專利名稱：中紅外多波長材料折射率的測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料折射率測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種在室溫條件下中紅外波長材料折射率的測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
目前，對于材料折射率的測量方法多種多樣，最常用的方法有V形棱鏡法、最小偏向角法等。雖然這些方法在特定波長可以給出待測材料比較精確的折射率，但前提是要求待測材料具備很好的透明性、折射率均勻性以及較大的尺寸，同時對于待測材料的形狀和加工精度也有著嚴(yán)格要求，而且在測量過程中，有些方法需要使用對人體有害的試劑輔助測量，從而使這些方法在測量材料折射率過程中帶有很大的局限性。即便如此，現(xiàn)有的測量方法對于材料折射率測量都局限在可見光及近紅外波段，而對于材料在中紅外波長的折射率，一般只能通過對待測材料在可見光及近紅外波段測得的折射率數(shù)據(jù)利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合獲得，無法保證擬合數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而給實(shí)際應(yīng)用帶來非常大的不便，在一定程度上限制了中紅外光學(xué)材料與器件的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種中紅外多波長材料折射率的測量裝置及其測量方法，通過測量待測材料在不同中紅外波長下的表面反射率，利用菲涅爾公式計算獲得待測材料的精確折射率，解決目前各種材料在中紅外波長折射率無法直接測量的現(xiàn)狀。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種中紅外波長材料折射率的測量裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括激光二極管、光束整形裝置、輸入鏡、激光晶體、球面高反鏡、棱鏡對、狹縫、輸出耦合鏡、法拉第隔離器、半透半反鏡、可調(diào)光闌、精密旋轉(zhuǎn)臺、光譜儀和雙通道功率計，各元件的連接關(guān)系是沿光路依次是所述的激光二極管、光束整形裝置、輸入鏡、激光晶體和球面高反鏡，所述的球面高反鏡將輸入光分為第一反射光束和第一透射光束，第一透射光束進(jìn)入所述的光譜儀，沿第一反射光束光路依次是所述的棱鏡對、狹縫、輸出耦合鏡、法拉第隔離器和半透半反鏡，所述半透半反鏡將其輸入光分為第二反射光束和第二透射光束，第二透射光束被所述的雙通道功率計的第一探頭接收，第二反射光束經(jīng)所述的可調(diào)光闌垂直入射到待測材料上，并沿原路返回， 經(jīng)可調(diào)光闌后再次入射到半透半反鏡上，半透半反鏡將其分為第三反射光束和第三透射光束，第三反射光束被所述的法拉第隔離器隔離，第三透射光束被所述的雙通道功率計的第二探頭接收。所述的激光晶體為摻銩鈣鋰鈮鎵石榴石晶體(Tm: CLNGG)。一種利用權(quán)利要求1所述的中紅外波長材料折射率的測量裝置的測量方法，其特征在于該方法包括以下步驟
① 準(zhǔn)備待測材料，使其具有一個不小于3mmx 3mm的光學(xué)拋光面，同時測量半透半反鏡(10)在裝配角度下不同波長的功率反射率
4⑷；
②將待測材料固定于精密旋轉(zhuǎn)臺(13)上，調(diào)整可調(diào)光闌(11)和精密旋轉(zhuǎn)臺(13)， 使入射光垂直入射到待測材料的光學(xué)拋光面；
③分別在雙通道功率計(15)的第一通道上讀出功率值P1，在雙通道功率計(15)的第二通道上讀出功率值P2，在光譜儀(14)讀出波長值JL并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)；
④逐步改變狹縫7的位置，對激光輸出波長在光譜范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)調(diào)諧，并重復(fù)第 ②、③步驟，記錄下不同激光波長Jl下對應(yīng)的功率數(shù)據(jù)P1和P2 ；
⑤利用半透半反鏡(10)在裝配角度下不同波長的功率反射率、不同激光波
長下測得的功率數(shù)據(jù)P1和P2以及公式=巧tiTf,^^計算出不同中紅外激 iI Ao W
光波長下待測材料的折射率數(shù)據(jù)，進(jìn)一步擬合得到材料的色散曲線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
(1)實(shí)現(xiàn)了各種材料在中紅外寬帶光譜范圍內(nèi)不同波長折射率的直接測量，為光學(xué)材料在中紅外寬波段范圍內(nèi)色散曲線擬合、材料色散補(bǔ)償以及中紅外材料光學(xué)鍍膜等應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。(2)待測材料只有一個不小于3mmx 3mm的光學(xué)拋光表面即可進(jìn)行測量，從而大大簡化了測量過程，降低了測量成本。(3)由于是通過測量待測材料的反射率來獲得折射率數(shù)據(jù)，因而對材料的光學(xué)透過率沒有要求，理論上表面光學(xué)拋光的任何材料均可實(shí)現(xiàn)測量，可實(shí)現(xiàn)對于低透過率材料折射率的直接測量，大大拓寬了可測材料的范圍。(4)通過采用不同波長的激光器或者光學(xué)參量振蕩器(0P0)、光學(xué)參量放大器 (0ΡΑ)，可實(shí)現(xiàn)從深紫外到中紅外不同波長下折射率的測量，例如采用02+: 激光器，可以實(shí)現(xiàn)從180(T3100nm寬帶調(diào)諧激光輸出，從而極大的拓寬了此種測量方法的潛在適用范圍。(5)測量過程簡便易行，只需對待測材料進(jìn)行一次校準(zhǔn)，無需復(fù)雜的調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)不同波長下折射率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量。(6)利用菲涅耳公式，通過測量待測材料表面入射光和反射光功率，計算得到折射率數(shù)據(jù)，待測材料對于入射光透明與否不影響測量結(jié)果。( 7)利用高靈敏度雙通道功率計同時對兩路光進(jìn)行監(jiān)測讀數(shù)，消除了激光器輸出功率不穩(wěn)定可能給測量帶來的誤差。


圖1是本發(fā)明中紅外波長材料折射率的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。請參閱圖1，圖1是本發(fā)明中紅外波長材料折射率的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，虛線框內(nèi)為可調(diào)諧連續(xù)中紅外激光器，激光二極管1發(fā)出的泵浦光由光束整形裝置2 準(zhǔn)直聚焦后，經(jīng)過輸入鏡3聚焦到激光晶體Tm:CLNGG4 (摻銩鈣鋰鈮鎵石榴石晶體)內(nèi)，引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并在腔內(nèi)形成激光振蕩。腔內(nèi)的激光經(jīng)過球面高反鏡5漏出小部分激光進(jìn)入光譜儀14讀出波長值A(chǔ)。棱鏡對6和狹縫7作為腔內(nèi)波長調(diào)諧元件，沿水平方向移動狹縫 7可對激光波長進(jìn)行調(diào)諧，不同波長的光由輸出耦合鏡8輸出。輸出的中紅外激光經(jīng)過法拉第隔離器9入射到半透半反鏡10上，透射部分的光直接被雙通道功率計15的第一探頭接收，并在雙通道功率計15的第一通道上讀出功率值大小P1,反射部分的激光經(jīng)過可調(diào)光闌11后打到待測材料12上，通過待測材料12的0度反射沿原路返回，經(jīng)過可調(diào)光闌11后再次入射到半透半反鏡10上，反射部分的光被法拉第隔離器9隔離，從而有效防止反射光沿原路返回進(jìn)入激光諧振腔內(nèi)造成輸出功率不穩(wěn)定，透射部分的光入射到雙通道功率計15 的第二探頭被接收，并在雙通道功率計15第二通道上讀出功率值大小P2。實(shí)驗(yàn)前首先用雙通道功率計15精確測定半透半反鏡10在裝配角度下不同波長的
功率反射率知^^,假定它的功率透射率為！*·^^，同時假定法拉第隔離器9后的激光功率為P，則可推出入射到待測材料12上的激光總功率為
權(quán)利要求
1.一種中紅外波長材料折射率的測量裝置，特征在于其構(gòu)成包括激光二極管(1)、光束整形裝置(2)、輸入鏡(3)、激光晶體(4)、球面高反鏡(5)、棱鏡對(6)、狹縫(7)、輸出耦合鏡(8)、法拉第隔離器(9)、半透半反鏡(10)、可調(diào)光闌(11)、精密旋轉(zhuǎn)臺(13)、光譜儀 (14)和雙通道功率計(15)，各元件的連接關(guān)系是沿光路依次是所述的激光二極管(1 )、光束整形裝置(2)、輸入鏡(3)、激光晶體(4)和球面高反鏡(5)，所述的球面高反鏡(5)將輸入光分為第一反射光束和第一透射光束，第一透射光束進(jìn)入所述的光譜儀(14)，沿第一反射光束光路依次是所述的棱鏡對(6)、狹縫(7)、輸出耦合鏡(8)、法拉第隔離器(9)和半透半反鏡(10)，所述半透半反鏡(10)將其輸入光分為第二反射光束和第二透射光束，第二透射光束被所述的雙通道功率計(15)的第一探頭接收，第二反射光束經(jīng)所述的可調(diào)光闌(11) 垂直入射到待測材料(12)上，并沿原路返回，經(jīng)可調(diào)光闌(11)后再次入射到半透半反鏡 (10)上，半透半反鏡(10)將其分為第三反射光束和第三透射光束，第三反射光束被所述的法拉第隔離器(9)隔離，第三透射光束被所述的雙通道功率計(15)的第二探頭接收。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外波長材料折射率的測量裝置，其特征在于所述的激光晶體(4)為 TmiCLNGG0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外波長材料折射率的測量裝置，其特征在于所述的待測材料有一個不小于3mm χ 3mm的光學(xué)拋光表面即可進(jìn)行測量。
4.一種利用權(quán)利要求1所述的中紅外波長材料折射率的測量裝置的測量方法，其特征在于該方法包括以下步驟準(zhǔn)備待測材料，使其具有一個不小于3mmX3mm的光學(xué)拋光面， 同時測量半透半反鏡(10)在裝配角度下不同波長的功率反射率匙⑷；將待測材料固定于精密旋轉(zhuǎn)臺(13)上，調(diào)整可調(diào)光闌(11)和精密旋轉(zhuǎn)臺(13)，使入射光垂直入射到待測材料的光學(xué)拋光面；分別在雙通道功率計(15)的第一通道上讀出功率值P1，在雙通道功率計(15)的第二通道上讀出功率值P2，在光譜儀(14)讀出波長值2并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)；逐步改變狹縫7的位置，對激光輸出波長在光譜范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)調(diào)諧，并重復(fù)第②、③ 步驟，記錄下不同激光波長A下對應(yīng)的功率數(shù)據(jù)P1和P2 ；利用半透半反鏡(10)在裝配角度下不同波長的功率反射率JEms(A)、不同激光波長J1下測得的功率數(shù)據(jù)P1和己以及公式《μ)二piTf-^j1^計算出不同中紅外激光波長下待測材料的折射率數(shù)據(jù)，進(jìn)一步擬合得到待測材料的色散曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中紅外波長材料折射率的測量裝置，包括激光二極管、光束整形裝置、輸入鏡、激光晶體、球面高反鏡、棱鏡對、狹縫、輸出耦合鏡、法拉第隔離器、半透半反鏡、可調(diào)光闌、精密旋轉(zhuǎn)臺、光譜儀和雙通道功率計構(gòu)成，和一種中紅外波長材料折射率的測量方法，實(shí)現(xiàn)了待測材料在寬光譜范圍內(nèi)不同中紅外波長下折射率的直接測量，解決了目前材料在中紅外波長折射率難于測量的問題，同時測量過程簡便易行，大大簡化了折射率測量過程，降低了測量成本。
文檔編號G01N21/41GK102323238SQ20111032712
公開日2012年1月18日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者張懷金, 謝國強(qiáng), 錢列加, 馬杰, 高文蘭 申請人:上海交通大學(xué)