專利名稱：透明介質(zhì)折射率的測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，是關(guān)于一種利用激光縱模間隔變化測(cè)量透明介質(zhì)折射率的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
折射率是材料的重要物理參數(shù)之一，也是影響光學(xué)系統(tǒng)性能的重要因素。折射率測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域包括光學(xué)元件的設(shè)計(jì)和加工，食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)的成分檢測(cè)和產(chǎn)品鑒定，薄膜檢測(cè)，晶體材料研制，環(huán)境監(jiān)測(cè)以及珠寶鑒定等。對(duì)一些要求較高的系統(tǒng)，折射率的精確測(cè)量是必要的條件。目前的折射率測(cè)量方法主要包括測(cè)角法、干涉法、菲涅耳公式法等。其中測(cè)角法是通過(guò)測(cè)量角度來(lái)計(jì)算折射率，包括最小偏向角法、臨界角法(全反射法)、v棱鏡法、自準(zhǔn)直 法、斯涅耳定律、布儒斯特角法等。干涉法利用雙光束干涉中的光程改變量來(lái)計(jì)算折射率，包括邁克爾遜干涉法、馬赫-澤德干涉法、F-P干涉儀法、瑞利干涉法、楊氏干涉、等厚干涉、等傾干涉等。菲涅爾公式法是利用測(cè)量P或s偏振光的反射系數(shù)來(lái)計(jì)算折射率。此外，折射率的測(cè)量方法還包括莫爾條紋法、光譜法、橢偏儀法、毛細(xì)管聚焦法、三真空管等效波長(zhǎng)法等。然而，傳統(tǒng)的折射率測(cè)量方法和測(cè)量裝置不能溯源，精度難于進(jìn)一步提高，測(cè)量范圍受限或是加工和配制復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，確有必要提供一種具有易于操作的，高靈敏度、高精度，且具有溯源可能的折射率測(cè)量方法和測(cè)量裝置。一種透明介質(zhì)折射率的測(cè)量裝置，包括半外腔激光器，所述半外腔激光器包括一增益管及一輸出腔鏡，所述輸出腔鏡置于所述增益管的下方，且與所述增益管間隔設(shè)置共同構(gòu)成激光諧振腔；一樣品座，所述樣品座設(shè)置于所述增益管與輸出腔鏡之間，用以承載被測(cè)樣品，所述樣品座包括一通光孔，使半外腔激光器產(chǎn)生的激光穿過(guò)所述通光孔；一數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，包括偏振片、雪崩光電二極管以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述偏振片設(shè)置于所述樣品座的下方，以混合半外腔激光器產(chǎn)生的激光中不同偏振方向的輸出頻率，所述雪崩光電二極管設(shè)置于所述偏振片的下方，以探測(cè)拍頻并將拍頻輸出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。—種透明介質(zhì)折射率的測(cè)量方法，包括以下步驟提供一半外腔激光器，所述半外腔激光器包括一增益管及一輸出腔鏡，所述輸出腔鏡置于所述增益管的下方，且與所述增益管間隔設(shè)置共同構(gòu)成激光諧振腔，所述半外腔激光器運(yùn)行模式為基橫模、連續(xù)輸出，兩個(gè)以上縱模同時(shí)振蕩；在所述增益管與輸出腔鏡之間設(shè)置一樣品座，所述樣品座包括一通光孔，所述半外腔激光器產(chǎn)生的激光穿過(guò)所述通光孔；提供一數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，包括偏振片、雪崩光電二極管以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述偏振片設(shè)置于所述樣品座的下方，以混合半外腔激光器產(chǎn)生的激光中不同偏振方向的輸出頻率，所述雪崩光電二極管設(shè)置于所述偏振片的下方，以探測(cè)縱模間隔并將縱模間隔輸出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)讀取并記錄未設(shè)置被測(cè)樣品時(shí)的初始縱模間隔Atl ;將被測(cè)樣品設(shè)置于所述樣品座，使所述半外腔激光器發(fā)出的激光穿過(guò)所述樣品及所述樣品座的通光孔，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄放入樣品后的縱模間隔An ;通過(guò)縱模間隔公式計(jì)算得到所述被測(cè)樣品的折射率。一種透明介質(zhì)折射率的測(cè)量方法，包括以下步驟提供一半外腔激光器，所述半外腔激光器包括一增益管及一輸出腔鏡，所述輸出腔鏡置于所述增益管的下方，且與所述增益管間隔設(shè)置共同構(gòu)成激光諧振腔，所述半外腔激光器運(yùn)行模式為基橫模、連續(xù)輸出，兩個(gè)以上縱模同時(shí)振蕩；在所述增益管與輸出腔鏡之間設(shè)置一樣品座，所述樣品座包括一通光孔，所述半外腔激光器產(chǎn)生的激光穿過(guò)所述通光孔；提供一數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，包括第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、渥拉斯頓棱鏡 偏振片、雪崩光電二極管及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述渥拉斯頓棱鏡位于所述增益管上方，以將半外腔激光器輸出的激光中兩個(gè)垂直偏振的相鄰縱模分開，形成兩路光強(qiáng)信號(hào)；所述第一光電探測(cè)器及第二光電探測(cè)器位于所述渥拉斯頓棱鏡的上方，以分別接收渥拉斯頓棱鏡分出的兩路光強(qiáng)信號(hào)，并將所述兩路光強(qiáng)信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；調(diào)整輸出腔鏡使輸出腔鏡沿激光軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器獲得的光強(qiáng)信號(hào)相等時(shí)，通過(guò)偏振片、雪崩光電二極管和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得未設(shè)置被測(cè)樣品時(shí)的初始縱模間隔Atl ;將被測(cè)樣品設(shè)置于所述樣品座，使所述半外腔激光器發(fā)出的激光穿過(guò)所述樣品及所述樣品座的通光孔；調(diào)整輸出腔鏡使輸出腔鏡沿激光軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器獲得的光強(qiáng)信號(hào)相等時(shí)，通過(guò)雪崩光電二極管和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得放入樣品后的縱模間隔An ;通過(guò)縱模間隔公式計(jì)算得到所述被測(cè)樣品的折射率。本發(fā)明所述的透明介質(zhì)折射率的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，利用激光縱模間隔的變化，通過(guò)測(cè)量放入被測(cè)樣品前后的縱模間隔，即可計(jì)算得到被測(cè)樣品的折射率。此檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單，靈敏度高，且具有應(yīng)用于殘余應(yīng)力等微小應(yīng)力檢測(cè)需求的潛力，并且測(cè)量結(jié)果具有溯源的潛力。


圖I是本發(fā)明第一實(shí)施例所述的透明介質(zhì)折射率測(cè)量方法的裝置示意圖。圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例所述的透明介質(zhì)折射率測(cè)量方法的裝置示意圖。圖3是本發(fā)明中所述激光縱模間隔的示意圖。主要元件符號(hào)說(shuō)明
第一光電探測(cè)器 11 第二光電探測(cè)器 T 渥拉斯頓棱鏡3
增益管_4_
樣品座_5_
輸出腔鏡_6
壓電陶瓷T
偏振片_8
雪崩光電二極管
高反腔鏡_
增益介質(zhì)TI
增透窗片石
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)113如下具體實(shí)施例將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提供的透明介質(zhì)折射率的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。如圖I所示，本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種利用激光縱模間隔變化測(cè)量透明介質(zhì)折射率的裝置及其測(cè)量方法，所述裝置包括半外腔激光器、樣品座5以及一數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。所述半外腔激光器既作為光源又作為傳感器，為半外(內(nèi))腔結(jié)構(gòu)，雙縱模(或多縱模)、基橫模模式，連續(xù)輸出，所述激光器類型可以是氣體激光器、半導(dǎo)體激光器和固體激光
翌坐 所述半外腔激光器包括增益管4，輸出腔鏡6。優(yōu)選的，所述增益管4，輸出腔鏡6沿激光的輸出方向共軸設(shè)置。所述增益管4包括高反腔鏡10，增益介質(zhì)11，增透窗片12沿激光的輸出方向共軸設(shè)置，其中所述高反腔鏡10與增益介質(zhì)11連接；所述增益介質(zhì)11上端與所述高反腔鏡10連接，下端與增透窗片12連接，內(nèi)部含有激光工作物質(zhì)，激光工作物質(zhì)可以為氣體、固體、半導(dǎo)體等；所述增益管4的具體結(jié)構(gòu)可依增益介質(zhì)11不同而具體結(jié)構(gòu)有所不同，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行選擇；所述增透窗片12，上端與所述增益介質(zhì)11連接，鍍有激光波長(zhǎng)的增透膜。所述輸出腔鏡6置于所述增益管4的下方，且與所述增益管4間隔設(shè)置共同構(gòu)成激光諧振腔。樣品座5，位于激光器諧振腔內(nèi)，具體的，所述樣品座5設(shè)置于增益管4與所述輸出腔鏡6之間。當(dāng)用于測(cè)試的被測(cè)樣品放置于樣品座5上時(shí)，激光可照射在所述樣品上。所述樣品座5的中心具有一通光孔，且所述激光可從所述通光孔中穿過(guò)。所述數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，以讀取拍頻。所述數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)包括偏振片8、雪崩光電二極管9以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)13。所述偏振片8位于所述輸出腔鏡6后，用于混合不同偏振方向的輸出頻率；所述雪崩光電二極管9，位于所述偏振片8后，用于探測(cè)拍頻并輸出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)13 ;所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)13用于接收并顯示拍頻信號(hào)，如頻譜儀等，也可以為其他具有相同頻譜記錄及顯示功能的裝置，用于以計(jì)算折射率值。本發(fā)明中，所述“上”、“下”均以圖I所示的結(jié)構(gòu)、方向及位置關(guān)系為基礎(chǔ)。本發(fā)明第一實(shí)施例進(jìn)一步提供一種利用激光縱模間隔變化測(cè)量透明介質(zhì)折射率的裝置及其測(cè)量方法，主要包括以下步驟
第I步，激光工作狀態(tài)設(shè)定為連續(xù)輸出，模式為基橫模，初始縱模個(gè)數(shù)大于等于兩個(gè)； 第2步，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)讀取并記錄初始拍頻值，即初始縱模間隔Aci ;
第3步，將被測(cè)樣品放入所述樣品座5上，所述半外腔激光器發(fā)出的激光穿過(guò)所述被測(cè)樣品及所述樣品座5的通光孔，再次記錄拍頻值，即放入樣品后的縱模間隔An ;
第4步,計(jì)算得到所述被測(cè)樣品的折射率n。所述被測(cè)樣品的折射率n可由下列原理公式推得
縱模間隔公式為
權(quán)利要求
1.一種透明介質(zhì)折射率的測(cè)量裝置，包括 半外腔激光器，所述半外腔激光器包括一增益管及一輸出腔鏡，所述輸出腔鏡置于所述增益管的下方，且與所述增益管間隔設(shè)置共同構(gòu)成激光諧振腔； 一樣品座，所述樣品座設(shè)置于所述增益管與輸出腔鏡之間，用以承載被測(cè)樣品，所述樣品座包括一通光孔，使半外腔激光器產(chǎn)生的激光穿過(guò)所述通光孔； 一數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，包括偏振片、雪崩光電二極管以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述偏振片設(shè)置于所述樣品座的下方，以混合半外腔激光器產(chǎn)生的激光中不同偏振方向的輸出頻率，所述雪崩光電二極管設(shè)置于所述偏振片的下方，以探測(cè)拍頻并將拍頻輸出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求I所述的透明介質(zhì)折射率的測(cè)量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)進(jìn)一步包括一第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器以及一渥拉斯頓棱鏡；所述渥拉斯頓棱鏡設(shè)置于所述增益管的上方，以將半外腔激光器輸出的激光中兩個(gè)垂直偏振的相鄰縱模分開，形成兩路光強(qiáng)信號(hào)；所述第一光電探測(cè)器及第二光電探測(cè)器位于所述渥拉斯頓棱 鏡的上方，以分別接收渥拉斯頓棱鏡分出的兩路光強(qiáng)信號(hào)，并將所述兩路光強(qiáng)信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求I所述的透明介質(zhì)折射率的測(cè)量裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括一壓電陶瓷，所述壓電陶瓷與所述輸出腔鏡固定相連，以控制所述輸出腔鏡沿激光的軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
4.一種透明介質(zhì)折射率的測(cè)量方法，包括以下步驟 提供一半外腔激光器，所述半外腔激光器包括一增益管及一輸出腔鏡，所述輸出腔鏡置于所述增益管的下方，且與所述增益管間隔設(shè)置共同構(gòu)成激光諧振腔，所述半外腔激光器運(yùn)行模式為基橫模、連續(xù)輸出，兩個(gè)以上縱模同時(shí)振蕩； 在所述增益管與輸出腔鏡之間設(shè)置一樣品座，所述樣品座包括一通光孔，所述半外腔激光器產(chǎn)生的激光穿過(guò)所述通光孔； 提供一數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，包括偏振片、雪崩光電二極管以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述偏振片設(shè)置于所述樣品座的下方，以混合半外腔激光器產(chǎn)生的激光中不同偏振方向的輸出頻率，所述雪崩光電二極管設(shè)置于所述偏振片的下方，以探測(cè)縱模間隔并將縱模間隔輸出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； 由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)讀取并記錄未設(shè)置被測(cè)樣品時(shí)的初始縱模間隔Aci ； 將被測(cè)樣品設(shè)置于所述樣品座，使所述半外腔激光器發(fā)出的激光穿過(guò)所述樣品及所述樣品座的通光孔，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄放入樣品后的縱模間隔An ; 通過(guò)縱模間隔公式計(jì)算得到所述被測(cè)樣品的折射率。
5.如權(quán)利要求4所述的透明介質(zhì)折射率的測(cè)量方法，其特征在于，被測(cè)樣品垂直于激光軸線放入腔內(nèi)，所述激光垂直于樣品表面入射。
6.如權(quán)利要求4所述的透明介質(zhì)折射率的測(cè)量方法，其特征在于，所述被測(cè)樣品的折射率通過(guò)以下公式計(jì)算Q ■n^n0 + ^ ^ ^ - A，其中，h為被測(cè)樣品的厚度，a為樣品面法線與激光軸線的夾角，Iitl為樣品周圍的介質(zhì)折射率，C為光速，A為放入被測(cè)樣品前后縱模間隔之差。
7.如權(quán)利要求4所述透明介質(zhì)折射率的測(cè)量方法，其特征在于，進(jìn)一步包括一使所述輸出腔鏡沿著激光軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的步驟，并連續(xù)記錄三次或多次縱模間隔，求所述縱膜間隔的平均值作為An。
8.—種透明介質(zhì)折射率的測(cè)量方法，包括以下步驟 提供一半外腔激光器，所述半外腔激光器包括一增益管及一輸出腔鏡，所述輸出腔鏡置于所述增益管的下方，且與所述增益管間隔設(shè)置共同構(gòu)成激光諧振腔，所述半外腔激光器運(yùn)行模式為基橫模、連續(xù)輸出，兩個(gè)以上縱模同時(shí)振蕩； 在所述增益管與輸出腔鏡之間設(shè)置一樣品座，所述樣品座包括一通光孔，所述半外腔激光器產(chǎn)生的激光穿過(guò)所述通光孔； 提供一數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，包括第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、渥拉斯頓棱鏡、偏振片、雪崩光電二極管及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述渥拉斯頓棱鏡位于所述增益管上方，以將半外腔激光器輸出的激光中兩個(gè)垂直偏振的相鄰縱模分開，形成兩路光強(qiáng)信號(hào)；所述第一光電探測(cè)器及第二光電探測(cè)器位于所述渥拉斯頓棱鏡的上方，以分別接收渥拉斯頓棱鏡分出的兩路光強(qiáng)信號(hào)，并將所述兩路光強(qiáng)信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； 調(diào)節(jié)輸出腔鏡沿著激光軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器獲得的光強(qiáng)信號(hào)相等時(shí)，通過(guò)偏振片、雪崩光電二極管和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得未設(shè)置被測(cè)樣品時(shí)的初始縱模間隔Atl ; 將被測(cè)樣品設(shè)置于所述樣品座，使所述半外腔激光器發(fā)出的激光穿過(guò)所述樣品及所述樣品座的通光孔； 調(diào)節(jié)輸出腔鏡沿著激光軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器獲得的光強(qiáng)信號(hào)相等時(shí)，通過(guò)偏振片、雪崩光電二極管和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得放入樣品后的縱模間隔An ; 通過(guò)縱模間隔公式計(jì)算得到所述被測(cè)樣品的折射率。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，是關(guān)于一種利用激光縱模間隔變化測(cè)量透明介質(zhì)折射率的方法。本方法以激光輸出的相鄰縱模的頻率間隔作為檢測(cè)對(duì)象，在放入被測(cè)樣品后，由于激光器諧振腔光學(xué)長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而引起激光輸出的縱模間隔發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量放入被測(cè)樣品前后的縱模間隔，即可計(jì)算得到被測(cè)樣品的折射率。本發(fā)明將激光頻率引入折射率的測(cè)量，靈敏度非常高，而且測(cè)量結(jié)果具有溯源的潛力。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102735646SQ20121020483
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者張書練, 張鵬, 談宜東 申請(qǐng)人:清華大學(xué)