CN104568838A - 基于全内反射法的宽光谱范围物质色散的自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够测量宽光谱范围物质色散的装置。本发明是利用计算机控制步进电机转动丝杠，带动一端固定在丝杠上的牵引臂，使其牵引与牵引臂的另一端相连的入射臂，从而改变入射臂上的细准直宽带平行入射光在柱棱镜——样品面的入射角，另一个牵引臂牵引与其相连的出射臂，使出射臂上的光谱仪的光纤探头实时测量当前入射角下由样品——柱棱镜面的反射光谱强度，再根据导数全内反射法确定全反射临界角，计算并得到每个波长下样品的折射率，组成色散曲线。优点在于测量只需要进行单次一系列角度下的光谱测量，就能够计算得到宽光谱范围待测物质的色散，具有结构简单，精度高，并且自动化的特点。本发明提供的装置方法具有很强的实用性。

Description

基于全内反射法的宽光谱范围物质色散的自动测量装置

技术领域

本发明涉及一种物质折射率的测定装置，特别涉及一种基于全内反射原理测量宽光谱范围物质色散的装置。

背景技术

折射率是物质的重要光学性质，反映了物质与光波的相互作用关系。宽光谱范围的物质折射率是物质的色散，其反映了不同波长光与物质的作用关系。物质的色散在光学仪器、生物组织光学等科研与应用领域有着重要作用。而且测量物质的色散也是光学研究的重要内容之一。目前，宽光谱范围的物质色散的测量方法主要通过单色仪将光源实现单色化，再通过测量此波长下样品的折射率，最后统一波长与折射率作为色散结果，或者利用样品本身的色散性质，将样品制作成棱镜的形状等等，但整个测量过程较繁琐。迄今为止，还没有一种不通过将连续谱光源单色化，并利用全内反射法原理测量宽光谱范围物质色散的简便方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够测量宽光谱范围物质色散的装置。本发明是利用计算机控制步进电机转动丝杠，带动一端固定在丝杠上的牵引臂，使其牵引与牵引臂的另一端相连的入射臂，从而改变入射臂上的细准直宽带平行入射光在柱棱镜——样品面的入射角，另一个牵引臂牵引与其相连的出射臂，使出射臂上的光谱仪的光纤探头实时测量当前入射角下由样品——柱棱镜面的反射光谱强度，再根据导数全内反射法确定全反射临界角，计算并得到每个波长下样品的折射率，最后统一波长与折射率组成色散曲线。

本发明的基于全内反射法的宽光谱范围物质色散自动测量装置包括：1个步进电机，1个丝杠，2个牵引臂，2个被牵引臂(a，b)，1个细准直宽带平行光源，2个柱棱镜，1个光纤光谱仪，光杆若干，计算机。其特征在于：利用柱棱镜的对称性能，当光沿着柱棱镜的半径入射时，棱镜内反射光与入射光以底边中点处的法线为对称轴对称，棱镜外的入射光同出射光也以此法线对称，所以根据空间对称的特点，接收反射光的光纤光谱仪探头与光源入射光以此法线对称地改变角度时，探测光纤能实时接收细准直宽带平行入射光在样品面的反射光，通过此对称的机械结构，计算机可同时控制入射角并保证光谱仪采集对应反射光的光谱强度，利用导数全内反射法计算出物质各个波长下的折射率，最后统一波长与折射率得到色散结果。

本发明的测量方法包括如下步骤：

第一步：打开光源，计算机，光纤光谱仪等仪器，将样品贴合在柱棱镜底边，液态样品使用槽，固态样品使用匹配液。

第二步：开始测量，记录不同入射角度下的反射光谱。

第三步：对入射角度——光谱数据分析，利用导数全内反射法确定全反射临界角。

第四步：根据全反射原理计算不同波长下的样品折射率，得到色散曲线。

本发明的有益效果是：

本发明利用了光学元件以及机械结构的对称性以及全内反射法的原理。测量只需要进行单次一系列角度下的光谱测量，就能够计算得到宽光谱范围待测物质的色散，具有结构简单，精度高，并且自动化的特点。本发明提供的装置方法具有很强的实用性。

附图说明

图1是本方法的光路结构示意图。

图2是宽光谱(400nm——750nm)水的色散曲线。

图3是630nm波长下水样品的角度——光谱强度曲线。

图4是630nm波长下水样品角度——光谱强度曲线的导数曲线。

具体实施方式

下面结合附图说明一下具体的实施方法：

图1是本方法所使用的实验装置以及光路示意图，图中：1是步进电机，用于通过机械结构改变入射角；2是丝杠：3是牵引臂；4是被牵引臂(4a入射臂，4b出射臂)，放置光源以及探测器等；5是细准直宽带平行光源：6是柱棱镜；7是光谱仪的光纤探头，采集出射光的光谱；8是待测样品；9是计算机，用于控制步进电机和光谱仪以及对数据进行处理。

本方法的具体实施步骤如下：

第一步：细准直宽带平行光源5发出光，入射到柱棱镜6与待测样品8的交界面，反射光出射并由光谱仪探头7采集，由计算机9记录当前入射角度以及反射光谱。

第二步：步进电机1转动，带动牵引臂3移动，从而改变被牵引臂4的角度，也就是改变入射光的入射角度，光谱仪7记录此时的光谱。

第三步：根据臂长的几何关系计算入射角，再根据光谱数据，提取出的单波长下光谱强度与入射角对应的曲线，如图3是630nm波长下水样品的角度——光谱强度曲线。对入射角——光谱强度曲线求导，如图4是630nm波长下水样品角度——光谱强度曲线的导数曲线，导数最大值所对应的入射角度就是此波长下待测样品的全反射临界角。

第四步：利用反全射原理依次求出各个光谱下待测样品的折射率，组成色散曲线。

数据处理方法：

入射角度的计算过程：如图1，牵引臂长h，被牵引臂长j，牵引臂交点A到被牵引臂交代B长为s，s由步进电机控制。被牵引臂同丝杠的夹角α可由s，h，j组成的三角形通过余弦定理计算得到

α=cos(s²+j²-h²)/(2*s*j)             (1)

单一波长下每个角度的反射光谱强度组成角度——光谱强度曲线，如图3是630nm波长下水样品的角度——光谱强度曲线，求导后得到的导数极大值所对应的入射角便是此波长下的全反射临界角α_c，如图4是630nm波长下水样品角度——光谱强度曲线的导数曲线。由全反射定理计算折射率：

n_样品=n_棱镜*sin(α_c)                    (2)

其中n_棱镜是当前波长下的棱镜折射率，n_样品是待测样品折射率。

分别求出每个波长下的样品折射率，组成色散曲线，如图2是宽光谱(400nm——750nm)水的色散曲线。

Claims (1)

1.本发明的基于全内反射法的宽光谱范围物质色散自动测量装置包括：1个步进电机，1个丝杠，2个牵引臂，2个被牵引臂(a，b)，1个细准直宽带平行光源，2个柱棱镜，1个光纤光谱仪，光杆若干，计算机。其特征在于：利用柱棱镜的对称性能，当光沿着柱棱镜的半径入射时，棱镜内反射光与入射光以底边中点处的法线为对称轴对称，棱镜外的入射光同出射光也以此法线对称，所以根据空间对称的特点，接收反射光的光纤光谱仪探头与光源入射光以此法线对称地改变角度时，探测光纤能实时接收细准直宽带平行入射光在样品面的反射光，通过此对称的机械结构，计算机可同时控制入射角并保证光谱仪采集对应反射光的光谱强度，利用导数全内反射法计算出物质各个波长下的折射率，最后统一波长与折射率得到色散结果。