CN111829959A - 一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提出了一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法及系统，涉及光学特性测量技术领域，解决了立式测量无法应用于流动性液体、现有测量方法忽略了比色皿的影响以及应用波段较为局限等问题。技术方案为：基于特定波长下测量得到椭偏参数并计算该波长下待测液体的折射率和吸收指数；绘制吸收指数随波长变化的对数曲线，截取吸收指数噪声较大的弱吸收波段；测量弱吸收波段内多种液体层厚度的垂直入射光谱透射率；对弱吸收波段内的每个测量波长，对比测量得到的透射率，选择液体层厚度和目标透射率；对于所截取的弱吸收波段，基于每个波长下选定的液体层厚度、目标透射率、椭偏法计算得到的折射率，获得弱吸收波段待测液体的吸收指数。

Description

一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法及系统
技术领域
本公开属于光学特性测量技术领域，尤其涉及一种基于椭偏/透射联合准确测量紫外-可见光-红外波段液体光学常数的方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
液体的光学常数包括折射率和吸收指数。由于液体光学常数是光-热辐射理论研究及应用领域中尤为关键的基础物性参数，目前已发展了多种测量方法，包括：衰减全反射法、透射法和椭圆偏振光谱法等。
为了同时获得液体的折射率和吸收指数，衰减全反射法及透射法的结果后处理需要借助Kramers-Kronig(K-K)关系，但K-K关系的使用需要已知液体的高频折射率，且测量波段需要足够宽。
椭偏法通过测量偏振光经样品表面反射或样品透射后偏振状态的改变来获得样品光学常数的方法。由于操作简单，测量精度高，椭偏法被广泛应用。
此外，椭偏法适用于液体吸收较强的情况，透射法则适用于吸收较弱波段的测量。
综上所述，常用的液体光学常数测量方法虽多，但每种方法的应用均存在诸多限制条件，液体由于其可流动性而无法实现立式测量，同时椭偏法无法准确测量弱吸收波段液体的吸收指数，以及透射法的应用需借助K-K关系等问题，将各种方法联合起来是液体光学常数测量方法发展的主流趋势。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于椭偏/透射联合准确测量紫外-可见光-红外波段液体光学常数的方法，将多种方法相结合、推导更精确的计算模型以得到紫外-可见光-红外波段液体的光学常数。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一方面，公开了一种基于椭偏/透射联合准确测量紫外-可见光-红外波段液体光学常数的方法，包括：
基于特定波长下测量得到椭偏参数并计算该波长下待测液体的折射率和吸收指数；
绘制吸收指数随波长变化的对数曲线，截取吸收指数噪声较大的弱吸收波段；
测量弱吸收波段内多种液体层厚度的垂直入射光谱透射率；
对弱吸收波段内的每个测量波长，对比测量得到的透射率，选择液体层厚度和目标透射率；
对于所截取的弱吸收波段，基于每个波长下选定的液体层厚度、目标透射率、椭偏法计算得到的折射率，获得弱吸收波段待测液体的吸收指数。
进一步的技术方案，考虑光学棱镜表面和光学棱镜/液体界面间多次反射作用，建立椭偏参数计算模型，基于该模型，根据测量得到的椭偏参数计算该波长下待测液体的折射率和吸收指数。
进一步的技术方案，测量得到的椭偏参数为一束45度线偏振光从环境垂直入射到光学棱镜表面时的椭偏参数。
进一步的技术方案，所述椭偏参数包括待测液体对p偏振和s偏振光反射的振幅比及待测液体对p偏振和s偏振光反射的相位差。
进一步的技术方案，弱吸收波段为吸收指数小于0.01的波段。
进一步的技术方案，将每个波长下选定的液体层厚度、目标透射率、椭偏法计算得到的折射率代入透射率方程，设定优化目标函数并应用粒子群优化算法反演求解，得到弱吸收波段待测液体的吸收指数。
进一步的技术方案，液体层厚度的选择原则是：透射率测量误差与透射率之比小于第一设定阈值；两个光学窗片与液体之间的透射率与两个光学窗片与空气之间的透射率之比介于第二阈值和第三阈值之间。
进一步的技术方案，以选定的液体层厚度、目标透射率对应的计算系统透射率与对应的实验测量值之差的绝对值小于设定阈值为优化目标函数的优化目标。
另一方面，公开了一种基于椭偏/透射联合准确测量紫外-可见光-红外波段液体光学常数的系统，包括：椭偏测量系统及透射测量系统；
所述椭偏测量系统基于特定波长下测量得到椭偏参数并计算该波长下待测液体的折射率和吸收指数；
所述透射测量系统测量弱吸收波段内多种液体层厚度的垂直入射光谱透射率；
处理器，被配置为：对弱吸收波段内的每个测量波长，对比测量得到的透射率，选择液体层厚度和目标透射率；
对于所截取的弱吸收波段，基于每个波长下选定的液体层厚度、目标透射率、椭偏法计算得到的折射率，获得弱吸收波段待测液体的吸收指数。
进一步的技术方案，所述椭偏测量系统包括两层，第一层是角度为45°的光学棱镜，第二层为待测液体；
偏振光垂直入射到光学棱镜的侧面，经光学棱镜/液体界面反射后从光学棱镜另一侧面出射，光线最终进入探测器。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1.本公开技术方案充分考虑界面间的多次反射效应，消除了光学窗片对测量产生的影响。
2.本公开技术方案椭偏法与透射法相结合，克服了椭偏法无法准确测量弱吸收波段液体的吸收指数，以及透射法的应用需借助K-K关系等问题，能够同时准确获得弱吸收波段和强吸收波段的折射率和吸收指数。
3.本公开技术方案反演过程采用粒子群优化算法，只需给定取值范围而无需给定初值，避免初值设置不当而增加计算成本。
4.本公开技术方案提供了一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法，将多种方法相结合、推导更精确的计算模型和测量系统，可以更准确地获得可见光-红外波段液体的光学常数。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例子基于“光学棱镜/液体”系统的椭偏测量原理图；
图2为本公开实施例子基于“光学窗片/液体/光学窗片”系统的透射测量原理图；
图3为本公开实施例子基于实施方案1和实施方案2中椭偏计算模型得到的去离子水折射率与文献结果的对比；
图4为本公开实施例子椭偏/透射方法测量得到的蒸馏水光学常数；
图5为本公开实施例子三种液体层厚度的透射率对比图及Tglg/Tgag的对比图；
图6为本公开实施例子椭偏/透射方法测量得到的甲醇光学常数。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例解决了立式测量无法应用于流动性液体、现有测量方法忽略了比色皿的影响以及应用波段较为局限等问题。本公开的主要技术方案为：基于特定波长下测量得到椭偏参数并计算该波长下待测液体的折射率和吸收指数；绘制吸收指数随波长变化的对数曲线，截取吸收指数噪声较大的弱吸收波段；测量弱吸收波段内多种液体层厚度的垂直入射光谱透射率；对弱吸收波段内的每个测量波长，对比测量得到的透射率，选择液体层厚度和目标透射率；对于所截取的弱吸收波段，基于每个波长下选定的液体层厚度、目标透射率、椭偏法计算得到的折射率，获得弱吸收波段待测液体的吸收指数。本公开所提出方法能够准确获得紫外-可见光-红外波段液体的光学常数
实施方案1
本实施例公开了一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法，具体实施步骤如下：
步骤一，设计并制造光学棱镜液体池和透射液体池，以实现液体的椭偏测量和透射测量，椭偏和透射测量原理图如图1和图2所示。
图1、2中的压力控制指的是连接压力调节器及控制器，该部分直接与待测液体相连；温度控制指的是连接加热设备及控制器，该部分与样品池底部的陶瓷加热片相连，图1中陶瓷加热片应用耐高温胶水粘在样品池底部。图2中陶瓷加热片应用耐高温胶水粘在样品池侧面。
步骤二，计算模型推导：
步骤2-1，忽略系统误差，建立“光学棱镜/液体”系统椭偏参数数学计算模型，即为下面公式(2)。
图1是基于“光学棱镜/液体”系统的椭偏测量原理图，第一层是角度为45°的光学棱镜(如硒化锌、二氧化硅等)，第二层为待测液体。偏振光垂直入射到光学棱镜的侧面，经光学棱镜/液体界面反射后从光学棱镜另一侧面出射。根据菲涅耳定律，介质i和介质j之间的p偏振和s偏振界面振幅反射系数为：
Figure BDA0002596381160000061
其中，mi＝ni-iκi是介质i的光学常数，θi和θj是第i层和第j层界面间的入射角和折射角。
需要进一步说明的是：当光线非垂直穿透光学器件(如棱镜、分束镜等)的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象。此时用含有输入和反射光束所在平面来定义坐标系，如果光线的偏振矢量在平面内，则称为p偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s偏振。
ni是介质i的折射率，κi是介质i的吸收指数，mi＝ni-iκi是介质i的复折射率(也称光学常数)。
忽略系统误差和界面间多次反射作用，垂直入射情况下系统椭偏参数可简化为，椭偏参数即为下面公式中的Ψ和Δ，二者综合起来表示，为ρ：
Figure BDA0002596381160000062
式中，下标0、1和2对应图1中的空气、光学棱镜和待测液体。β＝2πm1l/λ是光学棱镜的相厚度，l是光线穿过光学棱镜的光程。由上式可直接得到待测液体的光学常数：
Figure BDA0002596381160000063
步骤2-2，考虑光学窗片/液体界面间的多次反射效应，构造“光学窗片/液体/光学窗片”系统的垂直入射透射率光学传输模型，即为下面公式(5)。
图2是基于“光学窗片/液体/光学窗片”系统的透射测量原理图。第一层和第三层光学窗片的厚度分别为L1和L3，其光学常数为m1＝n1-iκ1。第二层待测液体的厚度为L2。
根据菲涅耳定律，介质i和介质j之间的垂直入射界面能量反射率为：
Figure BDA0002596381160000071
两层介质i和j之间的界面能量透射率Tij＝1-Rij，介质吸收系数αi＝4πκi/λ。考虑光学窗片和液体界面之间的多次反射及透射，根据射线踪迹法可得到图2所示系统的垂直入射透射率：
Figure BDA0002596381160000072
将界面能量反射率和透射率带入上式，只有n2和κ2两个未知数。以椭偏法计算得到的待测液体折射率n2为已知参量，即可由公式(5)反演计算弱吸收波段待测液体的吸收指数κ2。
步骤三，对“光学棱镜/待测液体”椭偏测量系统，测量其反射椭偏参数Ψ和Δ。
对“光学棱镜/空气”和“光学棱镜/待测液体”椭偏测量系统，测量45度线偏振光垂直入射到光学棱镜表面时的系统椭偏参数Ψair、Δair、Ψ和Δ，Ψair和Ψ分别为“光学棱镜/空气”和“光学棱镜/待测液体”系统对p偏振和s偏振光反射的振幅比，Δair和Δ分别为“光学棱镜/空气”和“光学棱镜/待测液体”系统对p偏振和s偏振光反射的相位差。
具体的，“光学棱镜/待测液体”系统包括图1中的样品池不装液体和装液体时候的测量对象，即光学棱镜和空气，光学棱镜和液体；组成部分之间为直接接触。
步骤四，基于上述椭偏参数计算模型，由特定波长下测量得到的椭偏参数Ψ和Δ计算该波长下待测液体的折射率n2和吸收指数κ2。
步骤五，绘制吸收指数κ2随波长变化的LOG曲线，截取吸收指数噪声较大的弱吸收波段(一般指κ2<0.01的波段)。
步骤六，对“光学窗片/液体/光学窗片”透射测量系统，测量弱吸收波段内三种或多种液体层厚度的垂直入射光谱透射率T1，T2和T3。
“光学窗片/液体/光学窗片”透射测量系统包括图2中的样品池装液体时候的测量对象，即左侧光学窗片，中间的待测液体，和右侧光学窗片；组成部分之间为直接接触。
步骤七，考虑液体和光学窗片的吸收特性，在满足透射数据测量精度的前提下，对本发明所涉及的弱吸收波段内的每个测量波长，对比步骤六中测量得到的透射率，选择合适的液体层厚度L2和目标透射率Tλ。
液体层厚度L2的选择原则是：透射率测量误差ΔTλ,EXP与Tλ,EXP之比小于2％；Tglg/Tgag介于0.2和0.7之间，其中下标“glg”和“gag”分别表示“光学窗片/液体/光学窗片”和“光学窗片/空气/光学窗片”。
Tλ,EXP为波长λ时的透射率实验测量值，ΔTλ,EXP为Tλ,EXP的测量误差，Tglg为“光学窗片/液体/光学窗片”三层结构的透射率，Tgag为“光学窗片/空气/光学窗片”三层结构(即透射样品池不盛装液体)的透射率，Tglg/Tgag为二者之比。
步骤八，对于上述所截取的弱吸收波段，将每个波长下选定的液体层厚度L2、椭偏法反演计算得到的折射率n2及目标透射率Tλ代入透射率方程，设定优化目标函数并应用粒子群优化算法反演求解，得到弱吸收波段液体的吸收指数κ2。
反演计算采用粒子群优化算法实现。优化算法目标函数定义如下：
fλ＝|Tλ-Tλ,EXP|2 (6)
式中，Tλ表示液体层厚度为L2、波长为λ时由公式(5)计算得到的系统透射率，Tλ,EXP是波长为λ时实验测量得到的系统透射率，优化算法收敛条件为fλ<10-6。
实施方案2
本实施方案与上述实施方案不同点包括：步骤2-1，考虑光学棱镜表面和光学棱镜/液体界面间多次反射和透射作用，建立“光学棱镜/待测液体”系统的椭偏参数数学模型。
考虑光学棱镜界面之间的多次反射及透射效应，可以推导得到图1中椭偏测量系统的反射系数和椭偏参数：
Figure BDA0002596381160000091
Figure BDA0002596381160000092
光束垂直入射到光学棱镜表面时，对于空气和液体，上式中
Figure BDA0002596381160000093
和
Figure BDA0002596381160000094
应相等，此处设为“F”。那么对空气展开测量，由“光学棱镜/空气”测量结果即可反算“F”。由上式，
Figure BDA0002596381160000095
是入射角、光学棱镜光学常数、待测液体光学常数和参数“F”的函数：
ρλ＝f(n1,n2；κ1,κ2；θ1；F) (3)
其中参数“F”由“光学棱镜/空气”测量结果计算得到，因此待测液体的光学常数n2和κ2可通过求解公式(2)得到。
步骤三，对“光学棱镜/空气”和“光学棱镜/待测液体”椭偏测量系统，测量45度线偏振光垂直入射到光学棱镜表面时的系统椭偏参数Ψair、Δair、Ψ和Δ。
步骤四，基于上述椭偏参数计算模型，由特定波长下测量得到的椭偏参数Ψair、Δair、Ψ和Δ计算该波长下待测液体的折射率n2和吸收指数κ2。
本实施方案中其它步骤与实施方案1相同。该实施方案相较于实施方案1的改进之处在于：椭偏参数计算模型推导时考虑了光学棱镜表面和“光学棱镜/液体”界面间的多次反射作用，模型更为复杂，模型更为准确。
采用以下实施例验证上述实施方案的有益效果：
验证例1：
采用实施方案1和实施方案2中的方法计算去离子水的折射率，并进行对比分析，以说明实施方案2中考虑光学棱镜表面和“光学棱镜/液体”界面间多次反射作用的椭偏计算模型的准确性。本实施例的测量波段为2-20μm。
图3为基于实施方案1和实施方案2中椭偏计算模型得到的去离子水折射率与文献结果(1981，Segelstein)的对比图。实施方案1忽略了界面间多次反射作用，所得到折射率较实际结果偏高。实施方案2由于考虑了界面间多次反射作用，计算结果更为准确。
验证例2：
采用实施方案2中所推导的椭偏法和透射法测量去离子水的光学常数，并进行对比分析，以说明本发明中所提出的椭偏/透射联合方法的准确性和必要性。本实施例中透射测量的液体层厚度分别为35μm、96μm和384μm。
图4为椭偏/透射方法测量得到蒸馏水的光学常数。椭偏测量结果如图4中实线，与文献结果吻合良好。如图4(b)中插图所示，所得到的吸收指数在3.3-6.7μm波段和波长小于2.7μm的情况下噪声较大，此时去离子水吸收较弱。
对“光学窗片/去离子水/光学窗片”透射测量系统，在3.3-6.7μm和2-2.7μm波段内，测量液体层厚度分别为35μm、96μm和384μm的垂直入射光谱透射率T1，T2和T3。图5为三种液体层厚度的透射率对比图及Tglg/Tgag的对比图。依据上述提到液体层厚度L2的选择原则，本实施例选择液体层厚度L2＝35μm时的透射率为目标透射率。
透射测量结果如图4中虚线，吸收指数较为平滑，且震动较小，与文献结果更为接近，但由于强吸收波段需要微米级的液体层厚度，透射法测量强吸收波段的吸收指数之前需准确获得液体层厚度。显然，椭偏法和透射法相结合可以得到更为准确的液体光学常数，混合方法的适用波段更宽。图6为应用实施方案2中所提出的椭偏/透射联合方法测得液态甲醇在2-20μm波段的折射率和吸收指数。
以上实例的结果表明，本发明中的椭偏/透射联合方法能够准确获得去离子水和甲醇的光学常数，其结果准确有效，可用于其他液体光学常数的获得。
在另一实施例子中，还公开了一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的系统，包括：
包括：椭偏测量系统及透射测量系统；
所述椭偏测量系统基于特定波长下测量得到椭偏参数并计算该波长下待测液体的折射率和吸收指数；
所述透射测量系统测量弱吸收波段内多种液体层厚度的垂直入射光谱透射率；
处理器，被配置为：对弱吸收波段内的每个测量波长，对比测量得到的透射率，选择液体层厚度和目标透射率；
对于所截取的弱吸收波段，基于每个波长下选定的液体层厚度、目标透射率、椭偏法计算得到的折射率，获得弱吸收波段待测液体的吸收指数。
更为具体的：包括：椭偏测量系统及透射测量系统；
所述椭偏测量系统包括：
(1)测量设备椭圆偏振光谱仪(主要包括图1中上半部分的光源、起偏器、旋转补偿器、检偏器和探测器)--用于椭偏信号的测量；
(2)椭偏测量样品池(光学棱镜、池子壳体、待测液体、陶瓷加热片)--用于盛装待测液体；
(3)温度和压力控制系统—用于待测液体温度和压力的调节及控制。
测量时，光源发出的光线经起偏器变为偏振光，照射到图1中光学棱镜的左侧面，穿过光学棱镜，经光学棱镜和液体的交界面反射后从光学棱镜射出，经过旋转补偿器和检偏器，最终到达探测器。通过处理探测器探测信号，得到椭偏参数。
所述透射测量系统包括：
(1)测量设备椭圆偏振光谱仪；
(2)透射测量样品池(两片光学窗片及之间的待测液体、池子壳体、陶瓷加热片)--用于盛装待测液体；
(3)温度和压力控制系统—用于待测液体温度和压力的调节及控制。
测量时，光源发出的光线照射到图2中光学窗片1的左侧面，穿过窗片1，经过液体后穿过窗片2，从窗片2的右侧面射出，最终到达探测器。通过处理探测器探测信号，得到透射率。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法，其特征是，包括：
基于特定波长下测量得到椭偏参数并计算该波长下待测液体的折射率和吸收指数；
绘制吸收指数随波长变化的对数曲线，截取吸收指数噪声较大的弱吸收波段；
测量弱吸收波段内多种液体层厚度的垂直入射光谱透射率；
对弱吸收波段内的每个测量波长，对比测量得到的透射率，选择液体层厚度和目标透射率；
对于所截取的弱吸收波段，基于每个波长下选定的液体层厚度、目标透射率、椭偏法计算得到的折射率，获得弱吸收波段待测液体的吸收指数。
2.如权利要求1所述的一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法，其特征是，考虑光学棱镜表面和光学棱镜/液体界面间多次反射作用，建立椭偏参数计算模型，基于该模型，根据测量得到的椭偏参数计算该波长下待测液体的折射率和吸收指数。
3.如权利要求1所述的一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法，其特征是，测量得到的椭偏参数为45度线偏振光从环境垂直入射到光学棱镜表面时的椭偏参数。
4.如权利要求1所述的一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法，其特征是，所述椭偏参数包括待测液体对p偏振和s偏振光反射的振幅比及待测液体对p偏振和s偏振光反射的相位差。
5.如权利要求1所述的一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法，其特征是，弱吸收波段为吸收指数小于0.01的波段。
6.如权利要求1所述的一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法，其特征是，将每个波长下选定的液体层厚度、目标透射率、椭偏法计算得到的折射率代入透射率方程，设定优化目标函数并应用粒子群优化算法反演求解，得到弱吸收波段待测液体的吸收指数。
7.如权利要求1所述的一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法，其特征是，液体层厚度的选择原则是：透射率测量误差与透射率之比小于第一设定阈值；两个光学窗片与液体之间的透射率与两个光学窗片与空气之间的透射率之比介于第二阈值和第三阈值之间。
8.如权利要求1所述的一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法，其特征是，以选定的液体层厚度、目标透射率对应的计算系统透射率与对应的实验测量值之差的绝对值小于设定阈值为优化目标函数的优化目标。
9.一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的系统，其特征是，包括：椭偏测量系统及透射测量系统；
所述椭偏测量系统基于特定波长下测量得到椭偏参数并计算该波长下待测液体的折射率和吸收指数；
所述透射测量系统测量弱吸收波段内多种液体层厚度的垂直入射光谱透射率；
处理器，被配置为：对弱吸收波段内的每个测量波长，对比测量得到的透射率，选择液体层厚度和目标透射率；
对于所截取的弱吸收波段，基于每个波长下选定的液体层厚度、目标透射率、椭偏法计算得到的折射率，获得弱吸收波段待测液体的吸收指数。
10.如权利要求9所述的一种基于椭偏/透射联合测量液体光学常数的方法，其特征是，所述椭偏测量系统包括两层，第一层是角度为45°的玻璃光学棱镜，第二层为待测液体；
偏振光垂直入射到光学棱镜的侧面，经光学棱镜/液体界面反射后从光学棱镜另一侧面出射，光线最终进入探测器。
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