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：
本發明涉及激光測量技術領域，是關于一種利用激光縱模間隔變化測量透明介質折射率的測量裝置及其測量方法。
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、醫藥、化工等行業的成分檢測和產品鑒定，薄膜檢測，晶體材料研制，環境監測以及珠寶鑒定等。對一些要求較高的系統，折射率的精確測量是必要的條件。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。其中測角法是通過測量角度來計算折射率，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計算折射率，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量P或s偏振光的反射系數來計算折射率。此外，折射率的測量方法還包括莫爾條紋法、光譜法、橢偏儀法、毛細管聚焦法、三真空管等效波長法等。然而，傳統的折射率測量方法和測量裝置不能溯源，精度難于進一步提高，測量范圍受限或是加工和配制復雜。
發明內容
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量方法和測量裝置。一種透明介質折射率的測量裝置，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置共同構成激光諧振腔；一樣品座，所述樣品座設置于所述增益管與輸出腔鏡之間，用以承載被測樣品，所述樣品座包括一通光孔，使半外腔激光器產生的激光穿過所述通光孔；一數據采集及處理系統，包括偏振片、雪崩光電二極管以及數據處理系統，所述偏振片設置于所述樣品座的下方，以混合半外腔激光器產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置于所述偏振片的下方，以探測拍頻并將拍頻輸出至數據處理系統。—種透明介質折射率的測量方法，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置共同構成激光諧振腔，所述半外腔激光器運行模式為基橫模、連續輸出，兩個以上縱模同時振蕩；在所述增益管與輸出腔鏡之間設置一樣品座，所述樣品座包括一通光孔，所述半外腔激光器產生的激光穿過所述通光孔；提供一數據采集及處理系統，包括偏振片、雪崩光電二極管以及數據處理系統，所述偏振片設置于所述樣品座的下方，以混合半外腔激光器產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置于所述偏振片的下方，以探測縱模間隔并將縱模間隔輸出至數據處理系統；由數據處理系統讀取并記錄未設置被測樣品時的初始縱模間隔Atl ;將被測樣品設置于所述樣品座，使所述半外腔激光器發出的激光穿過所述樣品及所述樣品座的通光孔，并通過數據處理系統記錄放入樣品后的縱模間隔An ;通過縱模間隔公式計算得到所述被測樣品的折射率。一種透明介質折射率的測量方法，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置共同構成激光諧振腔，所述半外腔激光器運行模式為基橫模、連續輸出，兩個以上縱模同時振蕩；在所述增益管與輸出腔鏡之間設置一樣品座，所述樣品座包括一通光孔，所述半外腔激光器產生的激光穿過所述通光孔；提供一數據采集及處理系統，包括第一光電探測器、第二光電探測器、渥拉斯頓棱鏡 偏振片、雪崩光電二極管及數據處理系統，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垂直偏振的相鄰縱模分開，形成兩路光強信號；所述第一光電探測器及第二光電探測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信號，并將所述兩路光強信號輸出至數據處理系統；調整輸出腔鏡使輸出腔鏡沿激光軸線方向往復運動，第一光電探測器、第二光電探測器獲得的光強信號相等時，通過偏振片、雪崩光電二極管和數據處理系統獲得未設置被測樣品時的初始縱模間隔Atl ;將被測樣品設置于所述樣品座，使所述半外腔激光器發出的激光穿過所述樣品及所述樣品座的通光孔；調整輸出腔鏡使輸出腔鏡沿激光軸線方向往復運動，第一光電探測器、第二光電探測器獲得的光強信號相等時，通過雪崩光電二極管和數據處理系統獲得放入樣品后的縱模間隔An ;通過縱模間隔公式計算得到所述被測樣品的折射率。本發明所述的透明介質折射率的測量裝置及其測量方法，利用激光縱模間隔的變化，通過測量放入被測樣品前后的縱模間隔，即可計算得到被測樣品的折射率。此檢測方法操作簡單，靈敏度高，且具有應用于殘余應力等微小應力檢測需求的潛力，并且測量結果具有溯源的潛力。
圖I是本發明第一實施例所述的透明介質折射率測量方法的裝置示意圖。圖2是本發明第二實施例所述的透明介質折射率測量方法的裝置示意圖。圖3是本發明中所述激光縱模間隔的示意圖。主要元件符號說明
第一光電探測器 11 第二光電探測器 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TI
增透窗片石
數據處理系統113如下具體實施例將結合上述附圖進一步說明本發明。
具體實施例方式以下將結合附圖詳細說明本發明提供的透明介質折射率的測量裝置及其測量方法。如圖I所示，本發明第一實施例提供一種利用激光縱模間隔變化測量透明介質折射率的裝置及其測量方法，所述裝置包括半外腔激光器、樣品座5以及一數據采集與處理系統。所述半外腔激光器既作為光源又作為傳感器，為半外(內)腔結構，雙縱模(或多縱模)、基橫模模式，連續輸出，所述激光器類型可以是氣體激光器、半導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。優選的，所述增益管4，輸出腔鏡6沿激光的輸出方向共軸設置。所述增益管4包括高反腔鏡10，增益介質11，增透窗片12沿激光的輸出方向共軸設置，其中所述高反腔鏡10與增益介質11連接；所述增益介質11上端與所述高反腔鏡10連接，下端與增透窗片12連接，內部含有激光工作物質，激光工作物質可以為氣體、固體、半導體等；所述增益管4的具體結構可依增益介質11不同而具體結構有所不同，可以根據實驗需要進行選擇；所述增透窗片12，上端與所述增益介質11連接，鍍有激光波長的增透膜。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間隔設置共同構成激光諧振腔。樣品座5，位于激光器諧振腔內，具體的，所述樣品座5設置于增益管4與所述輸出腔鏡6之間。當用于測試的被測樣品放置于樣品座5上時，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。所述數據采集與處理系統，以讀取拍頻。所述數據采集及處理系統包括偏振片8、雪崩光電二極管9以及數據處理系統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，用于探測拍頻并輸出至數據處理系統13 ;所述數據處理系統13用于接收并顯示拍頻信號，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，用于以計算折射率值。本發明中，所述“上”、“下”均以圖I所示的結構、方向及位置關系為基礎。本發明第一實施例進一步提供一種利用激光縱模間隔變化測量透明介質折射率的裝置及其測量方法，主要包括以下步驟
第I步，激光工作狀態設定為連續輸出，模式為基橫模，初始縱模個數大于等于兩個； 第2步，由數據處理系統讀取并記錄初始拍頻值，即初始縱模間隔Aci ;
第3步，將被測樣品放入所述樣品座5上，所述半外腔激光器發出的激光穿過所述被測樣品及所述樣品座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,計算得到所述被測樣品的折射率n。所述被測樣品的折射率n可由下列原理公式推得
縱模間隔公式為
權利要求
1.一種透明介質折射率的測量裝置，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置共同構成激光諧振腔； 一樣品座，所述樣品座設置于所述增益管與輸出腔鏡之間，用以承載被測樣品，所述樣品座包括一通光孔，使半外腔激光器產生的激光穿過所述通光孔； 一數據采集及處理系統，包括偏振片、雪崩光電二極管以及數據處理系統，所述偏振片設置于所述樣品座的下方，以混合半外腔激光器產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置于所述偏振片的下方，以探測拍頻并將拍頻輸出至數據處理系統。
2.如權利要求I所述的透明介質折射率的測量裝置，其特征在于，所述數據采集及處理系統進一步包括一第一光電探測器、第二光電探測器以及一渥拉斯頓棱鏡；所述渥拉斯頓棱鏡設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垂直偏振的相鄰縱模分開，形成兩路光強信號；所述第一光電探測器及第二光電探測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信號，并將所述兩路光強信號輸出至數據處理系統。
3.如權利要求I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運動。
4.一種透明介質折射率的測量方法，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置共同構成激光諧振腔，所述半外腔激光器運行模式為基橫模、連續輸出，兩個以上縱模同時振蕩； 在所述增益管與輸出腔鏡之間設置一樣品座，所述樣品座包括一通光孔，所述半外腔激光器產生的激光穿過所述通光孔； 提供一數據采集及處理系統，包括偏振片、雪崩光電二極管以及數據處理系統，所述偏振片設置于所述樣品座的下方，以混合半外腔激光器產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置于所述偏振片的下方，以探測縱模間隔并將縱模間隔輸出至數據處理系統； 由數據處理系統讀取并記錄未設置被測樣品時的初始縱模間隔Aci ； 將被測樣品設置于所述樣品座，使所述半外腔激光器發出的激光穿過所述樣品及所述樣品座的通光孔，并通過數據處理系統記錄放入樣品后的縱模間隔An ; 通過縱模間隔公式計算得到所述被測樣品的折射率。
5.如權利要求4所述的透明介質折射率的測量方法，其特征在于，被測樣品垂直于激光軸線放入腔內，所述激光垂直于樣品表面入射。
6.如權利要求4所述的透明介質折射率的測量方法，其特征在于，所述被測樣品的折射率通過以下公式計算Q ■n^n0 + ^ ^ ^ - A，其中，h為被測樣品的厚度，a為樣品面法線與激光軸線的夾角，Iitl為樣品周圍的介質折射率，C為光速，A為放入被測樣品前后縱模間隔之差。
7.如權利要求4所述透明介質折射率的測量方法，其特征在于，進一步包括一使所述輸出腔鏡沿著激光軸線往復運動的步驟，并連續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.—種透明介質折射率的測量方法，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置共同構成激光諧振腔，所述半外腔激光器運行模式為基橫模、連續輸出，兩個以上縱模同時振蕩； 在所述增益管與輸出腔鏡之間設置一樣品座，所述樣品座包括一通光孔，所述半外腔激光器產生的激光穿過所述通光孔； 提供一數據采集及處理系統，包括第一光電探測器、第二光電探測器、渥拉斯頓棱鏡、偏振片、雪崩光電二極管及數據處理系統，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垂直偏振的相鄰縱模分開，形成兩路光強信號；所述第一光電探測器及第二光電探測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信號，并將所述兩路光強信號輸出至數據處理系統； 調節輸出腔鏡沿著激光軸線方向往復運動，第一光電探測器、第二光電探測器獲得的光強信號相等時，通過偏振片、雪崩光電二極管和數據處理系統獲得未設置被測樣品時的初始縱模間隔Atl ; 將被測樣品設置于所述樣品座，使所述半外腔激光器發出的激光穿過所述樣品及所述樣品座的通光孔； 調節輸出腔鏡沿著激光軸線方向往復運動，第一光電探測器、第二光電探測器獲得的光強信號相等時，通過偏振片、雪崩光電二極管和數據處理系統獲得放入樣品后的縱模間隔An ; 通過縱模間隔公式計算得到所述被測樣品的折射率。
全文摘要
本發明屬于激光測量技術領域，是關于一種利用激光縱模間隔變化測量透明介質折射率的方法。本方法以激光輸出的相鄰縱模的頻率間隔作為檢測對象，在放入被測樣品后，由于激光器諧振腔光學長度發生變化，從而引起激光輸出的縱模間隔發生變化。通過測量放入被測樣品前后的縱模間隔，即可計算得到被測樣品的折射率。本發明將激光頻率引入折射率的測量，靈敏度非常高，而且測量結果具有溯源的潛力。
文檔編號G01N21/41GK102735646SQ20121020483
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月20日 優先權日2012年6月20日
發明者張書練, 張鵬, 談宜東 申請人:清華大學