本發(fā)明涉及一種吸收性介質(zhì)復(fù)折射率測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于吸收性介質(zhì)的折射率，其值用復(fù)折射率來表征。這種形式上的變化使波的性質(zhì)也發(fā)生了變化，尤其是折射率虛部，不僅是介質(zhì)吸收特性的根源，還影響反射光、透射光的偏振狀態(tài)。復(fù)折射率的研究不僅具有理論意義，同時(shí)還具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)有的復(fù)折射率的測(cè)量方法主要有偏振技術(shù)，入射的線偏振光經(jīng)吸收性介質(zhì)反射后將變成橢圓偏振光，通過測(cè)量反射光的位相和振幅來測(cè)定復(fù)折射率的實(shí)部和虛部獲得，原理比較復(fù)雜，完成測(cè)量需要較多的元器件，光路比較復(fù)雜，且的儀器價(jià)格較貴；也有人利用表面等離子體共振技術(shù)測(cè)量復(fù)折射率，通過測(cè)量反射率、共振角、相位差等計(jì)算樣品的復(fù)折射率，實(shí)驗(yàn)原理難懂，儀器結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種吸收性介質(zhì)復(fù)折射率測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，測(cè)量原理容易理解，光路簡單，儀器成本低。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種吸收性介質(zhì)復(fù)折射率測(cè)量裝置，其特征在于：包括激光發(fā)射器、尖劈形吸收性介質(zhì)、CCD探測(cè)器、示波器與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括直桿、與直桿一端固定連接的第一平臺(tái)及與直桿另一端鉸接的第二平臺(tái)，所述激光發(fā)射器放置在第一平臺(tái)上，尖劈形吸收性介質(zhì)放置在第二平臺(tái)上；CCD探測(cè)器設(shè)置第二平臺(tái)的后方，接收激光發(fā)射器直接射出的光束或經(jīng)尖劈形吸收性介質(zhì)折射后的光束并將光信號(hào)輸送至示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

進(jìn)一步的，所述第二平臺(tái)的上端面設(shè)置有擋板，所述擋板中部設(shè)置有開口，直桿與第二平臺(tái)的鉸接點(diǎn)與所述開口在豎直方向上重合。

進(jìn)一步的，所述第二平臺(tái)的下側(cè)面設(shè)置刻度盤，所述直桿上設(shè)置有緊貼所述刻度盤的指針。

進(jìn)一步的，所述激光發(fā)射器和尖劈形吸收性介質(zhì)間還設(shè)置有擴(kuò)束器對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束。

一種吸收性介質(zhì)復(fù)折射率測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：將激光發(fā)射器放置在第一平臺(tái)上，調(diào)整激光發(fā)射器的角度使射出的激光直接通過擋板中部的開口，該激光的方向作為激光初始方向，CCD探測(cè)器接收到該激光后將對(duì)應(yīng)的光信號(hào)輸送至示波器進(jìn)行顯示；

步驟S2：記錄此時(shí)指針在刻度盤上對(duì)應(yīng)的角度作為基準(zhǔn)角度；

步驟S3：將尖劈形吸收性介質(zhì)緊貼擋板設(shè)置并將第一平臺(tái)連同直桿旋轉(zhuǎn)至第一角度，由激光發(fā)射器射出的激光經(jīng)尖劈形吸收性介質(zhì)處發(fā)生折射，CCD探測(cè)器接收到折射后的激光后將對(duì)應(yīng)的光信號(hào)輸送至示波器進(jìn)行顯示；

步驟S5：通過示波器上波峰的位置移動(dòng)計(jì)算出光束在CCD探測(cè)器垂直于激光初始方向的采集窗口上移動(dòng)的距離Y，進(jìn)而計(jì)算出激光經(jīng)過尖劈形吸收性介質(zhì)的出射面時(shí)相對(duì)于激光初始方向的偏轉(zhuǎn)角β及激光的第一實(shí)折射角

其中，L為出射面上出射點(diǎn)到CCD探測(cè)器的采集窗口的距離，α為尖劈形吸收性介質(zhì)的頂角；

步驟S6：將第一平臺(tái)連通直桿旋轉(zhuǎn)至第二角度，進(jìn)行如步驟S3至步驟S5的操作得到激光的第二實(shí)折射角

步驟S7：結(jié)合實(shí)折射率與尖劈形吸收性介質(zhì)復(fù)折射率的關(guān)系，得到復(fù)折射率實(shí)部與虛部之間的關(guān)系式如下：

其中，θ₁為激光第一次斜入射尖劈形吸收性介質(zhì)時(shí)在直角邊處的入射角，即第一角度與基準(zhǔn)角度的差值，θ₂為激光第一次斜入射尖劈形吸收性介質(zhì)時(shí)在直角邊處的折射角；θ'₁為激光第二次斜入射尖劈形吸收性介質(zhì)時(shí)在直角邊處的入射角，即第一角度與基準(zhǔn)角度的差值，θ'₂為激光第二次斜入射尖劈形吸收性介質(zhì)時(shí)在直角邊處的折射角；n_i為空氣折射率，k₀為真空中的波矢，n、κ分別為尖劈形吸收性介質(zhì)的實(shí)部與虛部。

進(jìn)一步的，所述步驟S7中的具體推算過程如下：

把光波E(r,t)＝E(r)e^-iωt，H(r,t)＝H(r)e^-iωt代人麥克斯韋方程，可以得到光波在吸收性介質(zhì)中滿足如下方程：

其中，為等效復(fù)介電常數(shù)，ε為介電常數(shù)，μ為磁導(dǎo)率,σ為電導(dǎo)率，為吸收性介質(zhì)的復(fù)折射率，n，κ分別為吸收性介質(zhì)的實(shí)部、虛部，k₀為真空中的波矢，為吸收性介質(zhì)中的復(fù)波矢，等幅面和等相面的單位矢量分別為q和s，兩單位矢量之間的夾角為ξ＝cos^-1(q.s)，k_s和k_q分別為波的相位常數(shù)和衰減常數(shù)；

吸收性介質(zhì)中的相位常數(shù)、衰減常數(shù)與復(fù)折射率的實(shí)部、虛部的關(guān)系如下：

由于n，κ均不為零，從式(5)式可知，ξ≠π/2，即兩單位矢量不會(huì)垂直.經(jīng)計(jì)算可得：

參數(shù)N_s，N_q是光在吸收性介質(zhì)中傳播和衰減的有效折射率，它們的大小不但和復(fù)折射率有關(guān)還與等相面和等幅面的夾角有關(guān)；

當(dāng)光以角度θ₁入射尖劈的直角邊，在直角邊處，根據(jù)邊界條件可知，

n_ik₀sinθ₁＝k_s sinθ₂ (7)

經(jīng)直角邊折射進(jìn)入吸收性介質(zhì)后的光波相位常數(shù)、衰減常數(shù)與復(fù)折射率的實(shí)部、虛部之間的關(guān)系如下

由式(7)、(8)可得

同理在斜邊處由吸收性介質(zhì)折射到空氣中，折射到空氣的實(shí)折射角為由于吸收性介質(zhì)中波的相位波矢和衰減波矢在界面上均有切向分量，所以折射波的相位常數(shù)k′_s，衰減常數(shù)k′_q之間的關(guān)系如下：

同時(shí)根據(jù)邊界條件可得

聯(lián)立式(7)、(8)、(10)、(11)可得復(fù)折射率實(shí)部和虛部與折射角之間的關(guān)系：

同理可得，以角度θ′₁入射時(shí)，假設(shè)在直角邊處實(shí)折射角為θ′₂，在斜邊處實(shí)折射角則復(fù)折射率實(shí)部和虛部與折射角之間的關(guān)系如下

結(jié)合實(shí)折射角和吸收性介質(zhì)復(fù)折射率的關(guān)系即式(12)和式(13)，得到復(fù)折射率實(shí)部和虛部之間的關(guān)系式如下：

其中：

利用matlab軟件中的函數(shù)solve()可求解上式中復(fù)折射率實(shí)部n和虛部κ。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：本發(fā)明僅需用激光對(duì)單一樣品進(jìn)行兩次不同角度的入射，分別測(cè)出激光兩次通過該單介質(zhì)的實(shí)折射角，即可計(jì)算出吸收性介質(zhì)的復(fù)折射率。測(cè)量原理容易理解，光路簡單，測(cè)量較為簡單；另一方面，本發(fā)明的裝置保證了激光發(fā)射器經(jīng)過不同角度的旋轉(zhuǎn)之后仍然能通過吸收性介質(zhì)的同一個(gè)入射點(diǎn)，減少因入射點(diǎn)不同而帶來的不穩(wěn)定因素如不同位置的入射點(diǎn)厚度不同，通過第二平臺(tái)上設(shè)置下側(cè)面設(shè)置的刻度盤方便讀取激光發(fā)射器轉(zhuǎn)過的角度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)俯視圖。

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。

圖4是本發(fā)明激光發(fā)射器轉(zhuǎn)動(dòng)之后的示意圖。

圖5是尖劈形吸收性介質(zhì)的折射原理圖。

圖中：1-激光發(fā)射器；11-擴(kuò)束器；2-尖劈形吸收性介質(zhì)；3-CCD探測(cè)器；4-示波器；5-直桿；51-第一平臺(tái)；52-第二平臺(tái)；53-擋板；54-開口；55-刻度盤；56-指針。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

請(qǐng)參照?qǐng)D1，本發(fā)明提供一種吸收性介質(zhì)復(fù)折射率測(cè)量裝置，包括激光發(fā)射器1、尖劈形吸收性介質(zhì)2、CCD探測(cè)器3、示波器4與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，請(qǐng)結(jié)合圖2和圖3所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括直桿5、與直桿5一端固定連接的第一平臺(tái)51及與直桿5另一端鉸接的第二平臺(tái)52，所述激光發(fā)射器1放置在第一平臺(tái)51上，尖劈形吸收性介質(zhì)2放置在第二平臺(tái)52上；直桿5連同第一平臺(tái)51能繞著鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得激光發(fā)射器1發(fā)出的激光以不同角度入射尖劈形吸收性介質(zhì)2。CCD探測(cè)器3設(shè)置第二平臺(tái)51的后方，接收激光發(fā)射器1直接射出的光束或經(jīng)尖劈形吸收性介質(zhì)2折射后的光束并將光信號(hào)輸送至示波器4進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

請(qǐng)參照?qǐng)D2和圖3，所述第二平臺(tái)52的上端面設(shè)置有擋板53，所述擋板53中部設(shè)置有開口54，直桿與第二平臺(tái)52的鉸接點(diǎn)與所述開口54在豎直方向上重合；，保證了激光發(fā)射器經(jīng)過不同角度的旋轉(zhuǎn)之后仍然能經(jīng)開口入射在吸收性介質(zhì)的同一個(gè)入射點(diǎn)。所述第二平臺(tái)52的下側(cè)面設(shè)置刻度盤55，所述直桿5上設(shè)置有緊貼所述刻度盤的指針56，隨直桿5的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，用于讀取刻度盤55上的刻度。

請(qǐng)參照?qǐng)D1，所述激光發(fā)射器1和尖劈形吸收性介質(zhì)2間還設(shè)置有擴(kuò)束器11對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束。

本實(shí)施例還提供一種吸收性介質(zhì)復(fù)折射率測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟S1：請(qǐng)參照?qǐng)D1，將激光發(fā)射器1放置在第一平臺(tái)51上，調(diào)整激光發(fā)射器的角度使射出的激光直接通過擋板53中部的開口54，該激光的方向作為激光初始方向，CCD探測(cè)器3接收到該激光后將對(duì)應(yīng)的光信號(hào)輸送至示波器4進(jìn)行顯示；

步驟S2：記錄此時(shí)指針56在刻度盤55上對(duì)應(yīng)的角度作為基準(zhǔn)角度；

步驟S3：請(qǐng)參照?qǐng)D4，將尖劈形吸收性介質(zhì)2緊貼擋板設(shè)置并將第一平臺(tái)51連同直桿5旋轉(zhuǎn)至第一角度，由激光發(fā)射器1射出的激光經(jīng)尖劈形吸收性介質(zhì)2處發(fā)生折射，CCD探測(cè)器3接收到折射后的激光后將對(duì)應(yīng)的光信號(hào)輸送至示波器4進(jìn)行顯示；

步驟S5：通過示波器4上波峰的位置移動(dòng)計(jì)算出光束在CCD探測(cè)器垂直于激光初始方向的采集窗口上移動(dòng)的距離Y。以LM601型CCD光強(qiáng)分布測(cè)量儀為例，它的光敏元件有2592個(gè)像元，光敏元件中心距離為11μm，若波形的一個(gè)周期對(duì)應(yīng)示波器上的m大格，則示波器上的每大格對(duì)應(yīng)的實(shí)際空間距2592×11÷m，對(duì)應(yīng)的每小格距離為2592×11÷m÷5，假設(shè)兩次光斑在示波器上移動(dòng)的格數(shù)為p小格，則對(duì)應(yīng)CCD上移動(dòng)的距離Y＝2592×11÷m÷5×p。

然后根據(jù)距離Y計(jì)算出激光經(jīng)過尖劈形吸收性介質(zhì)的出射面時(shí)相對(duì)于激光初始方向的偏轉(zhuǎn)角β及激光的第一實(shí)折射角

其中，L為出射面上出射點(diǎn)到CCD探測(cè)器的采集窗口的距離，α為尖劈形吸收性介質(zhì)的頂角；

步驟S6：將第一平臺(tái)51連通直桿5旋轉(zhuǎn)至第二角度，進(jìn)行如步驟S3至步驟S5的操作得到激光的第二實(shí)折射角

步驟S7：結(jié)合實(shí)折射率與尖劈形吸收性介質(zhì)復(fù)折射率的關(guān)系，

得到復(fù)折射率實(shí)部與虛部之間的關(guān)系式如下：

其中，θ₁為激光第一次斜入射尖劈形吸收性介質(zhì)時(shí)在直角邊處的入射角，即第一角度與基準(zhǔn)角度的差值，θ₂為激光第一次斜入射尖劈形吸收性介質(zhì)時(shí)在直角邊處的折射角；θ'₁為激光第二次斜入射尖劈形吸收性介質(zhì)時(shí)在直角邊處的入射角，即第一角度與基準(zhǔn)角度的差值，θ'₂為激光第二次斜入射尖劈形吸收性介質(zhì)時(shí)在直角邊處的折射角；n_i為空氣折射率，k₀為真空中的波矢，n、κ分別為尖劈形吸收性介質(zhì)的實(shí)部與虛部。

進(jìn)一步的，所述步驟S7中的具體推算過程如下：

把光波E(r,t)＝E(r)e^-iωt，H(r,t)＝H(r)e^-iωt代人麥克斯韋方程，可以得到光波在吸收性介質(zhì)中滿足如下方程：

其中，為等效復(fù)介電常數(shù)，ε為介電常數(shù)，μ為磁導(dǎo)率,σ為電導(dǎo)率，為吸收性介質(zhì)的復(fù)折射率，n，κ分別為吸收性介質(zhì)的實(shí)部、虛部，k₀為真空中的波矢，為吸收性介質(zhì)中的復(fù)波矢，等幅面和等相面的單位矢量分別為q和s，兩單位矢量之間的夾角為ξ＝cos^-1(q.s)，k_s和k_q分別為波的相位常數(shù)和衰減常數(shù)；

吸收性介質(zhì)中的相位常數(shù)、衰減常數(shù)與復(fù)折射率的實(shí)部、虛部的關(guān)系如下：

由于n，κ均不為零，從式(5)式可知，ξ≠π/2，即兩單位矢量不會(huì)垂直.經(jīng)計(jì)算可得：

參數(shù)N_s，N_q是光在吸收性介質(zhì)中傳播和衰減的有效折射率，它們的大小不但和復(fù)折射率有關(guān)還與等相面和等幅面的夾角有關(guān)；

請(qǐng)參照?qǐng)D5，當(dāng)光以角度θ₁入射尖劈的直角邊，在直角邊處，根據(jù)邊界條件可知，

n_ik₀sinθ₁＝k_s sinθ₂ (7)

經(jīng)直角邊折射進(jìn)入吸收性介質(zhì)后的光波相位常數(shù)、衰減常數(shù)與復(fù)折射率的實(shí)部、虛部之間的關(guān)系如下

由式(7)、(8)可得

同理在斜邊處由吸收性介質(zhì)折射到空氣中，折射到空氣的實(shí)折射角為由于吸收性介質(zhì)中波的相位波矢和衰減波矢在界面上均有切向分量，所以折射波的相位常數(shù)k′_s，衰減常數(shù)k′_q之間的關(guān)系如下：

同時(shí)根據(jù)邊界條件可得

聯(lián)立式(7)、(8)、(10)、(11)可得復(fù)折射率實(shí)部和虛部與折射角之間的關(guān)系：

同理可得，以角度θ′₁入射時(shí)，假設(shè)在直角邊處實(shí)折射角為θ′₂，在斜邊處實(shí)折射角則復(fù)折射率實(shí)部和虛部與折射角之間的關(guān)系如下

結(jié)合實(shí)折射角和吸收性介質(zhì)復(fù)折射率的關(guān)系即式(12)和式(13)，得到復(fù)折射率實(shí)部和虛部之間的關(guān)系式如下：

其中：

利用matlab軟件中的函數(shù)solve()可求解上式中復(fù)折射率實(shí)部n和虛部κ。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。