CN215374439U - 一种折射率测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种折射率测量装置，包括光源、起偏器与测量机构，光源用于产生光线；起偏器沿光线的传播光路设于光源的一侧，消除光路上偏振态与待测样品上入射面不平行的光线，使偏振态与待测样品上入射面平行的光线通过；测量机构沿光线的传播光路设于起偏器远离光源的一侧，包括第一转盘、相互垂直的第一悬臂与第二悬臂，第一悬臂一端与第一转盘外周连接，且第一悬臂沿第一转盘的径向延伸，另一端与第二悬臂连接，第二悬臂与光线位于同一水平面，第一悬臂与第二悬臂连接处上设通孔，第一转盘承载待测样品且能够沿其中心朝向第二悬臂的方向转动，光线能够通过通孔垂直进入待测样品入射表面形成入射点，待测样品入射点与第一转盘的中心共线。

Description

一种折射率测量装置

技术领域

本实用新型属于测量仪器领域，具体涉及一种折射率测量装置。

背景技术

折射率，是介质材料的主要光学参数之一，其测量在工业生产和实验研究中具有重要意义；目前测量折射率的方法主要有最小偏向角法、等倾干涉法、全反射临界角法、布儒斯特角法等，布儒斯特角法是目前实验室常用的测量方法，是基于布儒斯特定律测量材料折射率的一种非接触式测量方法，这种测量方法在测量待测样品的折射率时，采用氦氖激光器或造价较高的固体激光器，同时还需使用光电探测器、电动转台、分光计等仪器设备，这类设备在操作、调试上较为复杂，需要专业的技术人员对其操作，并根据实验数据经过计算才能完成测试工作，测量成本较高，不能实现测量的普遍性与直接读取性，不利于折射率测量装置在实验室的大量推广。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种折射率测量装置，解决现有技术的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种折射率测量装置，包括光源、起偏器与测量机构，光源用于产生光线；起偏器沿所述光线的传播光路设于所述光源的一侧，用于消除光路上偏振态与待测样品上入射面不平行的光线，使偏振态与待测样品上入射面平行的光线通过；测量机构，沿所述光线的传播光路设于所述起偏器远离所述光源的一侧，所述测量机构包括第一转盘、相互垂直的第一悬臂与第二悬臂，所述第一悬臂一端与第一转盘的外周连接，且所述第一悬臂沿所述第一转盘的径向延伸，所述第一悬臂另一端与第二悬臂连接，所述第二悬臂与所述光线位于同一水平面，所述第一悬臂与第二悬臂的连接处上设置通孔，所述第一转盘用于承载待测样品且能够沿其中心朝向第二悬臂的方向转动，所述光线能够通过所述通孔垂直进入所述待测样品的入射表面形成入射点，所述待测样品的入射点与第一转盘的中心共线。

将所述通孔与入射点之间的距离记为一个单位长度，并在所述通孔处标记零刻度线，沿所述零刻度线处，按照所述单位长度对第二悬臂进行刻度线标记。

所述测量机构还包括第二转盘，所述第一转盘设于第二转盘上方，第二转盘中心到其外边缘的距离大于第一转盘的中心到其边缘的距离，且第一转盘与第二转盘的中心共线，所述第二转盘的中心上设置转轴，所述第一转盘设于转轴上。

所述第一转盘与第二转盘均为圆盘，所述第一转盘与第一悬臂连接处的盘面上设置零刻度线，与零刻度线对应将第一转盘四等份处依次设置90度刻度线、180度刻度线与270度刻度线；

所述第二转盘上与第一转盘相对应的位置上设置零刻度线、90度刻度线、180度刻度线与270度刻度线并进行刻度线标记。如权利要求所述的折射率测量装置，其特征在于，所述折射率测量装置还包括光阑，所述光阑设于起偏器与测量机构之间。

所述折射率测量装置包括底座，所述光源、起偏器、光阑与测量机构均设于所述底座上。

所述光源为激光二极管。

本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本实用新型的折射率测量装置，通过在光线传播的光路上设置起偏器，消除光路上偏振态与待测样上入射面不平行的光线，使偏振态与待测样品上入射面平行的光线通过；能够有效的防止偏振态与待测样品上入射面不平行的光线在实验测量时，进入到待测样品的入射面后产生反射光，对应的反射光会在第二悬臂上出现反射光点且反射光点不消失的现象，干扰测量工作者读取数据，失去本装置的测量意义；将第一悬臂设于第一转盘的外周面上，并在第一悬臂与第二悬臂连接处设置通孔，初始时刻时，光线能够通过通孔到达第一转盘上方垂直入射到待测样品的入射表面上形成入射点，通过设置入射点与第一转盘的中心共线，保证转动第一转盘后，入射光线始终位于待测样品入射表面上的同一入射点处，通过设置第二悬臂与第一悬臂垂直，且第二悬臂与沿光线传播的光路位于同一平面，当转动第一转盘时，待测样品的入射表面随之转动，入射光线经待测样品入射表面反射到第二悬臂形成光点；入射光线与入射点处的法线所成夹角即为光线入射角，当反射光从第二悬臂上消失时，通孔与第二悬臂上光点消失的距离记为l_B，通孔与入射点的距离记为l₀，根据布儒斯特原理可知，l_B与l₀的比值即为待测样品的折射率，本实用新型的折射率测量装置，结构简单，便于操作，折射率计算便捷，测量效率高。

(Ⅱ)本实用新型的折射率测量装置，通过设置通孔与入射点之间的距离记为一个单位长度，在通孔处标记零刻度线，并沿零刻度线处按照一个单位长度对第二悬臂进行刻度线标记，初始时刻光线通过通孔到达待测样品表面，当反射光在第二悬臂消失的刻度线值即为该待测样品的折射率，本实用新型的折射率测量装置可直接根据第二悬臂的刻度线标记直观的读取出折射率，不需要通过数学计算得出折射率，工作效率高。

附图说明

图1是本实用新型的折射率测量装置的整体示意图；

图2是本实用新型的测量机构的结构示意图；

图3是本实用新型的第二悬臂的结构示意图；

图4是本实用新型的起始时刻的光线传播光路示意图；

图5是本实用新型的测量出折射率时光线传播光路示意图；

图6是本实用新型的原理图。

图中各个标号的含义为：

1-光源，2-起偏器，3-第一转盘，4-第一悬臂，5-第二悬臂，6-通孔，7-第二转盘，8-光阑，9-底座，10-待测样品。

以下结合实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

本文中所提及到的方向性术语，如“直径”均与说明书附图中纸面上的具体方向或附图中所示空间的相应方向一致。

入射面：由入射光线与入射点处的法线所构成的平面被称为入射面。

入射光线：由光源产生的光线中，到达待测样品入射表面的光线。本文所述的传播方向为水平方向，具体的水平方向与底座平行，图中的箭头方向代表光线的传播方向。

入射点：入射光线到达入射表面上与入射面的交点。

入射表面：待测样品上，入射光线进入的一侧表面为待测样品的入射表面。

实施例：

一种折射率测量装置，如图1-6所示，光源1、起偏器2与测量机构，光源1用于产生光线；起偏器2沿所述光线的传播光路设于所述光源的一侧，用于消除光路上偏振态与待测样品10上入射面不平行的光线，使偏振态与待测样品10上入射面平行的光线通过；；测量机构，沿所述光线的传播光路设于所述起偏器2远离所述光源的一侧，所述测量机构包括第一转盘3、相互垂直的第一悬臂4与第二悬臂5，所述第一悬臂4一端与第一转盘3的外周连接，且所述第一悬臂4沿所述第一转盘3的径向延伸，所述第一悬臂4另一端与第二悬臂5连接，所述第二悬臂5与所述光线位于同一水平面，所述第二悬臂5上设置通孔6，所述第一转盘3用于承载待测样品10且能够沿其中心朝向第二悬臂5的方向转动，所述光线能够通过所述通孔6与所述待测样品10的入射面形成入射点，所述待测样品10的入射点与第一转盘3的中心共线。

本实施例折射率测量装置，通过在光线传播的光路上设置起偏器2，消除光路上偏振态与待测样品10上入射面不平行的光线，使偏振态与待测样品10上入射面平行的光线通过，能够有效的防止偏振态与待测样品10上入射面不平行的光线在实验测量时，进入到待测样品的入射面后产生反射光，对应的反射光会在第二悬臂5上出现反射光点且反射光点不消失的现象，干扰测量工作者读取数据，失去本装置的测量意义；将第一悬臂4设于第一转盘3的外周面上且第一悬臂4沿所述第一转盘3的径向延伸，并在第一悬臂4与第二悬臂5连接处设置通孔6，确保初始时刻时，光线能够通过通孔6到达第一转盘上方垂直入射到待测样品10的入射表面上形成入射点，且入射点能够垂直第二悬臂5，通过设置入射点与第一转盘3的中心共线，保证转动第一转盘3后，入射光线始终位于待测样品10入射表面上的同一入射点处，通过设置第二悬臂5与第一悬臂4垂直，且第二悬臂5与沿光线传播的光路位于同一平面，当转动第一转盘3时，待测样品10的入射表面随之转动，入射光线经待测样品10入射表面反射到第二悬臂5形成光点；入射光线与入射点处的法线所成夹角即为光线入射角，产生反射光，且反射光能够到达第二悬臂5上并出现光点，当反射光从第二悬臂5上消失时，通孔6与第二悬臂5上光点消失的距离记为l_B，通孔6与入射点的距离记为l₀，根据布儒斯特原理可知，l_B与l₀的比值即为待测样品10的折射率，本实用新型的折射率测量装置，结构简单，便于操作，折射率计算便捷，测量效率高。

其中，本实施例中采用的起偏器为格兰棱镜。

作为本实施例的一种优选方案，将所述通孔6与入射点之间的距离记为一个单位长度，并在所述通孔6处标记零刻度线，沿所述零刻度线处，按照所述单位长度对第二悬臂5进行刻度线标记。

通过设置l₀为一个单位长度，在通孔6处标记零刻度线，并在所述零刻度线处对第二悬臂5进行刻度线标记，光线通过通孔6到达待测样品10的入射面，反射光在第二悬臂5消失的刻度线值即为该待测样品10的折射率，本实施例的折射率测量装置可直接根据第二悬臂5的刻度线值即l_B的数值，直观的读取出折射率，不需要通过数学计算得出折射率，工作效率高。

作为本实施例的一种优选方案，所述测量机构还包括第二转盘7，所述第一转盘3设于第二转盘7上方，第二转盘7中心到其外边缘的距离大于第一转盘3的中心到其边缘的距离，且第一转盘3与第二转盘7的中心共线，所述第二转盘7的中心上设置转轴，所述第一转盘3设于转轴上。

其中，设置第二转盘7的目的是为了测量第一转盘3相对第二转盘7转动的角度，当反射光在第二悬臂上消失时，第一转盘3相对第二转盘7转动的角度即为布儒斯特角，本实用新型在测量待测样品10的折射率的同时也能够快速的获取待测样品10的布儒斯特角值，提升工作效率。

作为本实施例的一种优选方案，所述第一转盘3与第二转盘7均为圆盘，所述第一转盘3与第一悬臂4连接处的盘面上设置零刻度线，与零刻度线对应将第一转盘3四等份处依次设置90度刻度线、180度刻度线与270度刻度线；

所述第二转盘7上与第一转盘3相对应的位置上设置零刻度线、90度刻度线、180度刻度线与270度刻度线并进行刻度线标记。

其中，在第一转盘3上设置各刻度线的目的，一方面是在放置待测样品10时提供参照点，辅助待测样品10的精准放置，能够提高测量的精准度，具体的，本实施例中待测样品10的待测面放置在与90度刻度线和270度刻度线完全平齐的位置，目的是为了确保待测样品10的在初始时刻入射光线能够垂直入射到待测样品10入射表面，确保测量的精准度；另一方面与第二转盘7上的各刻度线相互对应，能够根据刻度线值直接读取到第一转盘3相对第二转盘7转动的角度，方便快捷的读出布儒斯特角。

作为本实施例的一种优选方案，所述折射率测量装置还包括光阑8，所述光阑8设于起偏器2与测量机构之间。

其中，光阑8的作用是为了校准测量机构初始时刻是否处于光线传播的光路上，当光线同时经过光阑8与测量机构达到待测样品10表面即完成校准，本实施例中采用的光阑8为孔径光阑。

作为本实施例的一种优选方案，所述折射率测量装置包括底座9，所述光源1、起偏器2、光阑8与测量机构均设于所述底座9上。

其中，设置底座9的目的是为了提高测量装置的集成度与操作性，便于测量人员操作。

所述光源1为激光二极管，其中激光二极管为常用的激光器，激光二极管发出的光束直径≤0.5mm、发散度≤0.2mrad，在测量装置中激光主偏振方向与激光传播方向相同，即平行于水平方向，激光波段的选取不会影响折射率测量结果，提高折射率测量的精度。

如图6所示，本实施例的工作原理是：

自然光在两种介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角i_B。布儒斯特角与两种介质折射率的关系为：

其中n₁、n₂分别为入射光线和折射光线所在空间介质的折射率。如果入射光线的偏振态平行入射面，即本实施例中的水平面，当偏振光入射到两种介质界面上时,当入射角小于i_B时，透射光与反射光均为偏振态平行入射面的水平方向偏振光；当入射角等于i_B时,待测样品10界面处只反射振动方向与入射面垂直的偏振光束，因此水平偏振光完全透过待测样品10界面，水平偏振光的反射光强为0。在本实施例中，入射空间介质为空气,则布儒斯特定律可简化为：tani_B＝n₂；由上式可知，只要测得布儒斯特角i_B，即可计算出该固体材料的折射率n₂；由图6中的几何关系可知，布儒斯特角i_B的正切值为：

其中l_B对应于为第二悬臂5上对应激光光点消失位置的刻度值，l₀为通孔6到第一转盘3圆心的距离，当l₀为一个单位长度时，可将上式简化为：tan i_B＝l_B＝n₂，即n₂＝l_B，第二悬臂5上对应激光光点消失位置的刻度值即为该固体材料的折射率n₂，在实施例中，取l₀＝100mm，悬臂长臂＝200mm，第二悬臂5最小刻度线长0.5mm，因此折射率最小读取精度为0.005，本实施例中的待测样品10为普通玻璃，测得待测样品10的折射率为1.570，布儒斯特角为57.8°，根据记载的普通玻璃的折射率为1.58，布儒斯特角为57.67°，验证本实施例的可行性与精确性。

本实施例的工作过程：

首先，将待测样品10的待测面放置在第一转盘3的90度刻度线和270度刻度线完全平齐的位置，调整第一转盘3使激光能够通过通孔6垂直进入待测样品10的入射面，此时开始沿朝向第二悬臂5的方向均匀缓慢的转动第一转盘3，当反射光线的激光光点从第二悬臂5上消失时，此时停止转动第一转盘3，读出待测样品10的折射率与布儒斯特角。

Claims (6)

1.一种折射率测量装置，其特征在于，包括，

光源(1)，用于产生光线；

起偏器(2)，沿所述光线的传播光路设于所述光源的一侧，用于消除光路上偏振态与待测样品(10)上入射面不平行的光线，使偏振态与待测样品(10)上入射面平行的光线通过；

测量机构，沿所述光线的传播光路设于所述起偏器(2)远离所述光源的一侧，所述测量机构包括第一转盘(3)、相互垂直的第一悬臂(4)与第二悬臂(5)，所述第一悬臂(4)一端与第一转盘(3)的外周连接，且所述第一悬臂(4)沿所述第一转盘(3)的径向延伸，所述第一悬臂(4)另一端与第二悬臂(5)连接，所述第二悬臂(5)与所述光线位于同一水平面，所述第一悬臂(4)与第二悬臂(5)的连接处上设置通孔(6)，所述第一转盘(3)用于承载待测样品(10)且能够沿其中心朝向第二悬臂(5)的方向转动，所述光线能够通过所述通孔(6)垂直进入所述待测样品(10)的入射表面形成入射点，所述待测样品(10)的入射点与第一转盘(3)的中心共线。

2.如权利要求1所述的折射率测量装置，其特征在于，将所述通孔(6)与入射点之间的距离记为一个单位长度，并在所述通孔(6)处标记零刻度线，沿所述零刻度线处，按照所述单位长度对第二悬臂(5)进行刻度线标记。

3.如权利要求1所述的折射率测量装置，其特征在于，所述测量机构还包括，

第二转盘(7)，所述第一转盘(3)设于第二转盘(7)上方，第二转盘(7)中心到其外边缘的距离大于第一转盘(3)的中心到其边缘的距离，且第一转盘(3)与第二转盘(7)的中心共线，所述第二转盘(7)的中心上设置转轴，所述第一转盘(3)设于转轴上。

4.如权利要求3所述的折射率测量装置，其特征在于，所述第一转盘(3)与第二转盘(7)均为圆盘，所述第一转盘(3)与第一悬臂(4)连接处的盘面上设置零刻度线，与零刻度线对应将第一转盘(3)四等份处依次设置90度刻度线、180度刻度线与270度刻度线；

所述第二转盘(7)上与第一转盘(3)相对应的位置上设置零刻度线、90度刻度线、180度刻度线与270度刻度线并进行刻度线标记。如权利要求1所述的折射率测量装置，其特征在于，所述折射率测量装置还包括光阑(8)，所述光阑(8)设于起偏器(2)与测量机构之间。

5.如权利要求4所述的折射率测量装置，其特征在于，所述折射率测量装置包括，

底座(9)，所述光源(1)、起偏器(2)、光阑(8)与测量机构均设于所述底座(9)上。

6.如权利要求1所述的折射率测量装置，其特征在于，所述光源(1)为激光二极管。

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