專利名稱：透明介質折射率的測量裝置及測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種透明介質折射率的測量裝置及測量方法。
背景技術：
折射率是材料的重要物理參數之一，也是影響光學系統(tǒng)性能的重要因素。折射率測量的應用領域包括光學元件的設計和加工，食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)的成分檢測和產品鑒定，薄膜檢測，晶體材料研制，環(huán)境監(jiān)測以及珠寶鑒定等。對一些要求較高的儀器系統(tǒng)，精確測量折射率也有著迫切的需求。目前的折射率測量方法主要包括測角法、干涉法、菲涅耳公式法等。其中測角法是通過角度測量來計算折射率，如最小偏向角法、臨界角法(全反射法)等。然而，傳統(tǒng)的折射率測量方法雖經過不斷的改進，但精度難于進一步提高，例如最小偏向角法，在高精度測量時，對樣品的加工要求極高，而且需要高精度測角裝置，設備龐大，成本很高。而臨界角法(全反射法)測量折射率，因為需要滿足臨界角的條件，因此待測樣品的折射率必須小于標準樣品(一般為藍寶石玻璃)的折射率，測量范圍受到限制。

發(fā)明內容
綜上所述，確有必要提供一種精度高、易于操作、且測量范圍廣泛的透明介質折射率的測量方法和測量裝置。一種透明介質折射率的測量裝置，其中，所述裝置主要包括
一激光器;
一樣品池，所述樣品池位于所述激光器下方以接收入射激光；
一標準樣品，所述標準樣品置于所述樣品池內，所述標準樣品包括一面對激光器的第一表面以及相對的第二表面，所述第一表面為一斜面并接收入射激光，所述第二表面為一平面，所述第一表面與第二表面形成一楔角α ;
一回饋鏡，所述回饋鏡位于所述樣品池下方，以反射從樣品池出射的激光形成激光回
饋；
一位移探測裝置，用于探測所述樣品池的橫向位移；
一光電探測器，所述光電探測器位于所述激光器上方以接收激光信號并轉換為電信號；以及
一信號處理和控制系統(tǒng)，所述信號處理和控制系統(tǒng)與所述光電探測器和所述位移探測裝置連接，以處理從光電探測器輸入的信號并控制所述回饋鏡的往復運動并接收光電探測器的探測結果?！N應用所述透明介質折射率的測量裝置測量透明介質折射率的測量方法，包括以下步驟
將待測樣品置入樣品池內，所述待測樣品與所述標準樣品契合；
調整樣品池的位置，使入射激光的軸線垂直于所述標準樣品的第二表面；信號處理和控制系統(tǒng)向位移驅動裝置輸出控制信號，驅動回饋鏡沿激光軸線方向做往復運動，光電探測器將接收到的激光信號轉換為電信號輸出至信號處理和控制系統(tǒng)；
調節(jié)回饋鏡的位置，使激光回饋進激光腔內，并使信號處理和控制系統(tǒng)顯示的回饋條紋形狀形成正弦型條紋；
關閉信號處理和控制系統(tǒng)對回饋鏡的控制信號，回饋鏡停止往復運動；
將樣品池沿垂直于激光軸線的方向移動一段位移Al，位移探測裝置將位移量Al實時傳送至信號處理和控制系統(tǒng)，同時由信號處理和控制系統(tǒng)接收光電探測器輸出的電信號，并根據回饋條紋個數計算在激光軸線方向上光路的位移量AL ;
根據楔角α、標準樣品的折射率ns、AL和Λ I計算得到待測樣品的折射率η :
Al
n = ^±—^，其中，正負號分別對應待測樣品折射率大于或小于標準樣品折射Al ■ tga率。本發(fā)明所述的透明介質折射率的測量裝置及其測量方法，利用激光器的回饋原理來測量折射率，不受臨界角限制，測量范圍更大，對位移小數部分的檢測要求降低，精度更高；并且測量方法和裝置結構簡單、操作方便、測量范圍廣，可用于固體、液體和氣體透明介質折射率的測量。


圖1為本發(fā)明第一實施例所述的透明介質折射率測量裝置示意圖。圖2為圖1所示的透明介質折射率的測量裝置中標準樣品的結構示意圖。圖3為圖1所示的透明介質折射率的測量裝置測量透明介質折射率方法中位移幾何關系不意圖。圖4為本發(fā)明所述透明介質折射率的測量方法中同步計數原理圖。主要元件符號說明
權利要求
1.一種透明介質折射率的測量裝置，其特征在于，所述裝置主要包括一激光器;一樣品池，所述樣品池位于所述激光器下方以接收入射激光；一標準樣品，所述標準樣品置于所述樣品池內，所述標準樣品包括一面對激光器的第一表面以及相對的第二表面，所述第一表面為一斜面并接收入射激光，所述第二表面為一平面，所述第一表面與第二表面形成一楔角α ;一回饋鏡，所述回饋鏡位于所述樣品池下方，以反射從樣品池出射的激光形成激光回饋；一位移探測裝置，用于探測所述樣品池的橫向位移；一光電探測器，所述光電探測器位于所述激光器上方以接收激光信號并轉換為電信號；以及一信號處理和控制系統(tǒng)，所述信號處理和控制系統(tǒng)與所述光電探測器和所述位移探測裝置連接，以處理從光電探測器輸入的信號并控制所述回饋鏡的往復運動并接收光電探測器的探測結果。
2.如權利要求1所述的透明介質折射率的測量裝置，其特征在于，所述激光器、回饋鏡以及光電探測器沿激光器輸出激光的軸線方向共軸設置。
3.如權利要求2所述的透明介質折射率的測量裝置，其特征在于，所述樣品池為一立方殼體，所述位移探測裝置位于所述樣品池的側方，且所述位移探測裝置的測量軸線垂直于所述樣品池的一側壁。
4.如權利要求1所述的透明介質折射率的測量裝置，其特征在于，所述標準樣品為具有楔角α的透明固體。
5.如權利要求4所述的透明介質折射率的測量裝置，其特征在于，所述楔角α的度數小于5°。
6.如權利要求1所述的透明介質折射率的測量裝置，其特征在于，進一步包括一位移驅動裝置，所述位移驅動裝置與所述回饋鏡固定連接以控制所述回饋鏡沿激光軸線方向往復移動。
7.如權利要求1所述的透明介質折射率的測量裝置，其特征在于，在所述激光器輸出激光軸線方向上，在所述樣品池的池壁內外表面均有鍍設增透膜。
8.一種應用權利要求1所述的透明介質折射率的測量裝置測量透明介質折射率的測量方法，包括以下步驟將待測樣品置入樣品池內，所述待測樣品與所述標準樣品契合；調整樣品池的位置，使入射激光的軸線垂直于所述標準樣品的第二表面；信號處理和控制系統(tǒng)向位移驅動裝置輸出控制信號，驅動回饋鏡沿激光軸線方向做往復運動，光電探測器將接收到的激光信號轉換為電信號輸出至信號處理和控制系統(tǒng)；調節(jié)回饋鏡的位置，使激光回饋進激光腔內，并使信號處理和控制系統(tǒng)顯示的回饋條紋形狀形成正弦型條紋；關閉信號處理和控制系統(tǒng)對回饋鏡的控制信號，回饋鏡停止往復運動；將樣品池沿垂直于激光軸線的方向移動一段位移Al，位移探測裝置將位移量Al實時傳送至信號處理和控制系統(tǒng)，同時由信號處理和控制系統(tǒng)接收光電探測器輸出的電信號，并根據回饋條紋個數計算在激光軸線方向上光路的位移量AL ;根據楔角α、標準樣品的折射率ns、AL和Λ I計算得到待測樣品的折射率η :ALη = π5±—~ ,其中，正負號分別對應待測樣品折射率大于或小于標準樣品折射 Ai ■ Ig (X率。
9.如權利要求8所述的透明介質折射率的測量方法，其特征在于，所述激光器的工作模式為單縱模、基橫模。
10.如權利要求8所述的透明介質折射率的測量方法，其特征在于，所述位移探測裝置的測量軸線與所述樣品池的一側壁垂直，且所述測量軸線平行于所述標準樣品的第二表面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用激光回饋原理來測量透明介質折射率的裝置。其特征在于它以待測樣品的位移產生的激光回饋條紋為研究對象，待測樣品與標準樣品具有相同楔角，在入射面垂直于激光軸線位移時，由于待測樣品與標準樣品在光路中的各自厚度發(fā)生變化，即激光外腔中的光程發(fā)生了變化，因此使激光輸出光強曲線中產生回饋條紋。通過回饋條紋與位移量的關系，可以計算得到待測樣品的折射率。本發(fā)明的折射率測量范圍不受全反射原理的臨界角限制，而且待測樣品可以是透明固體、液體和氣體，因此應用范圍較廣。本發(fā)明進一步提供一種測量透明介質折射率的方法。
文檔編號G01N21/41GK102998284SQ201210502668
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權日2012年11月30日
發(fā)明者談宜東, 張鵬, 張書練, 牛海莎 申請人:清華大學