CN1077533A - 干涉法折射率测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用干涉法测定光学透明材料 特别是高折射率材料和各向异性晶体的折射率绝对 值的光学仪器，它对待测样品形状的要求仅是有一对 平行的通光平面，它对待测折射率的范围无限制。它 的干涉仪由于使用同光路干涉模式，因而有极好的稳 定性。由于使用了计算机它工作完全是自动化的。 它测折射率的精度可达1×10^-5。它无需改造便可用 来测定连续激光的波长。它测波长的精度可达5× 10^-10cm。

Description

本发明涉及一种光学透明材料折率测定仪器，它适用于测定一切光学透明材料的折射率的绝对值，特别是各向异性的晶体或折射率大于1.8的高折射率材料的折射率，而对待测样品的要求仅需一对平行通光平面。精度可达1×10^-5。目前测定折射率的仪器有：1.阿贝折射率仪-它的缺点是精度不太高，约为1×10^-3～10^-4，以及由于测量时需要折射率匹配液因而不可能测n＞1.8材料的折射率;2.V棱镜折射率仪，它的精度较高-达1×10^-5，但同样由于测量时需要匹配液也不能测n＞1.8材料的折射率，而且它还要求待测样品有一对互相垂直的通光面。3.最小偏向角法折射率仪-它对待测样品折射率范围无限制，测量精度也很高-达1×10^-6，但它的缺点是要把待测样品磨成棱镜，这是既麻烦又费钱的事，因为这往往就破坏了材料的使用形状，为了测定材料折射率就要牺牲一块同样折射率的同类材料，这对某些晶体来说代价是很高的：如钛酸钡单晶，一块5×5×5毫米³加工后的单晶价格是3000美元（中国科学院物理研究所目前的价格）。它还要求精密测定样品的顶角，比较麻烦。其它还有一些干涉法测折射率的仪器，但在本发明以前只有测气体的干涉法折射率仪是能测定折射率绝对值的，而测量固体折射率的干涉法折射率测定仪都仅是测量材料折射率的区域不均匀性，即测的是各处折射率的差值△n而不能测它们的折射率绝对值。

运用本发明对材料进行折射率绝对值测定的任务是按下述方式完成的：它运用了一个用同光路干涉模式工作因而有良好防震性能的干涉仪，将具有一对平行通光平面的待测样品置于干涉仪光路的一臂中，将样品从与光线垂直位置算起转动一个精密测定的转角θ，转轴与通光平面平行，与光线垂直，并精密测定在样品转动过程中干涉条纹的移动数K，从而通过已知的样品厚度t及干涉仪工作所用的单色相干光的波长λ利用下式：

$\mathrm{n=}\frac{{\mathrm{［2t}}^2{\mathrm{(1-COS\; \theta \; )-K\lambda t(1-COS\theta )+1/4K}}^2{\lambda }^2］}{{\mathrm{［2t}}^2\mathrm{(1-COS\; \theta \; )-K\lambda t\; ］}}$

算出待测的材料折射率n。

上述的同光路干涉模式工作的干涉仪是一台改进了的迈克尔逊干涉仪，其改进之处就是将原来互相垂直的二干涉光路通过一个与分束器做在一起的一块45°全反射棱镜而变成相互平行，这二路平行光又通过一块可以微调的反射镜-而不是像经典的迈克尔逊干涉仪通过二块互相垂直的反光镜反射回来进行干涉，从而形成十分稳定的干涉条纹。

当本发明用于测定各向异性的晶体的折率时所用的光为线偏振相干光，并且有一装置-例如半波片-可以改变其偏振方向。

在本发明所规定的干涉仪中在其光路的一臂中还置有一个光程补偿器，其目的是让干涉仪的二臂光程差尽可能地减小。

下面将结合实施例对本发明作进一步的详细描述。附图是一个实施例的非限定型结构图，现说明如下：

它采用带有布儒斯特窗口的小型半内腔氦氖激光器La作光源，因而输出的是线偏振的波长为632.84nm激光（相干光）。通过反射镜M₁，M₂，小孔光栏H₁，H₂及半波片λ/2进入分束器BS，这时光束分为平行的二束，一束射向补偿器G经M₄原路返回，另一束通过装在转台R上的样品S射向反射镜M₃原路返回。补偿器由有二个平行通光平面的玻璃柱构成。转台由马达M通过变速器、蜗轮蜗杆系统带动转动。M₃，M₄装在同一块基板上，各自可以微调，当微调完毕M₃，M₄相当于一块反射镜。由M₃，M₄反射回来的光又各自分别经过样品S及补偿器G进入分束器BS，然后成一个微小的角度射向柱面透镜Le，两束光被柱面镜Le所发散射向屏T进行干涉，形成干涉条纹。在屏T上开有一个很窄的狭缝，干涉条纹中的一小部分光通过狭缝射向装在狭缝后的硅光电池探测器D₁上转换成电信号进入放大器A₁，再进入计算机C。马达的转动由计算机C控制。另外本装置还有一个对样品S的转角θ进行精密测定的测角部件D₂，它的测角电信号通过放大器A₂进入计算机C。当样品S转动时，在屏T上的干涉条纹就会移动，探测器D₁就会产生忽大忽小的电信号从而读得干涉条纹的移动数K，K的小数点部份是由计算机对条纹信号处理而获得。样品S的厚度t预先测定。这样把t，λ，θ，K的数据都输入计算机C后计算机根据公式（1）马上算出材料的折射率n。当待测样品是单轴晶体时将晶体的光轴与转台R的转轴平行-即垂直于纸面。当调节半波片λ/2让光线的电矢量振动方向也垂直纸面时测得的折射率便是n_e，当调节半波片λ/2让光线的电矢量振动方向平行于纸面时测得的折射率便是n_o。计算结果由计算机输出信号给打印机P打印出来。

本装置无需作任何改动，只要让待测波长的连续激光：例如来自可调谐染料激光器的激光或是半导体激光器的激光（它往往没有固定的波长-它的波长随着激光器工作电流和温度的大小而变化）代替氦氖激光器的激光射向M₁，经过H₁、H₂……进入干涉仪，转动一个已知厚度t及折射率为n的样品S，测得转角θ及干涉条纹移动数K代入公式（1）就可立即由计算机C算出波长λ来。这个装置测得波长的精度可达5×10^-10cm。而本发明的装置比同精度的单色仪要便宜得多也轻巧得多。

Claims (6)

1、一种用光学干涉方法测定透明材料折射率绝对值的光学测量方法，其特征在于运用一个用同光路干涉模式工作的干涉仪，将具有一对平行通光平面的待测样品置于干涉仪光路的一臂中，将样品从与光线垂直位置算起转动一个精密测定的转角θ，并精密测定在样品转过θ角过程中干涉条纹的移动数K，从而通过已知的样品厚度t及干涉仪工作所用的单色相干光的波长λ，利用下式

$\mathrm{N=}\frac{{\mathrm{［2t}}^2{\mathrm{(1-COS\; \theta \; )-K\lambda t(1-COS\theta )+1/4K}}^2{\lambda }^2］}{{\mathrm{［2t}}^2\mathrm{(1-COS\; \theta \; )-K\lambda t\; ］}}$

算出待测的材料折射率n。

2、根据权利要求1的方法进行透明材料折射率测定的装置，其特征在于所述装置主要是由一个运用同光路干涉模式设计制成的干涉仪以及能够精密测量在其光路的一臂中放置在样品转台上的具有一对平行通光平面的待测样品转动角度的测角部件和精密测量由于样品转动而造成的干涉条纹移动的移动数的部件所构成。

3、如权利要求2所述的装置，其特征在于同光路干涉模式干涉仪是一台改进了的迈克尔逊干涉仪，其改进之处就是将原来互相垂直的二干涉光路通过一个与分束器做在一起的一块45°全反射棱镜而变成相互平行，这二路平行光又通过一块可以微调的反射镜-而不是像经典的迈克尔逊干涉仪通过二块互相垂直的反光镜-反射回来进行干涉，从而形成十分稳定的干涉条纹。

4、如权利要求2所述的装置，其特征在于在干涉仪的一臂中置有一个光程补偿器，其目的是让干涉仪的二臂光程相差尽可能地减小。

5、如权利要求2年述的装置，其特征在于当发明用于测定各向异性的晶体折射率时所用的光为可以改变偏振方向的线偏振相干光。

6、根据权利要求2所述的装置的另一种用途：测量连续激光如染料激光器的激光或半导体激光器的激光的波长，其特征在于在样品转台上放置一块已知厚度t及已知折射率n的具有一对平行通光平面的透明材料，转动样品一个θ角，测定干涉条纹移动数K，将t，n，k，θ代入权利要求1中的同一公式中，就能方便的求出激光波长λ。

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