CN104316495B

CN104316495B - 一种测量介质折射率的方法

Info

Publication number: CN104316495B
Application number: CN201410685691.3A
Authority: CN
Inventors: 肖思; 刘圣; 张景迪; 王鹏; 何军; 王道伟
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: CN104316495A

Abstract

一种测量介质折射率的方法，包括以下步骤：（1）根据波长选择荧光粉，将荧光粉与有机溶剂混合振荡；（2）将荧光粉悬浮液涂到1～10mm厚的被测样品表面；（3）将涂膜样品置于透镜焦点处，使涂有薄膜的面正对透镜，打开激光器，使激光通过透镜聚焦到涂有薄膜的待测样品上，就能在薄膜上观察到一系列的同心圆光环；（4）测出第一个内侧光环的内半径或相邻光环内半径之差记为；（5）代入公式计算折射率。本发明能在近紫外、可见、近红外波段来测量平板介质的折射率。

Description

一种测量介质折射率的方法

技术领域

本发明属于折射率测量技术领域，涉及一种测量介质折射率的方法，尤其是涉及一种无损、原位、快速测量可见波段透明或可见波段不透明但紫外或红外波段透明的平行平板介质折射率的方法。

背景技术

介质的折射率一直都是其重要的光学参数。利用全反射原理测量介质折射率是一种简单方便、快速易行的方法。现有测量介质折射率的技术主要包括插针法、最小偏向角法、阿贝折射仪法、光干涉法等。这些方法都有一定的缺陷；插针法要求被测介质比较厚，无法测量mm级样品的折射率；最小偏向角法要求被测样品是特定的三棱状；阿贝折射仪法只能测量一定范围内的折射率；光干涉法不但对仪器的精密度要求非常高而且操作复杂；且这些方法都有一个共同的缺点就是不能测量不透明介质的折射率。如何简单快速精确地测量出不透明介质折射率一直都是光学实验的重点和难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种提供测量介质折射率的方法，适用于测量mm级透明平板介质以及不透明平板介质的折射率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种提供测量介质折射率的方法，包括以下步骤：

（1）根据波长选择合适的荧光粉，再将荧光粉与有机溶剂（如无水乙醇、丙酮、甲苯）混合，所述荧光粉与有机溶剂的质量体积比为1～5g/100ml，振荡10～30min，制得荧光粉悬浮液；

（2）将步骤（1）所制得的荧光粉悬浮液涂（可采用旋涂、滴定、喷洒等方式）到1～10mm厚的被测样品表面（涂荧光粉悬浮液前测出样品的厚度h），〔采用旋涂时，优选旋涂3～15（多）层〕，直到用肉眼可以在介质表面清晰的看到雾状粉尘薄膜，制成涂膜样品；

（3）将涂膜样品置于透镜焦点处，使涂有薄膜的面正对透镜，打开激光器，使激光通过透镜聚焦到涂有薄膜的待测样品上，就能在薄膜上观察到一系列的同心圆光环；

（4）测出步骤（3）中第一个内侧光环的内半径或相邻光环内半径之差记为（第一个内侧光环的内半径等于相邻光环内半径之差）；

（5）根据上述测量结果代入公式即可计算出被测样品的折射率n。

式中h和d的单位相同即可。

进一步，步骤（1）中，在紫外波段选择紫外激发荧光粉；红外波段选择红外激发荧光粉；可见波段选择普通荧光粉（也可用粉笔灰替代，粉笔灰能够探测到可见光）。

进一步，步骤（2）中，最后所涂薄膜近似雾状，能够用肉眼直接观察到。

进一步，步骤（4）中，光环的大小仅与被测样品的厚度和折射率有关，自动出现，无需调节。

本发明具有以下优点：能在近紫外、可见、近红外波段来测量平板介质的折射率。旋涂能够使颗粒分布均匀且薄膜与被测样品间没有空气间隙。由于紫外光能够激发紫外荧光粉使其发出可见光，红外光能够激发红外荧光粉发出可见光，利用这一特性，我们只需在被测介质表面涂一层相应的荧光粉，即可在薄膜上观察到光环，因此，可采用紫外光或红外光来测量非透明介质或透明介质的折射率；当采用可见光来测量透明介质的折射率时，由于可见光用肉眼就能直接观察到，因此我们可以选择廉价的粉末（如粉笔灰等）来替代荧光粉制作薄膜，这样使得取材更为方便。

方案原理：

将涂有荧光粉薄膜的样品置于透镜焦点处，使涂有薄膜的面正对透镜，打开激光。当激光通过透镜聚焦到涂有荧光粉薄膜的样品上时，荧光粉颗粒增加了激光的散射；形成一锥角为θ的锥形光束（θ>> ,为凸透镜焦距, 为激光半径）。散射光线1射到样品的下表面时与样品的法线形成一个夹角i。i小于临界全反射角时，入射光线被分为反射光和透射光两部分，由于反射光比较弱，因此很难再激发荧光粉发光；i等于或大于全反射角时，发生全反射，反射光的能量基本上没有被削弱，由于荧光粉薄膜和样品之间没有空气间隙且薄膜折射率比空气大，所以薄膜能够接收到反射光并受激发光形成光环；这些反射光一直都在样品中传播，因此我们可以在薄膜上观察到一系列同心圆光环。

本发明突破了传统的用可见光来测量介质折射率的局限，激光波长可选择范围广（254～1060nm），被测介质折射率范围广而且能够测量不透明平板介质的折射率。对于透明平板介质折射率的测量特别方便，取材简单，只需要一支激光笔、一个凸透镜再加一些粉笔灰即可。实验过程简单，易于操作，测量精度高，特别适合于学生课堂光学实验演示，对于工程测量也有一定的现实意义。

附图说明

图1是本发明之光线路径图；

图2是本发明之实验现象图；

图3是本发明正视看到的光环示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法作进一步说明。

实施例1

采用本发明方法,选择可见光来测量厚度为1mm的透明K9玻璃片的折射率。

（1）将0.3g粉笔灰溶于10ml无水乙醇，所述粉笔灰与无水乙醇的质量体积比为3g/100ml，振荡15min，制得粉笔灰悬浮液；

（2）再将所制得粉笔灰悬浮液旋涂到K9玻璃片表面，旋涂5层，直到用肉眼可以在玻璃片上清晰的看到粉尘薄膜，制成涂膜玻璃片；

（3）把涂有粉尘薄膜的玻璃片置于透镜焦点处，使粉尘薄膜面正对透镜，打开激光，使激光通过透镜聚焦到涂有粉尘薄膜的玻璃片上，在粉尘薄膜上能够看到清晰的光环；

（4）测得相邻光环内半径之差为；

（5）代入公式，计算得被测K9玻璃折射率为1.519。

现有技术：用显微镜法测得该样品的折射率为1.517，相对误差为-0.0013，与实验结果相符。

实施例2

采用本发明方法，选择波长为980nm的红外光来测量厚度为3mm的多晶硅（灰色不透明）的折射率。将实施例1中的粉笔灰换成红外荧光粉，有机溶剂无水乙醇换为丙酮，其余步骤一样。测得第一个光环的内半径；代入公式，计算得被测多晶硅的折射率为3.481。

现有技术：使用红外干涉仪测得该样品的折射率为3.485，与实验结果相符。

实施例3

采用本发明方法，选择波长为320nm的紫外光来测量厚度为1mm的可见波段不透明紫外波段透明塑料片的折射率。将实施例1中的粉笔灰换成紫外激发荧光粉，有机溶剂无水乙醇换为甲苯，其余步骤不变。结果测得;代入公式，计算得被测塑料片折射率为1.667。

对照例1

采用本发明方法来测量2cm厚可见波段透明塑料片的折射率，结果在薄膜上没有出现想象中的光环。原因是介质过厚导致反射光在塑料片中受损较大以及薄膜上接收到的第一个反射光环更为分散，因此很难再直接观察到。本发明只适于1～10mm厚的被测样品。

Claims

1.一种测量介质折射率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据波长选择合适的荧光粉，再将荧光粉与有机溶剂混合，所述荧光粉与有机溶剂的质量体积比为1～5g/100ml，振荡10～30min，制得荧光粉悬浮液；

在紫外波段选择紫外激发荧光粉；红外波段选择红外激发荧光粉；可见波段选择普通荧光粉；

(2)将步骤(1)所制得的荧光粉悬浮液涂到1～10mm厚的被测样品表面，涂荧光粉悬浮液前测出样品的厚度h，直到用肉眼可以在介质表面清晰的看到雾状粉尘薄膜，制成涂膜样品；

(3)将涂膜样品置于透镜焦点处，使涂有薄膜的面正对透镜，打开激光器，使激光通过透镜聚焦到涂有薄膜的待测样品上，就能在薄膜上观察到一系列的同心圆光环；

(4)测出步骤(3)中第一个内侧光环的内半径或相邻光环内半径之差记为d；

(5)根据上述测量结果代入公式即可计算出被测样品的折射率n；

式中h和d的单位相同。

2.根据权利要求1所述的测量介质折射率的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机溶剂为无水乙醇、丙酮、甲苯。

3.根据权利要求1或2所述的测量介质折射率的方法，其特征在于，步骤(1)中，可见波段选择的普通荧光粉用粉笔灰替代。

4.根据权利要求1或2所述的测量介质折射率的方法，其特征在于，步骤(2)中，涂荧光粉悬浮液的方式为旋涂、滴定或喷洒。

5.根据权利要求4所述的测量介质折射率的方法，其特征在于，采用旋涂时，旋涂3～15层。