CN104535535A - 一种基于自混合干涉的折射率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自混合干涉的折射率测量装置，包括激光光源、位移台、反射镜、信号处理单元及数据处理单元，所述位移台上装载有被测样品，所述激光光源、被测样品及反射镜依次光路连接，所述信号处理单元的输入端与所述激光光源相连，其输出端与所述数据处理单元。本发明还公开了一种基于自混合干涉的折射率测量方法。本发明无需传统激光干涉仪的分束器和参考镜等辅助光学元件，结构简单紧凑，成本低廉，装置易准直，适用范围广。

Description

一种基于自混合干涉的折射率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种基于自混合干涉的折射率测量装置及方法。

背景技术

目前，人们对光学玻璃材料的折射率测量做了大量工作，提出了很多有意义的测量方法。测量光学玻璃材料折射率的方法主要分测角法和干涉法两大类。测角法有最小偏向角法、直角照准法、自准直法和V棱镜折射仪法等；干涉法分为F-P(法布里-珀罗干涉仪)干涉法和浸液法等。光学玻璃材料折射率测量精度达到10^-6的是最小偏向角法、直角照准法和F-P干涉法。F-P干涉法要求两个内表面须精确到和理想几何平面偏差在1/20到1/100波长，两个内表面应严格平行，样品面形精度也要求较高。直角照准法在精度1″的测角仪上可得到3×10^-6的测量精度，但对光管的光束平行性要求非常高，对折射率大于1.86的光学材料，因全反射而无法测量。最小偏向角法测量精度一般在10^-5，若折射率测量精度要达到10^-6，需在精度1″的大型精密测角仪进行测量，并对温度和压力进行校正。

上述几种测量方法大多要求复杂精密的光学部分，这对于一些想要通过简单测量获得较高精度(10^-4～10^-5)应用场合并不适宜。同时被测物本身是配合物，或者配合度要求高，这对普通透明(对某些波段)固体提出了加工要求以及精度要求。

基于外部反馈光效应的激光自混合干涉技术是近几年来兴起的一种具有很高应用价值的新型干涉计量技术，该技术利用部分反射光重新耦合入激光器谐振腔时，调制激光器输出功率以及输出频率的特性，实现对外腔光程变化的感知，由于系统固有的结构简单、测量精度高、易于准直的显著优点，解决了传统干涉测量技术系统复杂、敏感于准直等问题，在很多场合可以代替传统干涉仪。

激光自混合干涉原理如图1所示，干涉系统由半导体激光器和外部反射体组成。激光器出射的激光被外部反射体反射或散射后，一部分光又返回激光器的谐振腔，并通过改变谐振腔内的载流子密度造成激光介质折射率发生变化进而调制激光器本身的频率和强度。

如图1所示，腔镜A与腔镜B之间构成内腔，腔镜B与外部反射体M之间构成外腔，r₁、r₂分别为激光器谐振腔的振幅反射系数,r₃为外部反射体M的振幅反射系数，n_c为激光器有效层材料复折射率，d为激光器谐振腔长度，L为外腔长度。设初始状态下，腔镜A处存在光波

其中，E为光波幅值，ω为光波角频率，初相位取光传播方向向右。该列光波分两路：一路经腔镜B反射，在内腔中往返一周；另一路透过腔镜B经外部反射体M反射后，又祸合至内腔回到腔镜A处，最终与腔镜A处的光波叠加。

当激光系统稳定时，叠加后的光波应与初始波相同，因此有:

$E{e}^{\mathrm{j\ωt}}=r_1{r}_2{e}^{-\mathrm{j\ω}\frac{2\mathrm{\ηd}}{c}}{e}^{(g-\mathrm{\γ})d}E{e}^{\mathrm{j\ωt}}+r_1(1-{\left|r_2\right|}^2)r_3{e}^{-\mathrm{j\ω}\frac{2\mathrm{\ηd}+2L}{c}}{e}^{(g-\mathrm{\γ})d}E{e}^{\mathrm{j\ωt}}---\left(1\right)$

式(1)中，(1-|r₂|²)为正反穿过腔镜B端面的两次透射率乘积，ω·2ηd/c为激光在内腔往返一周的相位延迟，ω·(2ηd+2L)/c为激光通过外腔往返一周的相位延迟。由于激光器阈值增益被反馈光调制，激光输出功率比例于激光阈值增益，因此激光的输出功率被反馈光调制，输出的光功率如式(2)所表达：

I＝I₀[1+mcos(2πvτ_L)]            (2)

式(2)中，调制系数m在工作电流一定时为比例于反馈强度的常数，τ_L＝2L/c为激光在外腔传播一周的延迟时间，I₀为激光器没有外腔反馈时的激光强度。通过式(2)可以看出激光器的输出强度与激光器外腔光程的变化相关。

但迄今为止，这种基于激光自混合干涉的移动测量方式并没有在折射率测量领域中进行应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自混合干涉的折射率测量装置，其结构简单紧凑，成本低廉，适用范围广；本发明同时提供了一种基于自混合干涉的折射率测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于自混合干涉的折射率测量装置，包括激光光源、位移台、反射镜、信号处理单元及数据处理单元，所述位移台上装载有被测样品，所述激光光源、被测样品及反射镜依次光路连接，所述信号处理单元的输入端与所述激光光源相连，其输出端与所述数据处理单元。

优选地，所述激光光源采用半导体激光器，其上集成设置有光电二极管，所述光电二极管用于监测所述半导体激光器的光功率。

优选地，所述信号处理单元包括电流电压转换电路、隔直电路及滤波放大电路，所述电流电压转换电路的输入端连接所述光电二极管的输出端，所述隔直电路的输入端连接所述电流电压转换电路的输出端，其输出端连接所述滤波放大电路的输出端。

优选地，所述电流电压转换电路采用取样电阻、三极管或积分电路。

优选地，所述数据处理单元包括数据采集卡及计算机，所述数据采集卡连接所述信号处理单元的输出端，并与所述计算机进行通信，所述计算机用于存储所述信号处理单元发出的数据并进行分析处理。

优选地，所述激光光源、被测样品及反射镜同光轴依次设置。

优选地，所述位移台为带示数的手动平移台或可读数的位移台。

一种基于自混合干涉的折射率测量方法，包括以下步骤：

S1、准备被测样品，保证该被测样品的两个透射面具有共垂面并形成一夹角，并对该夹角的角度进行测量；

S2、将被测样品放置在位移台上，保证被测样品的一个透光面垂直于位移台的工作台面且垂直于激光光源的光轴；

S3、开启激光光源，调节反光镜使被反光镜反射的激光能够返回到激光光源，并测量反光镜与被测样品的透射面的夹角；

S4、启动数据采集卡，沿激光光源的光轴方向移动位移台并记录位移台的位移距离，光电二极管产生的电流信号经过信号处理单元处理后传输给数据采集卡，并通过数据采集卡发送给计算机进行存储；

S5、计算机对数据进行分析处理，计算出被测样品的折射率。

优选地，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、对数据进行重采样、滤波、归一化幅值，然后计数条纹数量；

S52、建立折射率求取模型：

$n={(\frac{\mathrm{\λN}}{2d\sin \mathrm{\α}}+\cos \mathrm{\β})}^2+\mathrm{si}{n}^2\mathrm{\β}$

其中，n为被测样品的折射率，λ为激光波长，N为条纹数量，d为位移距离，ɑ为被测样品的两个透射面的夹角，β为反光镜与被测样品的透射面的夹角；

S53、将λ、N、d、ɑ、β的值代入折射率求取模型，计算出被测样品的折射率n。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

1.本发明无需传统激光干涉仪的分束器和参考镜等辅助光学元件，结构简单紧凑，成本低廉，装置易准直。

2.对被测物的配合度要求低，可测物品及其折射率范围大，适用范围广。

3.测量方式简易，整体设计可以集成，易于实现产业化应用。

附图说明

图1为激光自混合干涉技术的原理图。

图2为本发明折射率测量装置的结构示意图。

图3为本发明折射率测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在对实施例进行描述之前，首先对本发明的基本原理进行说明。本发明是基于激光的自混合干涉原理进行设计的，当被测样品发生位移，携带外腔光程变化信号的反射光将影响内腔，使激光功率发生扰动，即光功率敏感于外腔光程变化，其敏感精度为半个波长。

实施例一

请参阅图2，本发明公开了一种基于自混合干涉的折射率测量装置，包括激光光源1、位移台2、反射镜3、信号处理单元4及数据处理单元5，其中：

激光光源1采用半导体激光器，其上集成设置有光电二极管，光电二极管用于监测半导体激光器的光功率。当然，激光光源1也可采用其他带有光功率监测功能的激光器，本发明不做具体限制。

位移台2采用带示数的手动平移台或可读数的位移台，被测样品D放置在位移台2上。

参考图2所示，反射镜3用于对激光进行反射，使激光返回到激光光源1。激光光源1、被测样品D及反射镜3依次光路连接，在本实施例中，激光光源1、被测样品D及反射镜3同光轴依次设置。

信号处理单元4包括电流电压转换电路41、隔直电路42及滤波放大电路43，其中：

电流电压转换电路41的输入端连接光电二极管的输出端，电流电压转换电路41可采用取样电阻、三极管或积分电路，在本实施例中，电流电压转换电路41采用积分电路，光电二极管输出的电流信号通过积分电路转换成电压信号。

隔直电路42的输入端连接电流电压转换电路41的输出端，其输出端连接滤波放大电路43的输出端。

本领域技术人员应该理解的是，当激光光源1采用上述的其他带有光功率监测功能的激光器时，信号处理单元4的结构也需要做相应的调整，以满足对光功率信号的处理要求。

数据处理单元5包括数据采集卡51及计算机52，数据采集卡51连接信号处理单元4的输出端，并与计算机52进行通信，计算机52用于存储信号处理单元4发出的数据并进行分析处理。

实施例二

配合图2和图3所示，本发明公开了一种基于自混合干涉的折射率测量方法，该方法采用实施例一的基于自混合干涉的折射率测量装置，具体通过以下步骤实现：

S1、准备被测样品D，保证该被测样品D的两个透射面具有共垂面并形成一夹角，并对该夹角的角度进行测量。被测样品D可以为大多数的透明规则固体，夹角与折射率的测量限制为是否能够透射，即不会发生全反射，当被测样品D允许加工时，则无夹角与折射率测量限制。被测样品D也可以是盛装在楔形槽中的溶液。

S2、将被测样品D放置在位移台2上，保证被测样品D的一个透光面垂直于位移台2的工作台面且垂直于激光光源1的光轴。

S3、开启激光光源1，调节反光镜使被反光镜反射的激光能够返回到激光光源1，并测量反光镜与被测样品D的透射面的夹角。

S4、启动数据采集卡51，沿激光光源1的光轴方向移动位移台2并记录位移台2的位移距离，光电二极管产生的电流信号经过信号处理单元4处理后传输给数据采集卡51，并通过数据采集卡51发送给计算机52进行存储。这样当移动位移台2时，就可以在计算机52上看到观测波形，每个波形代表半个波长光程的变化。

S5、计算机52对数据进行分析处理，计算出被测样品D的折射率。该步骤具体通过以下分步骤实现：

S51、对数据进行重采样、滤波、归一化幅值，然后计数条纹数量。计数条纹数量时，可以先通过极值计数获得粗侧条纹数，然后通过对获得的初值和终值分析处理获得条纹数的小数位，最终获得精确的条纹数量。

S52、建立折射率求取模型：

$n={(\frac{\mathrm{\λN}}{2d\sin \mathrm{\α}}+\cos \mathrm{\β})}^2+\mathrm{si}{n}^2\mathrm{\β}$

其中，n为被测样品D的折射率，λ为激光波长，N为条纹数量，d为位移距离，ɑ为被测样品D的两个透射面的夹角，β为反光镜与被测样品D的透射面的夹角；

S53、将λ、N、d、ɑ、β的值代入折射率求取模型，计算出被测样品D的折射率n。

为了验证本发明的可行性，选取K9直角棱镜(已知其折射率为1.5163)作为被测样品D，采用本发明的测量方法进行折射率测量，具体如下：

激光光源1采用恒流源驱动，工作于阈值附近，其中心波长λ为654nm；K9直角棱镜的两个透射面的夹角ɑ为45°。

测量过程中，反光镜与K9直角棱镜的透射面的夹角β为32°，位移距离d为0.141mm，计数条纹数量N为174.5764。

将以上λ、N、d、ɑ、β的值带入下式：

$n={(\frac{\mathrm{\λN}}{2d\sin \mathrm{\α}}+\cos {\mathrm{\θ}}_4)}^2+\mathrm{si}{n}^2{\mathrm{\θ}}_4$

最终计算出折射率n为1.5162，与K9直角棱镜的已知折射率1.5163相比，误差为0.0001，从而可以得出本发明的测量方法是可行的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于自混合干涉的折射率测量装置，其特征在于：包括激光光源、位移台、反射镜、信号处理单元及数据处理单元，所述位移台上装载有被测样品，所述激光光源、被测样品及反射镜依次光路连接，所述信号处理单元的输入端与所述激光光源相连，其输出端与所述数据处理单元。

2.如权利要求1所述的一种基于自混合干涉的折射率测量装置，其特征在于：所述激光光源采用半导体激光器，其上集成设置有光电二极管，所述光电二极管用于监测所述半导体激光器的光功率。

3.如权利要求2所述的一种基于自混合干涉的折射率测量装置，其特征在于：所述信号处理单元包括电流电压转换电路、隔直电路及滤波放大电路，所述电流电压转换电路的输入端连接所述光电二极管的输出端，所述隔直电路的输入端连接所述电流电压转换电路的输出端，其输出端连接所述滤波放大电路的输出端。

4.如权利要求3所述的一种基于自混合干涉的折射率测量装置，其特征在于：所述电流电压转换电路采用取样电阻、三极管或积分电路。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种基于自混合干涉的折射率测量装置，其特征在于：所述数据处理单元包括数据采集卡及计算机，所述数据采集卡连接所述信号处理单元的输出端，并与所述计算机进行通信，所述计算机用于存储所述信号处理单元发出的数据并进行分析处理。

6.如权利要求1所述的一种基于自混合干涉的折射率测量装置，其特征在于：所述激光光源、被测样品及反射镜同光轴依次设置。

7.如权利要求6所述的一种基于自混合干涉的折射率测量装置，其特征在于：所述位移台为带示数的手动平移台或可读数的位移台。

8.一种基于自混合干涉的折射率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、准备被测样品，保证该被测样品的两个透射面具有共垂面并形成一夹角，并对该夹角的角度进行测量；

S2、将被测样品放置在位移台上，保证被测样品的一个透光面垂直于位移台的工作台面且垂直于激光光源的光轴；

S3、开启激光光源，调节反光镜使被反光镜反射的激光能够返回到激光光源，并测量反光镜与被测样品的透射面的夹角；

S4、启动数据采集卡，沿激光光源的光轴方向移动位移台并记录位移台的位移距离，光电二极管产生的电流信号经过信号处理单元处理后传输给数据采集卡，并通过数据采集卡发送给计算机进行存储；

S5、计算机对数据进行分析处理，计算出被测样品的折射率。

9.如权利要求8所述的一种基于自混合干涉的折射率测量方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、对数据进行重采样、滤波、归一化幅值，然后计数条纹数量；

S52、建立折射率求取模型：

$n={(\frac{\mathrm{\λN}}{2d\sin \mathrm{\α}}+\cos \mathrm{\β})}^2+{\sin }^2\mathrm{\β}$

其中，n为被测样品的折射率，λ为激光波长，N为条纹数量，d为位移距离，ɑ为被测样品的两个透射面的夹角，β为反光镜与被测样品的透射面的夹角；

S53、将λ、N、d、ɑ、β的值代入折射率求取模型，计算出被测样品的折射率n。