（6）

由（6）式可以看出，根据纵模间隔Δ₀、Δ₁、Δ₂，以及转角θ₁、θ₂，即可计算得到待测样品的折射率n_s，并且无需知道待测样品的厚度h。

请参阅图5，本发明第二实施例提供一种利用激光纵模间隔变化来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第一光电探测器1、第二光电探测器2、分光棱镜3、半外腔激光器20、样品架5、腔镜驱动装置8、拍频合成装置9、拍频探测器10以及信号处理与控制系统14。所述半外腔激光器20包括一增益管4以及一输出腔镜7，所述样品架5设置于增益管4与输出腔镜7之间用于承载待测样品。本发明第二实施例提供的透明介质折射率的测量装置与第一实施例基本相同，其不同在于，所述半外腔激光器20为单向出光，即指从输出腔镜7一端输出激光，并通过设置一分光镜15将输出激光分光，形成两束输出光路，然后在其中一路输出光路上设置所述分光棱镜3和所述第一光电探测器1及第二光电探测器2，而所述拍频合成装置9及拍频探测器10设置于另一输出光路径上。

本发明通过旋转所述待测样品并利用激光纵模间隔的变化来测量折射率，激光器本身既是光源又是传感器，充分利用了激光器自身的特性。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；并且不需要知道待测样品的厚度，不受临界角限制；由于将激光频率引入到折射率的测量中，灵敏度很高。同时，所述待测样品可以利用透射增强现象使激光器正常工作，其表面无需镀增透膜。

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 (9)

1.一种透明介质折射率的测量装置，包括：

一半外腔激光器，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设置形成激光谐振腔，该半外腔激光器用于输出多纵模、基横模的连续激光；

一腔镜驱动装置，该腔镜驱动装置与所述输出腔镜连接并驱动所述输出腔镜沿输出激光轴线往返移动；

一拍频合成及探测模组，该拍频合成及探测模组设置于所述输出激光的光路上以获得所述输出激光的纵模间隔；

一光电探测模组，用于将所述输出激光的两个纵模分开形成两路激光信号，并分别探测两路激光信号的光强转化为电信号；

一样品承载及测量模组，所述样品承载及测量模组包括一样品架以及一测角装置设置于所述样品架一侧，所述样品架用于承载待测样品并带动待测样品以垂直于输出激光轴线的轴为旋转轴转动，所述测角装置用于测量所述待测样品的转动角度；

一信号处理与控制系统，用于获取所述拍频合成及探测模组以及光电探测模组的电信号并进行处理，同时驱动所述腔镜驱动装置往复移动。

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，所述光电探测模组设置于从所述增益管远离输出腔镜一端输出激光的光路上，以接收输出的激光并将输出激光中的两个纵模分开形成两路激光信号。

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，进一步包括一分光镜设置于从输出腔镜输出激光的光路上，并将入射到分光镜的激光分为第一路激光及第二路激光，所述光电探测模组设置于第一路激光光路上，所述拍频合成及探测模组依次设置于第二路激光光路上。

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，待测样品的旋转轴位于所述待测样品靠近所述增益管的表面所在的平面内。

5.一种应用权利要求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：

半外腔激光器输出连续激光；

通过信号处理与控制系统向腔镜驱动装置输出一控制电压，使第一光电探测器及第二光电探测器接收的光强信号相等，通过拍频合成及探测模组获得初始纵模间隔Δ₀；

将待测样品置于样品承载及测量模组中，所述待测样品在输出激光的方向上具有相对平行的两个平面，所述平面垂直于半外腔激光器输出激光的轴线方向；

使所述待测样品转动θ₁角度，得到第一个出光位置，并得第一个出光位置的纵模间隔Δ₁；

继续沿相同方向转动待测样品θ₂角度，得到第二个出光位置，获得第二个出光位置的纵模间隔Δ₂；

通过以下公式计算待测样品的折射率n_s：

$\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}_0-{\mathrm{\Δ}}_1}{{\mathrm{\Δ}}_0-{\mathrm{\Δ}}_2}\right)\frac{{\mathrm{\Δ}}_2}{{\mathrm{\Δ}}_1}=\frac{\sqrt{n_s^2-s_0^2\sin {\mathrm{\θ}}_1}-n_0\cos {\mathrm{\θ}}_1}{n_s^2-n_s^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)-n_0\cos ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)},$

其中，n₀为所述待测样品所处周边环境的折射率。

6.如权利要求5所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，所述半外腔激光器输出激光的模式为双纵模。

7.如权利要求5所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，在测量过程中，通过信号处理与控制系统控制所述半外腔激光器始终处于等光强点。

8.如权利要求5所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，所述Δ₀分别与Δ₁、Δ₂满足如下关系：

${\mathrm{\Δ}}_0-{\mathrm{\Δ}}_1=\frac{{2\mathrm{\Δ}}_0{\mathrm{\Δ}}_1}{c}h(\sqrt{n_s^2-n_s^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}-n_0\cos {\mathrm{\θ}}_1),$

${\mathrm{\Δ}}_0-{\mathrm{\Δ}}_2=\frac{{2\mathrm{\Δ}}_0{\mathrm{\Δ}}_2}{c}h[\sqrt{n_s^2-n_0^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}-n_0\cos ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)],$

其中，h为待测样品两个平行平面之间的距离，c为光速。

9.如权利要求5所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，所述待测样品旋转过程中的旋转轴位于所述待测样品靠近所述增益管的表面内，并且与半外腔激光器输出激光的轴线相交。