专利名称：透明介质折射率的测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种透明介质折射率的测量装置及测量方法。
背景技术：
折射率是材料的重要物理参数之一，也是影响光学系统性能的重要因素。折射率测量的应用领域包括光学元件的设计和加工，食品、医药、化工等行业的成分检测和产品鉴定，薄膜检测，晶体材料研制，环境监测以及珠宝鉴定等。对一些要求较高的仪器系统，精确测量折射率也有着迫切的需求。目前的折射率测量方法主要包括测角法、干涉法、菲涅耳公式法等。其中测角法是通过角度测量来计算折射率，如最小偏向角法、临界角法(全反射法)等。然而，传统的折射率测量方法虽经过不断的改进，但精度难于进一步提高，例如最小偏向角法，在高精度测量时，对样品的加工要求极高，而且需要高精度测角装置，设备庞大，成本很高。而临界角法(全反射法)测量折射率，因为需要满足临界角的条件，因此待测样品的折射率必须小于标准样品(一般为蓝宝石玻璃)的折射率，测量范围受到限制。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种精度高、易于操作、且测量范围广泛的透明介质折射率的测量方法和测量装置。一种透明介质折射率的测量装置，其中，所述装置主要包括
一激光器;
一样品池，所述样品池位于所述激光器下方以接收入射激光；
一标准样品，所述标准样品置于所述样品池内，所述标准样品包括一面对激光器的第一表面以及相对的第二表面，所述第一表面为一斜面并接收入射激光，所述第二表面为一平面，所述第一表面与第二表面形成一楔角α ;
一回馈镜，所述回馈镜位于所述样品池下方，以反射从样品池出射的激光形成激光回
馈；
一位移探测装置，用于探测所述样品池的横向位移；
一光电探测器，所述光电探测器位于所述激光器上方以接收激光信号并转换为电信号；以及
一信号处理和控制系统，所述信号处理和控制系统与所述光电探测器和所述位移探测装置连接，以处理从光电探测器输入的信号并控制所述回馈镜的往复运动并接收光电探测器的探测结果。—种应用所述透明介质折射率的测量装置测量透明介质折射率的测量方法，包括以下步骤
将待测样品置入样品池内，所述待测样品与所述标准样品契合；
调整样品池的位置，使入射激光的轴线垂直于所述标准样品的第二表面；信号处理和控制系统向位移驱动装置输出控制信号，驱动回馈镜沿激光轴线方向做往复运动，光电探测器将接收到的激光信号转换为电信号输出至信号处理和控制系统；
调节回馈镜的位置，使激光回馈进激光腔内，并使信号处理和控制系统显示的回馈条纹形状形成正弦型条纹；
关闭信号处理和控制系统对回馈镜的控制信号，回馈镜停止往复运动；
将样品池沿垂直于激光轴线的方向移动一段位移Al，位移探测装置将位移量Al实时传送至信号处理和控制系统，同时由信号处理和控制系统接收光电探测器输出的电信号，并根据回馈条纹个数计算在激光轴线方向上光路的位移量AL ;
根据楔角α、标准样品的折射率ns、AL和Λ I计算得到待测样品的折射率η :
Al
n = ^±—^，其中，正负号分别对应待测样品折射率大于或小于标准样品折射Al ■ tga率。本发明所述的透明介质折射率的测量装置及其测量方法，利用激光器的回馈原理来测量折射率，不受临界角限制，测量范围更大，对位移小数部分的检测要求降低，精度更高；并且测量方法和装置结构简单、操作方便、测量范围广，可用于固体、液体和气体透明介质折射率的测量。
图1为本发明第一实施例所述的透明介质折射率测量装置示意图。图2为图1所示的透明介质折射率的测量装置中标准样品的结构示意图。图3为图1所示的透明介质折射率的测量装置测量透明介质折射率方法中位移几何关系不意图。图4为本发明所述透明介质折射率的测量方法中同步计数原理图。主要元件符号说明
权利要求
1.一种透明介质折射率的测量装置，其特征在于，所述装置主要包括一激光器;一样品池，所述样品池位于所述激光器下方以接收入射激光；一标准样品，所述标准样品置于所述样品池内，所述标准样品包括一面对激光器的第一表面以及相对的第二表面，所述第一表面为一斜面并接收入射激光，所述第二表面为一平面，所述第一表面与第二表面形成一楔角α ;一回馈镜，所述回馈镜位于所述样品池下方，以反射从样品池出射的激光形成激光回馈；一位移探测装置，用于探测所述样品池的横向位移；一光电探测器，所述光电探测器位于所述激光器上方以接收激光信号并转换为电信号；以及一信号处理和控制系统，所述信号处理和控制系统与所述光电探测器和所述位移探测装置连接，以处理从光电探测器输入的信号并控制所述回馈镜的往复运动并接收光电探测器的探测结果。
2.如权利要求1所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，所述激光器、回馈镜以及光电探测器沿激光器输出激光的轴线方向共轴设置。
3.如权利要求2所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，所述样品池为一立方壳体，所述位移探测装置位于所述样品池的侧方，且所述位移探测装置的测量轴线垂直于所述样品池的一侧壁。
4.如权利要求1所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，所述标准样品为具有楔角α的透明固体。
5.如权利要求4所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，所述楔角α的度数小于5°。
6.如权利要求1所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，进一步包括一位移驱动装置，所述位移驱动装置与所述回馈镜固定连接以控制所述回馈镜沿激光轴线方向往复移动。
7.如权利要求1所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，在所述激光器输出激光轴线方向上，在所述样品池的池壁内外表面均有镀设增透膜。
8.一种应用权利要求1所述的透明介质折射率的测量装置测量透明介质折射率的测量方法，包括以下步骤将待测样品置入样品池内，所述待测样品与所述标准样品契合；调整样品池的位置，使入射激光的轴线垂直于所述标准样品的第二表面；信号处理和控制系统向位移驱动装置输出控制信号，驱动回馈镜沿激光轴线方向做往复运动，光电探测器将接收到的激光信号转换为电信号输出至信号处理和控制系统；调节回馈镜的位置，使激光回馈进激光腔内，并使信号处理和控制系统显示的回馈条纹形状形成正弦型条纹；关闭信号处理和控制系统对回馈镜的控制信号，回馈镜停止往复运动；将样品池沿垂直于激光轴线的方向移动一段位移Al，位移探测装置将位移量Al实时传送至信号处理和控制系统，同时由信号处理和控制系统接收光电探测器输出的电信号，并根据回馈条纹个数计算在激光轴线方向上光路的位移量AL ;根据楔角α、标准样品的折射率ns、AL和Λ I计算得到待测样品的折射率η :ALη = π5±—~ ,其中，正负号分别对应待测样品折射率大于或小于标准样品折射 Ai ■ Ig (X率。
9.如权利要求8所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，所述激光器的工作模式为单纵模、基横模。
10.如权利要求8所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，所述位移探测装置的测量轴线与所述样品池的一侧壁垂直，且所述测量轴线平行于所述标准样品的第二表面。
全文摘要
本发明提供一种利用激光回馈原理来测量透明介质折射率的装置。其特征在于它以待测样品的位移产生的激光回馈条纹为研究对象，待测样品与标准样品具有相同楔角，在入射面垂直于激光轴线位移时，由于待测样品与标准样品在光路中的各自厚度发生变化，即激光外腔中的光程发生了变化，因此使激光输出光强曲线中产生回馈条纹。通过回馈条纹与位移量的关系，可以计算得到待测样品的折射率。本发明的折射率测量范围不受全反射原理的临界角限制，而且待测样品可以是透明固体、液体和气体，因此应用范围较广。本发明进一步提供一种测量透明介质折射率的方法。
文档编号G01N21/41GK102998284SQ201210502668
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者谈宜东, 张鹏, 张书练, �：Ｉ� 申请人:清华大学
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