CN114018872A - 一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，包括底座和载物台，底座上固定安装有激光器、偏振片、电动旋转台、第一凸透镜、第二凸透镜、第一光电探测器、第二光电探测器、减法器和控制模块；第一凸透镜和第二凸透镜分别设置在待测光学介质的反射光路和折射光路中，且两者的焦点均设置在待测光学介质的入射光点处；第一光电探测器和第二光电探测器均以有线方式与减法器的输入端电性连接；减法器的输出端和电动旋转台的输入端均以有线方式电性连接于控制模块。本发明还提供一种基于上述装置的自动锁定布儒斯特角测量折射率的方法。本发明结构简单、操作便捷，可实现布儒斯特角的自动锁定，且对介质折射率的测量精度高。

Description

一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置及方法

技术领域

本发明属于光学参数测量技术领域，具体涉及一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置及方法。

背景技术

折射率是光学介质最重要的参数之一，折射率可以反映出介质材料的结构、组成、浓度、温度等特性，在生产生活的多个领域中有重要的应用。测量光学介质折射率的方法有很多，其中一种常用的方法是利用布儒斯特定律测量介质的折射率。

公开号为CN102680409A的发明专利公开了一种布儒斯特角的测量装置及方法，通过设置两个光轴相互垂直的起偏器，可在望远镜中观察到两条对比亮度较大的光线，从而测量出布儒斯特角的大小。该装置及方法为了得到准确的布儒斯特角，需对光源、入射角的大小作多次的微调，而望远镜的位置也需多次作相应的调整，以便能够观察到反射光线。

公开号为CN112504995A的发明专利公开了基于布儒斯特定律的折射率测量装置和测量方法，其将布儒斯特角的测量转化为长度测量，测量准确。然而，其将激光器固定安装于螺旋测微标尺的零点位置，载物台滑动设置于滑动轨道上，光电强度探测单元中的探头以可滑动方式安装于螺旋测微标尺上，在测量介质折射率时，为了寻找布儒斯特角，需不停调整激光器、探头、载物台的相对位置，以确保激光器的出射偏振光入射到待测介质的反射面并被反射，且反射光被探头接收。

由此可见，目前测量布儒斯特角及折射率的装置及方法，需要对光源发出光的角度、待测介质的位置或角度、光探测器的位置作多次的调整。而且，对布儒斯特角的判定通过光探测器是否取得最小值来实现，为人工判定方式，从而会带来一定的误差。此外，由于光源的电压、电流的不稳定以及环境光的变化、干扰，待测介质的入射光强不稳定，在以布儒斯特角入射时，反射光强可能不是最小，从而也会引起测量误差。因此，有必要提供一种操作简便、测量准确且能自动锁定布儒斯特角的折射率测量装置及方法。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置及方法，其结构简单、工作可靠性好、操作便捷，可实现布儒斯特角的自动锁定，且对介质折射率的测量精度高。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，包括底座和用于固定待测光学介质的载物台，所述底座上固定安装有激光器、用于将激光器发射出的自然偏振光变为线偏振光的偏振片、用于旋转载物台的电动旋转台、第一凸透镜、第二凸透镜、第一光电探测器、第二光电探测器、减法器和控制模块；所述第一凸透镜和第二凸透镜分别设置在待测光学介质的反射光路和折射光路中，且两者的焦点均设置在待测光学介质的入射光点处；所述第一光电探测器和第二光电探测器分别用于接收反射光和折射光，且两者均以有线方式与减法器的输入端电性连接；所述减法器的输出端和电动旋转台的输入端均以有线方式电性连接于控制模块。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述激光器和偏振片之间设置有用于调节激光光束直径大小的光阑。

进一步，所述激光器发出的激光为单色激光。

进一步，所述激光器、待测光学介质、第一凸透镜、第二凸透镜、第一光电探测器和第二光电探测器的中心处于同一水平面。

进一步，所述待测光学介质为透光或半透光且表面光滑的固态物质。

进一步，所述电动旋转台为超高精密电动旋转台，且其最小旋转角度为0.00125°。

进一步，所述第一光电探测器和第二光电探测器均为光电放大探测器。

进一步，所述第一凸透镜和第二凸透镜均为双凸透镜。

进一步，所述双凸透镜的焦距为100mm。

本发明的另一目的是提供一种基于上述装置的自动锁定布儒斯特角测量折射率的方法。

具体的技术方案如下：

一种基于上述装置的自动锁定布儒斯特角测量折射率的方法，包括以下步骤：

1)将待测光学介质固定安装至载物台，调节激光器的方向，以使待测光学介质的入射光点落在电动旋转台的中心轴线上且位于第一凸透镜和第二凸透镜的焦点处，同时确保经过偏振片后的激光偏振方向平行于待测光学介质的入射面；

2)控制模块输出脉冲个数连续变化的脉冲信号至电动旋转台，对电动旋转台的旋转角度进行扫描；

3)第一光电探测器和第二光电探测器分别将反射光和折射光的光功率转化为电压信号PD₁和PD₂，减法器将两电压信号进行差分PD₂-PD₁，此差分信号作为布儒斯特角的锁定信号；

4)上述锁定信号输入至控制模块，在控制模块中，确定上述锁定信号的最大值，此时对应的入射角度即为布儒斯特角；

5)重新对电动旋转台的旋转角度进行扫描，当扫描至上述锁定信号的最大值时，保持此时控制模块输出的脉冲个数不变，即可锁定入射角度为布儒斯特角i_b；

6)将空气折射率n₀和布儒斯特角i_b，代入公式n₁＝n₀tan(i_b)，即可测量出待测光学介质的折射率n₁。

本发明的有益效果是：

(1)通过控制模块及电动旋转台对待测光学介质旋转角度的自动控制，形成入射角度的闭环控制系统，实现布儒斯特角的自动锁定，可实现自动测量且测量操作简单；

(2)通过光电探测器采集到的光强判定是否为布儒斯特角，有效避免人工判断(观测)的不确定性，测量误差较小；

(3)折射光和反射光的差分信号，相较于单独的折射光或反射光信号，其信号幅度相当，而信号线宽更窄，可更精确锁定布儒斯特角；

(4)采用两个光电探测器的差分探测方式，可有效消除光源光强的不稳定性、环境光的变化以及干扰(共轭噪声)，进一步提高测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例1中一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1中一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置的俯视图；

图3为本发明实施例1中第一凸透镜的工作原理示意图；

图4为本发明实施例1利用布儒斯特定律测量折射率的示意图；

图5为本发明实施例1锁定布儒斯特角的差分信号。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、激光器，2、光阑，3、偏振片，4、电动旋转台，5、载物台，6、待测光学介质，7、第一凸透镜，8、第二凸透镜，9、第一光电探测器，10、第二光电探测器，11、减法器，12、控制模块，13、底座，F、第一凸透镜7的焦点，PD₁、第一光电探测器9检测到的电压信号，PD₂、第二光电探测器10检测到的电压信号，PD₂-PD₁、差分信号(布儒斯特角的锁定信号)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语中“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型结构。对于本领域的普通技术人员，可以根据具体情况理解该类术语在本专利中的具体含义。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例所设计的一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，包括底座13和用于固定待测光学介质6的载物台5。所述底座13上固定安装有激光器1、光阑2、偏振片3、用于旋转载物台5的电动旋转台4、第一凸透镜7、第二凸透镜8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、减法器11和控制模块12。所述第一光电探测器9和第二光电探测器10分别用于接收反射光和折射光，且两者均以有线方式与减法器11的输入端电性连接。所述减法器11的输出端和电动旋转台4的输入端均以有线方式电性连接于控制模块12。

所述激光器1作为本实施例所述装置的光源，用于发射出平行激光。本实施例中，所述激光器1为一体式氦氖激光器，型号为HNLS008L，发出波长为632.8nm的单色激光。

所述光阑2用于调节激光光束直径的大小。

所述偏振片3用于将激光器1发射出的激光变为线偏振光。

本实施例中，所述电动旋转台4为超高精密电动旋转台，型号为RAuK100，其旋转角度由输入的脉冲个数(脉冲高电平宽度)控制，且其最小旋转角度为0.00125°。

所述第一凸透镜7和第二凸透镜8分别设置在待测光学介质6的反射光路和折射光路中，且两者的焦点均设置在待测光学介质6的入射光点处。增设第一凸透镜7和第二凸透镜8，并利用通过第一凸透镜7和第二凸透镜8的焦点的光线成为平行光这一原理(图3)，以确保所述待测光学介质6在旋转时，反射光和折射光可被第一光电探测器9和第二光电探测器10的光敏面所接收。本实施例中，所述第一凸透镜7和第二凸透镜8均为双凸透镜，型号为LB1187-A，且其焦距为100mm。

所述第一光电探测器9和第二光电探测器10分别将反射光和折射光的光功率转化为电压信号PD₁和PD₂，输出至所述减法器11进行相减(差分，PD₂-PD₁)，结果输出至控制模块12进行分析和处理。本实施例中，所述第一光电探测器9和第二光电探测器10均为光电放大探测器，型号为PDA10A2，探测的频率范围为200nm-1100nm。

所述控制模块12分析和处理上述差分信号，输出相应的脉冲信号驱动所述电动旋转台4转动，直至待测光学介质6的入射角为布儒斯特角时，保持锁定状态。

本实施例中，所述激光器1、待测光学介质6、第一凸透镜7、第二凸透镜8、第一光电探测器9和第二光电探测器10的中心处于同一水平面。

如图4所示，本实施例所述装置利用布儒斯特定律测量折射率的原理如下：激光器1发射出的自然偏振光在通过偏振片3后变成偏振方向与待测光学介质6的反射面平行的线偏振光，此线偏振光在待测光学介质6表面以布儒斯特角i_b入射时，反射光出现消光现象，此时探测反射光功率为最小值，反射光和折射光线构成直角，有n₁＝n₀tan(i_b)，由此可以测量出待测光学介质6的折射率n₁。

具体而言，激光器1发射出的自然偏振光由偏振片3变为线偏振光，在待测光学介质6表面发生反射和折射后，其光功率分别由第一光电探测器9和第二光电探测器10进行探测，两者相减的差分信号作为布儒斯特角的锁定信号，待测光学介质6的旋转角度由输入电动旋转台4的脉冲信号控制，由此形成入射角度的闭环控制系统，实现布儒斯特角的自动锁定。

本实施例还提供了一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的方法，其采用上述的一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，包括以下步骤：

1)将待测光学介质6固定安装至载物台5，调节激光器1的方向，以使待测光学介质6的入射光点落在电动旋转台4的中心轴线上且位于第一凸透镜7和第二凸透镜8的焦点处，同时确保经过偏振片3后的激光偏振方向平行于待测光学介质6的入射面；

2)控制模块12输出脉冲个数连续变化的脉冲信号至电动旋转台4，对电动旋转台4的旋转角度进行扫描；

3)第一光电探测器9和第二光电探测器10分别将反射光和折射光的光功率转化为电压信号PD₁和PD₂，减法器将两电压信号进行差分PD₂-PD₁，此差分信号作为布儒斯特角的锁定信号；

4)上述锁定信号输入至控制模块12，在控制模块12中，确定上述锁定信号的最大值，此时对应的入射角度即为布儒斯特角；

5)重新对电动旋转台4的旋转角度进行扫描，当扫描至上述锁定信号的最大值时，保持此时控制模块12输出的脉冲个数不变，即可锁定入射角度为布儒斯特角i_b；

6)将空气折射率n₀和布儒斯特角i_b，代入公式n₁＝n₀tan(i_b)，即可测量出待测光学介质6的折射率n₁。

如图5所示，为本实施例锁定布儒斯特角的差分信号，由此可知布儒斯特角i_b为56度，从而得到本实施例待测光学介质6的折射率n₁为1.483。

本发明中未对具体结构做出描述的机构、组件和部件均为现有技术中已经存在的现有结构。可以从市面上直接购买得到。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，其特征在于，包括底座(13)和用于固定待测光学介质(6)的载物台(5)，所述底座(13)上固定安装有激光器(1)、用于将激光器(1)发射出的自然偏振光变为线偏振光的偏振片(3)、用于旋转载物台(5)的电动旋转台(4)、第一凸透镜(7)、第二凸透镜(8)、第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)、减法器(11)和控制模块(12)；所述第一凸透镜(7)和第二凸透镜(8)分别设置在待测光学介质(6)的反射光路和折射光路中，且两者的焦点均设置在待测光学介质(6)的入射光点处；所述第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)分别用于接收反射光和折射光，且两者均以有线方式与减法器(11)的输入端电性连接；所述减法器(11)的输出端和电动旋转台(4)的输入端均以有线方式电性连接于控制模块(12)。

2.根据权利要求1所述的一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，其特征在于，所述激光器(1)和偏振片(3)之间设置有用于调节激光光束直径大小的光阑(2)。

3.根据权利要求1所述的一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，其特征在于，所述激光器(1)发出的激光为单色激光。

4.根据权利要求1所述的一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，其特征在于，所述激光器(1)、待测光学介质(6)、第一凸透镜(7)、第二凸透镜(8)、第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)的中心处于同一水平面。

5.根据权利要求1所述的一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，其特征在于，所述待测光学介质(6)为透光或半透光且表面光滑的固态物质。

6.根据权利要求1所述的一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，其特征在于，所述电动旋转台(4)为超高精密电动旋转台，且其最小旋转角度为0.00125°。

7.根据权利要求1所述的一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，其特征在于，所述第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)均为光电放大探测器。

8.根据权利要求1所述的一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，其特征在于，所述第一凸透镜(7)和第二凸透镜(8)均为双凸透镜。

9.根据权利要求8所述的一种自动锁定布儒斯特角测量折射率的装置，其特征在于，所述双凸透镜的焦距为100mm。

10.一种基于上述权利要求1-9中任一项所述装置的自动锁定布儒斯特角测量折射率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待测光学介质(6)固定安装至载物台(5)，调节激光器(1)的方向，以使待测光学介质(6)的入射光点落在电动旋转台(4)的中心轴线上且位于第一凸透镜(7)和第二凸透镜(8)的焦点处，同时确保经过偏振片(3)后的激光偏振方向平行于待测光学介质(6)的入射面；

2)控制模块(12)输出脉冲个数连续变化的脉冲信号至电动旋转台(4)，对电动旋转台(4)的旋转角度进行扫描；

3)第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)分别将反射光和折射光的光功率转化为电压信号PD₁和PD₂，减法器将两电压信号进行差分PD₂-PD₁，此差分信号作为布儒斯特角的锁定信号；

4)上述锁定信号输入至控制模块(12)，在控制模块(12)中，确定上述锁定信号的最大值，此时对应的入射角度即为布儒斯特角；

5)重新对电动旋转台(4)的旋转角度进行扫描，当扫描至上述锁定信号的最大值时，保持此时控制模块(12)输出的脉冲个数不变，即可锁定入射角度为布儒斯特角i_b；

6)将空气折射率n₀和布儒斯特角i_b，代入公式n₁＝n₀tan(i_b)，即可测量出待测光学介质(6)的折射率n₁。

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