CN1186620C - 透明材料折射率测量方法及其干涉测量仪 - Google Patents

Abstract

一种透明材料折射率的测量方法及其干涉测量仪，主要是将待测材料制成两块对称棱镜组成的组合平板样品，并将其置于马赫-陈德尔干涉仪一臂上，产生两路干涉，一路是马赫-陈德尔干涉，另一路是组合平板样品的两通光面形成的等厚干涉，组合平板样品中的一块固定，另一块沿固定块平移的同时，精密测定移动过程中两路干涉条纹的变化量m₁和m₂；利用n＝1/{1-2(m₁/m₂)}计算待测材料的折射率。本发明的优点是：折射率测量精度达10^-5～10^-6；在测试过程中避免使用测角仪；在样品移动过程中，光束方向不产生变化，不会破坏干涉；折射率只与条纹变化量有关；影响测量精度的因素减少；所测折射率上限达2.7，可测量从紫外到红外的材料折射率。

Description

透明材料折射率测量方法及其干涉测量仪

技术领域：

本发明与透明材料有关，特别是一种透明材料折射率的测量方法及其干涉测量仪；

背景技术：

测量透明材料折射率的经典仪器有阿贝折射率仪、V棱镜折射率仪和最小偏向角法折射率仪。阿贝折射率仪测量精度不高，最高到10^-4，V棱镜折射率仪测量精度高达10^-5，以上两种装置由于折射率匹配液原因不能测量折射率高于1.8的材料，最小偏向角法折射率仪测量精度高到10^-6，但需要精度高达2″的测角仪。公开号为1077533的专利提出的干涉法折射率测定仪，是采用改进的迈克尔逊干涉仪，通过转动样品到规定角度，记录条纹变化量，得到待测材料折射率。该测定仪测量精度可达10^-5，但该测定仪存在以下缺点：

1.该测定仪在测试过程中，需要转动样品，这需要高定都测角仪才能达到其测试精度。

2.该测定仪通过转动样品改变光程差，需要转动很大角度才能得到大量的条纹变化量，以达到其测量精度。但引起光束偏转很大，可能破坏其干涉。

3.该测定仪影响测量精度的因素很多，例如样品厚度、光源波长、转动角度和条纹变化量等的误差都会影响该测定仪的测量精度。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术在测量透明材料折射率方面的困难，提供一种透明材料折射率的测量方法，在此基础上，提供一种透明材料折射率干涉测量仪。

本发明的技术解决方案如下：

本发明透明材料折射率测量方法包括下列步骤：

1).将待测材料制成两块对称棱镜组成的组合平板样品；

2).将该组合平板样品置于马赫-陈德尔干涉仪一臂上，产生两路干涉，一路是马赫-陈德尔干涉，另一路是组合平板样品两通光面形成的等厚干涉；

3).组合平板样品中的一块固定，另一块沿指定方向平移的同时，精密测定移动过程中两路干涉条纹的变化量m₁和m₂；

4).利用下式计算待测材料的折射率：

$n=\frac{1}{1-2(m_1/m_2)}$

根据上述方法建立的透明材料折射率干涉测量仪包括激光电源、准直透镜、第一半透半反镜、第一光电接收器、第一光阑、第一偏振片、组合平板样品、第一全反镜、数据采集系统、计算机、第二光电接收器、第二光阑、第二半透半反镜、第二全反镜，其位置关系如下：激光光源发出的激光经准直透镜成平行光，入射到第一半透半反镜，分成两束光，其中透射光束通过组合平板样品，经第一全反镜反射到第二半透半反镜；反射光束经第二全反镜反射到第二半透半反镜，形成马赫-陈德尔干涉，干涉条纹经孔径小于干涉条纹宽度的光阑入射到光电接收器上；透射光束入射到组合平板样品上时，分别在该样品的两通光面产生反射，两面的反射光束经第一半透半反镜产生等厚干涉，干涉条纹通过孔径小于干涉条纹宽度的第一光阑，入射到第一光电接收器上，第一光电接收器和第二光电接收器接收到的干涉条纹变化量经数据采集系统输入计算机进行数据处理。

在第一半透半反镜和组合平板样品之间还设有第一偏振片，在第一半透半反镜和第二全反镜之间还设有第二偏振片，以适应利用透明材料折射率干涉测量仪测量各向异性透明材料的需要。

所述的组合平板样品是由一矩形样品沿对角线切割而成的相同的两块样品，并将两切面磨光后胶成整体加工，然后加温使样品分离而成的，而且要求两通光面的平整度＜0.5，光洁度PIII，组合后的平行度≤10″。其余面用320号砂磨光，所有棱倒角0.5mm。

透明材料折射率干涉测量仪作为一个完整的测量仪器其构成可分为下列四个部分：

第一模块：配置多波长激光的激光光源；

第二模块：包括上述光路的组合干涉仪、组合样品架和驱动组合平板样品运动的步进电机；

第三模块：光电接收器、低噪声直流放大器、数据采集和图像处理的数据采集系统；

第四模块：计算机及其过程控制、数据采集、图像处理和数据处理分析软件。

本分明的技术效果如下：

1.本发明装置透明材料折射率测量精度达10^-5-10^-6；

2.本发明在测试过程中不用测角仪；

3.在样品移动过程中，光束方向不产生变化，不会破坏干涉；

4.折射率只与条纹变化量有关，影响测量精度的因素较少；

5.所测折射率上限达2.7，可测量从紫外到红外的材料折射率。

下面结合附图对发明作进一步说明。

附图说明：

图1-本发明干涉测量仪的光路结构示意图。

图2-本发明样品加工示意图。

具体实施方式：

先请参阅图1，图1是本发明透明材料折射率干涉测量仪光路结构示意图。由图可见，本发明透明材料折射率干涉测量仪包括激光光源1，准直透镜2，第一半透半反镜3，第一光点接收器4，第一光阑5，第一偏振片6，组合平板样品7，第一全反镜8，数据采集系统9，计算机10，分析处理软件11，第二光电接收器12，第二光阑13，第二半透半反镜14，第二全反镜15，第二偏振片16。激光光源1产生的激光束，经准直透镜2成成平行光，入射到第一半透半反镜3，分成两束光，其中透射光束通过待测样品7，经第一全反镜8反射到第二半透半反镜14，反射光束经第二全反镜15反射到第二半透半反镜14上，形成马赫-陈德尔干涉，干涉条纹经孔径小于干涉条纹宽度的第二光阑13，入射到第二光电接收器12上；透射光束入射到组合平板样品7上时，分别在组合平板样品7的两通光面产生反射，两面的反射光束经第一半透半反镜3，产生等厚干涉，干涉条纹通过孔径小于条纹宽度的第一光阑5，入射到第一光电接收器4上。测量时，沿图1中组合平板样品7中的箭头方向缓慢移动组合平板样品7中的一块701，固定组合平板样品7的另一块702，引起两路干涉的干涉条纹变化，光电接收器4和12接收到条纹变化量，经数据采集系统9，输入计算机10，得到条纹变化量m₁和m₂，采用分析处理软件11，根据公式 $n=\frac{1}{1-2(m_1/m_2)}$ 可计算出待测样品的折射率，其中n为材料折射率，m₁和m₂是两路干涉的条纹变化量。

测量各向异性材料时，在干涉测量仪的两臂分别假如第一偏振片6和第二偏振片16。

利用不同波长的激光光源，可以测量材料从紫外到近红外的折射率，从而得到材料的色散和阿贝尔数。

组合平板样品7加工技术要求如下：

1、图2所示将矩形样品沿对角线切割成相同的两块701、702，并将两切面磨光后光胶成整体再按图2技术要求加工；然后加温使样品分离。

2、两通光面平整度N＜0.5，光洁度PIII，组合后平行度≤10″；

3、其余面320号砂磨毛，所有棱倒角为0.5mm。

本发明透明材料折射率干涉测量仪的构成包括四个模块：配置各种波长(如532、650、1060nm等)激光组成多波长测量系统的第一模块；包括图1所示光路的组合干涉仪、组合样品架和步进电机组成的第二模块作为仪器的主体；采用光电接收器、低噪声直流放大器、数据采集及图像处理组成仪器的第三模块；过程控制、数据采集、图像处理和数据处理分析软件和电脑组成系统的第四模块。

只要将组合平板样品7放置光路中，并将干涉条纹级别调到接近零场，由计算机控制步进马达带动样品701沿702棱镜斜面缓慢移动。周期性电信号送入计算机进行条纹计数和识别，最后计算出测量结果。整个测量中只要将组合平板样品7放入并微调干涉仪，其余工作可全部由电脑控制完成。

Claims (5)

1、一种透明材料折射率的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)将待测材料制成两块对称棱镜形成的组合平板样品；

2)将该组合平板样品置于马赫-陈德尔干涉仪一臂上，产生两路干涉，一路是马赫-陈德尔干涉，另一路是组合平板样品两通光面形成的等厚干涉；

3)组合平板样品中的一块固定，另一块沿指定方向平移的同时，精密测定移动过程中两路干涉条纹的变化量m₁和m₂；

4)利用下式计算待测材料的折射率：

$n=\frac{1}{1-2(m_1/m_2)}$

2、一种透明材料折射率干涉测量仪，其特征在于它包括激光光源(1)、准直透镜(2)、第一半透半反镜(3)、第一光电接收器(4)、第一光阑(5)、第一偏振片(6)、组合平板样品(7)，第一全反镜(8)、数据采集系统(9)、计算机(10)、第二光电接收器(12)、第二光阑(13)、第二半透半反镜(14)第二全反镜(15)，其位置关系如下：激光光源(1)发出的激光经准直透镜(2)成平行光，入射到第一半透半反镜(3)，分成两束光，其中透射光束通过组合平板样品(7)，经第一全反镜(8)反射到第二半透半反镜(14)；反射光束经第二全反镜(15)反射到第二半透半反镜(14)，形成马赫-陈德尔干涉，干涉条纹经孔径小于干涉条纹宽度的第二光阑(13)入射到第二光电接收器(12)上；透射光束入射到组合平板样品(7)上时，分别在该组合平板样品(7)的两通光面产生反射，两面的反射光束经第一半透半反镜(3)产生等厚干涉，干涉条纹通过孔径小于干涉条纹宽度的第一光阑(5)，入射到第一光电接收器(4)上，第一光电接收器(4)和第二光电接收器(12)接收到的干涉条纹变化量经数据采集系统(9)输入计算机(10)进行数据处理。

3、根据权利要求2所述的透明材料折射率干涉测量仪，其特征在于在第一半透半反镜(3)和组合平板样品(7)之间还设有第一偏振片(6)，在第一半透半反镜(3)和第二全反镜(15)之间还设有第二偏振片(16)。

4、根据权利要求2所述的透明材料折射率干涉测量仪，其特征在于所述组合平板样品(7)是由一矩形样品沿对角线切割而成的相同的两块样品，并将两切面磨光后胶成整体再加工，然后加温使样品分离而成的，两通光面的平整度＜0.5，光洁度PIII，组合后的平行度≤10″，其余面用320号砂磨光，所有棱倒角0.5mm。

5、根据权利要求2至4任一项所述的透明材料折射率干涉测量仪，其特征在于其构成可分为下列四个部分：

第一模块：配置多波长激光的激光光源；

第二模块：组合干涉仪、组合样品架和驱动组合平板样品运动的步进电机；

第三模块：光电接收器(4，12)、低噪声直流放大器、数据采集和图像处理的数据采集系统；

第四模块：计算机(10)及其过程控制、数据采集、图像处理和数据处理分析软件。