CN114280007A - 一种光学材料折射率测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学材料折射率测试装置及测试方法，所述装置包括多波长光路系统、原位高度测量系统和位相检测系统，及双光路模块和正交偏光模块、自动升降模块、快速聚焦模块和实时高度测算模块、自动成像模块；其中，所述多波长光路系统包括双光路模块和正交偏光模块；所述原位高度测量系统包括快速聚焦模块、自动升降模块和实时高度测算模块；所述位相检测系统包括自动成像模块。本发明提供的折射率测试装置和测试折射率的方法，能够有效地实现连续波长折射率测试，充分考虑折射率的频率色散。本发明基于微晶颗粒的折射率测试装置及测试方法，将有助于非线性光学晶体、双折射晶体等新型光学材料的快速性能评估，大幅缩短材料研发周期。
Description
技术领域
本发明属于光学材料折射率测试装置领域，具体涉及一种光学材料折射率测试装置及测试方法。
背景技术
折射率是表征材料(介质)物理、化学性质的重要参数。常用的折射率测试方法有最小偏向角法、干涉法、棱镜耦合法等。测试方法虽多，但现有折射率测试范围和测试精度因测试方法本身而受到不同程度的限制，并且现有折射率测试方法大都需要较大尺寸符合测试要求的晶体器件，而基于新材料探索阶段的微晶颗粒远不能满足测试要求。为此，急需开发新型微晶颗粒的折射率测试技术和测试设备，以完成新材料探索阶段的线性光学性能评估。
发明内容
为了改善上述技术问题，本发明旨在提供一种光学材料折射率测试装置和测试方法，以解决亚毫米微晶的折射率测试难题，为新型非线性光学晶体、双折射晶体等光学材料开发提供重要的评估手段。
为了实现上述目的，本发明提供一种光学材料折射率测试装置，所述装置包括多波长光路系统、原位高度测量系统和位相检测系统，及双光路模块和正交偏光模块、自动升降模块、快速聚焦模块和实时高度测算模块、自动成像模块；
其中，所述多波长光路系统包括双光路模块和正交偏光模块；
所述原位高度测量系统包括快速聚焦模块、自动升降模块和实时高度测算模块；
所述位相检测系统包括自动成像模块。
根据本发明的实施方案，所述多波长光路系统、原位高度测量系统和位相检测系统均以正交偏光模块为中心展开设置。
根据本发明的实施方案，所述正交偏光模块位于所述测试装置的中心位置。
根据本发明的实施方案，所述双光路模块与正交偏光模块直接相连，构成所述测试装置的核心光路系统。
根据本发明的实施方案，所述双光路模块位于正交偏光模块后部。
根据本发明的实施方案，所述双光路模块包括用于不同波长折射率测试用光源，例如包括白光光源和连续光谱光源；示例性地，所述白光光源用于光学材料样品准焦和消光位确认；所述连续光谱光源为紫外-可见-近红外全波段折射率测试用光源。
根据本发明的实施方案，所述正交偏光模块包括光学部分和辅助光学部分工作的机械部分；所述光学部分用于光学材料样品光学性质观察；
沿入射光方向，所述光学部分依次包括起偏镜、锥光镜、偏光物镜、检偏镜、勃氏镜、目镜；
所述机械部分包括载物台，所述载物台位于所述锥光镜和偏光物镜之间。
根据本发明的实施方案，所述机械部分还可以包括长工作距离镜臂、和/或物镜转换器等。
示例性地，所述起偏镜由高消光比的偏振片制成，用于入射光偏振态的调制。
示例性地，所述锥光镜用于将偏光聚敛调制为锥形偏光束。
示例性地，所述偏光物镜由多个透镜组合而成，用于光学材料样品的显微放大。
示例性地，所述检偏镜用于对从光学材料样品出射的两束光波的偏振态调制。优选地，所述检偏镜的振动方向与起偏镜的振动方向垂直。
示例性地，所述勃氏镜为凸透镜，用于聚敛偏光的干涉图像观察。
示例性地，所述目镜为由多个透镜组合而成，用于光学材料样品的显微放大。
示例性地，所述载物台为边缘带有360°刻度且能够水平旋转的圆形平台，所述载物台与固定的游标尺配合以直接读出载物台的旋转角度。优选地，所述载物台的中央设有一个通光孔，光学材料样品借助载玻片放于载物台的通光孔之上，并通过载物台的调节滑尺进行对中调整；优选地，所述通光孔的形状为圆形。
示例性地，所述物镜转换器用于不同放大倍数的偏光物镜的固定和转换。
根据本发明的实施方案，所述自动升降模块和所述快速聚焦模块均位于正交偏光模块中，且与载物台直接相连。
根据本发明的实施方案，所述实时高度测算模块与所述自动升降模块分别和快速聚焦模块直接相连；自动成像模块位于正交偏光模块的正上方，与正交偏光模块中的目镜位置相当。
根据本发明的实施方案，所述快速聚焦模块包括多个全波段光电探测器、分束镜，用于光学材料样品表面的精准、快速聚焦。
根据本发明的实施方案，所述自动升降模块为载物台升降的自动化机械设计，用于调节光学材料样品的自动升降。
根据本发明的实施方案，所述实时高度测算模块包含自动化数据处理软件，用于与自动升降模块和快速聚焦模块联合，实时测算不同准焦面的高度。
根据本发明的实施方案，所述自动成像模块为全波段高分辨图像处理器，用于折射率测试过程中光学位相的实时记录。
根据本发明优选地实施方案，所述光学材料折射率测试装置，包括多波长光路系统、原位高度测量系统和位相检测系统；
所述多波长光路系统包括双光路模块和正交偏光模块；所述双光路模块与正交偏光模块直接相连，构成所述测试装置的核心光路系统；所述双光路模块位于正交偏光模块后部；
所述双光路模块包括用于不同波长折射率测试用光源，包括白光光源和连续光谱光源；
所述正交偏光模块包括光学部分和机械部分；沿入射光方向，所述光学部分依次包括起偏镜、锥光镜、偏光物镜、检偏镜、勃氏镜、目镜；所述机械部分包括载物台，所述载物台位于所述锥光镜和偏光物镜之间；
所述原位高度测量系统包括快速聚焦模块、自动升降模块和实时高度测算模块；
所述自动升降模块和所述快速聚焦模块均位于正交偏光模块中，且与载物台直接相连；
所述实时高度测算模块与所述自动升降模块分别和快速聚焦模块直接相连；自动成像模块位于正交偏光模块的正上方，与正交偏光模块中的目镜位置相当；
所述位相检测系统包括自动成像模块；
所述多波长光路系统、原位高度测量系统和位相检测系统均以正交偏光模块为中心展开设置，即所述正交偏光模块位于所述测试装置的中心位置。
本发明还提供一种光学材料折射率的测试方法，所述测试方法在上述装置中进行。
根据本发明的实施方案，所述光学材料折射率的测试方法包括以下步骤：
(1)开启白光光源、快速聚焦模块和自动升降模块，校正正交偏光模块，使起偏镜和检偏镜垂直(即视域全黑)，然后拔出检偏镜；
(2)将全新的载玻片上表面中心附近做好标记后置于载物台上并固定，借助目镜和自动成像模块将载玻片调中，使标记呈现在视域和自动成像模块中；
(3)调整自动升降模块和快速聚焦模块，完成第一焦平面的自动准焦，采用实时高度测算模块记录第一准焦面的高度；
(4)插入检偏镜，将光学材料样品放于载玻片上，调整自动升降模块和快速聚焦模块，完成光学材料样品上表面的自动准焦，标记为第二准焦面，旋转载物台至视域中样品完全消光，然后拔出检偏镜，采用实时高度测算模块记录第二准焦面的高度，得到第二准焦面和第一准焦面的高度差d，即为光学材料样品厚度；
(5)切换连续光谱光源，采用自动升降模块移动载物台，至快速聚焦模块聚焦到光学材料样品下表面，即第三准焦面，采用实时高度测算模块记录第三准焦面的高度，得到第三准焦面和第二准焦面的高度差(即光学材料样品引起的光程变化)R(λ)；
(6)根据几何光学公式R(λ)＝(n(λ)-1)d，得到光学材料样品的折射率n1(λ)；
(7)将载物台旋转90°，重复上述步骤(1)-(6)，得到折射率n2(λ)。
本发明的有益效果：
本发明提供的微晶折射率测试装置和测试折射率的方法，能够有效地实现连续波长折射率测试，充分考虑折射率的频率色散。本发明基于微晶颗粒的折射率测试装置及测试方法，将有助于非线性光学晶体、双折射晶体等新型光学材料的快速性能评估，大幅缩短材料研发周期。
附图说明
图1为本发明实施例中光学材料折射率测试装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中光学材料折射率测试方法的流程图。
附图标记：10、多波长光路系统；20、原位高度测量系统；30、位相检测系统；11、白光光源；12、连续光谱光源；13、起偏镜；14、锥光镜；15、载物台；16、偏光物镜；17、检偏镜；18、勃氏镜；19、目镜；21、自动升降模块、22、快速聚焦模块、23、实时高度测算模块、31、自动成像模块。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
实施例
如图1所示，光学材料折射率测试装置包括多波长光路系统10、原位高度测量系统20和位相检测系统30，以及双光路模块和正交偏光模块、自动升降模块21、快速聚焦模块22、实时高度测算模块23和自动成像模块31。
其中，所述多波长光路系统10包括双光路模块和正交偏光模块；
所述原位高度测量系统20包括快速聚焦模块22、自动升降模块21和实时高度测算模块23；
所述位相检测系统30包括自动成像模块31。
其中，所述双光路模块与所述正交偏光模块直接相连，且所述双光路模块位于正交偏光模块的后部，构成整个测试装置的核心光路系统；实时高度测算模块23与自动升降模块21分别和快速聚焦模块22直接相连；自动升降模块21和快速聚焦模块22位于正交偏光模块中，与载物台15直接相连；自动成像模块31位于正交偏光模块的正上方，与目镜19位置相当。
双光路模块包括用于不同波长折射率测试用光源：白光光源11和连续光谱光源12，白光光源11用于光学材料样品准焦和消光位确认；连续光谱光源12为宽波段光谱灯或连续光谱光源，用于连续波段折射率测试，为紫外-可见-近红外全波段折射率测试用光源。
所述正交偏光模块包括光学部分和辅助光学部分工作的机械部分；所述光学部分用于样品光学性质观察；
沿入射光方向，所述光学部分依次包括起偏镜13、锥光镜14、偏光物镜16、检偏镜17、勃氏镜18、目镜19；
所述机械部分包括载物台15，所述载物台15位于所述锥光镜14和偏光物镜16之间。
所述机械部分还包括长工作距离镜臂、物镜转换器。
其中，起偏镜13为高消光比偏振片，用于调制光源的偏振态，从普通光源发出的自然光经过起偏镜13发生偏振化作用，自然光全部转化为振动方向固定一致的偏光；锥光镜14为一个小的凸透镜，配置为聚敛偏光系统的干涉图像观察；载物台15为一个可以水平旋转的圆形平台，其边缘带有360°的刻度，与固定的游标尺配合可以直接读出载物台15的旋转角度，载物台15中央有一个圆形通光孔，样品可以借助载玻片放于载物台15通光孔之上，并通过载物台15的调节滑尺进行对中调整；偏光物镜16为一透镜组，用于光学材料样品的显微放大；检偏镜17与起偏镜13作用相同，即任何振动方向的光经过检偏镜17后都转化为振动方向固定一致的偏光；勃氏镜18为一个小的凸透镜，用于聚敛偏光的干涉图像观察；目镜19由多个透镜组合而成，用于物镜所呈图像的二次放大。
原位高度测量系统由快速聚焦模块22、自动升降模块21和实时高度测算模块23构成，用于不同准焦面的实时快速测量。具体地，自动升降模块21为载物台升降的自动化机械设计，用于调节载物台的自动升降；快速聚焦模块22由多个全波段光电探测器、分束镜等光学元件组成，用于样品表面的精准、快速聚焦；实时高度测算模块23包含自动化数据处理软件，用于实时测算不同准焦面的高度。
作为示例性地实施方案，位相检测系统为自动成像模块31，所述自动成像模块31为全波段高分辨图像处理器，用于折射率测试过程光学位相的实时记录。
下面示例出采用上述测试设备测量折射率的具体方法(如图2所示)：
201：开启白光光源11，完成正交偏光模块校正，使起偏镜13和检偏镜17严格垂直(视域全黑)，然后拔出检偏镜17；
202：将全新的载玻片上表面中心附近做好标记后置于载物台15上并固定，借助目镜19和自动成像模块31将载玻片调中，使标记呈现在视域和自动成像模块31中；
203：调整自动升降模块21和快速聚焦模块22，完成第一焦平面的自动准焦，采用实时高度测算模块23记录第一准焦面的高度；
204：在光路中插入检偏镜17，将光学材料样品放于载玻片上，调整自动升降模块21和快速聚焦模块22完成光学材料样品上表面的自动准焦，标记为第二准焦面，旋转载物台15至视域中样品完全消光，然后拔出检偏镜17，实时高度测算模块记录第二准焦面的高度，并换算得到第二准焦面和第一准焦面高度差(即样品厚度)d；
205：切换连续光谱光源12，采用自动升降模块21移动载物台15，至快速聚焦模块22聚焦到第三准焦面(样品下表面)为止，采用实时高度测算模块23记录第三准焦面高度，并换算得到第三准焦面和第二准焦面高度差(即光学材料样品引起的光程变化)R(λ)；
206：根据几何光学公式R(λ)＝(n(λ)-1)d，得到光学材料样品的折射率n1(λ)；
207：载物台旋转90°，重复上述步骤201-206，进而得到折射率n2(λ)。
本测试方法充分考虑了折射率的频率色散，尤其解决了亚毫米微晶的折射率测试难题，为新型非线性光学晶体、双折射晶体等光学材料开发提供重要的评估手段。
以上，对本发明的实施方式进行了示例性的说明。但是，本发明的保护范围不拘囿于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光学材料折射率测试装置，其特征在于，所述装置包括多波长光路系统、原位高度测量系统和位相检测系统，及双光路模块和正交偏光模块、自动升降模块、快速聚焦模块和实时高度测算模块、自动成像模块；
其中，所述多波长光路系统包括双光路模块和正交偏光模块；
所述原位高度测量系统包括快速聚焦模块、自动升降模块和实时高度测算模块；
所述位相检测系统包括自动成像模块。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多波长光路系统、原位高度测量系统和位相检测系统均以正交偏光模块为中心展开设置。
优选地，所述正交偏光模块位于所述测试装置的中心位置。
优选地，所述双光路模块与正交偏光模块直接相连，构成所述测试装置的核心光路系统。
3.根据权利要求1-2任一项所述的装置，其特征在于，所述双光路模块位于正交偏光模块后部。
优选地，所述双光路模块包括用于不同波长折射率测试用光源，例如包括白光光源和连续光谱光源。
4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述正交偏光模块包括光学部分和辅助光学部分工作的机械部分；所述光学部分用于光学材料样品光学性质观察；
沿入射光方向，所述光学部分依次包括起偏镜、锥光镜、偏光物镜、检偏镜、勃氏镜、目镜；
所述机械部分包括载物台，所述载物台位于所述锥光镜和偏光物镜之间。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述机械部分还可以包括长工作距离镜臂、和/或物镜转换器。
优选地，所述起偏镜由高消光比的偏振片制成，用于入射光偏振态的调制。
优选地，所述锥光镜用于将偏光聚敛调制为锥形偏光束。
优选地，所述偏光物镜由多个透镜组合而成，用于光学材料样品的显微放大。
优选地，所述检偏镜用于对从光学材料样品出射的两束光波的偏振态调制。优选地，所述检偏镜的振动方向与起偏镜的振动方向垂直。
优选地，所述勃氏镜为凸透镜，用于聚敛偏光的干涉图像观察。
优选地，所述目镜为由多个透镜组合而成，用于光学材料样品的显微放大。
优选地，所述载物台为边缘带有360°刻度且能够水平旋转的圆形平台，所述载物台与固定的游标尺配合以直接读出载物台的旋转角度。
6.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述自动升降模块和所述快速聚焦模块均位于正交偏光模块中，且与载物台直接相连。
优选地，所述实时高度测算模块与所述自动升降模块分别和快速聚焦模块直接相连；自动成像模块位于正交偏光模块的正上方，与正交偏光模块中的目镜位置相当。
7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，快速聚焦模块包括多个全波段光电探测器、分束镜，用于光学材料样品表面的精准、快速聚焦。
优选地，所述自动升降模块为载物台升降的自动化机械设计，用于调节光学材料样品的自动升降。
8.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述实时高度测算模块包含自动化数据处理软件，用于与自动升降模块和快速聚焦模块联合，实时测算不同准焦面的高度。
优选地，所述自动成像模块为全波段高分辨图像处理器，用于折射率测试过程中光学位相的实时记录。
9.一种光学材料折射率的测试方法，所述测试方法在权利要求1-8任一项所述的装置中进行。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)开启白光光源、快速聚焦模块和自动升降模块，校正正交偏光模块，使起偏镜和检偏镜垂直，然后拔出检偏镜；
(2)将全新的载玻片上表面中心附近做好标记后置于载物台上并固定，借助目镜和自动成像模块将载玻片调中，使标记呈现在视域和自动成像模块中；
(3)调整自动升降模块和快速聚焦模块，完成第一焦平面的自动准焦，采用实时高度测算模块记录第一准焦面的高度；
(4)插入检偏镜，将光学材料样品放于载玻片上，调整自动升降模块和快速聚焦模块，完成光学材料样品上表面的自动准焦，标记为第二准焦面，旋转载物台至视域中样品完全消光，然后拔出检偏镜，采用实时高度测算模块记录第二准焦面的高度，得到第二准焦面和第一准焦面的高度差d，即样品厚度；
(5)切换连续光谱光源，采用自动升降模块移动载物台，至快速聚焦模块聚焦到样品下表面，即第三准焦面，采用实时高度测算模块记录第三准焦面的高度，得到第三准焦面和第二准焦面的高度差R(λ)；
(6)根据几何光学公式R(λ)＝(n(λ)-1)d，得到光学材料样品的折射率n1(λ)；
(7)将载物台旋转90°，重复上述步骤(1)-(6)，得到折射率n2(λ)。
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2021
- 2021-12-14 CN CN202111531881.6A patent/CN114280007A/zh active Pending
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