CN105115940B - 光学材料折射率曲线测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学材料折射率曲线测量方法及装置。该方法，首先通过一宽带光相干干涉***测量待测光学材料不同波长的群折射率值；其次，通过一激光双缝干涉***测量待测光学材料在一确定的激光的波长下对应的折射率值；最后，采用积分算法结合上述的测量结果对待测光学材料在整个波长范围的群折射率值进行计算，进而得到待测光学材料在整个波长范围的折射率曲线。本发明简化了传统复杂的操作，实现材料在整个波段的折射率曲线的简易测量，是一种快速便捷的高精度的实用性强的材料折射率测量方法。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，具体涉及一种光学材料折射率曲线测量方法及装置。
背景技术
折射率是有材料的分子极化率确定的一个光学参数，是一个重要的物理量，它决定了光在材料里的传播路径和速度。对于一般材料折射率还会随着波长变化而变化，即材料的色散。各波长的光具有不同的折射率将导致个波长的光在材料中的路径和速度不同，最简单的例子就是光学透镜的色差。对材料的各个波长的折射率进行测量具有重要意义。
常用的折射率曲线的测量方法有测角法和干涉法两大类。测角法包括最小偏折法、V棱镜和自准直法等。这些方法是将材料加工成特定的形状，通过复杂的操作获取特定的几个波长的折射率值，对这些离散的折射率值采用数据拟合的方法最终获取整个波段的折射率曲线。这种方法操作繁琐，并不是一种方面的测量方法。干涉法包括F-P干涉仪和宽带光相干干涉法等。 F-P干涉仪仅能对薄透明体测量，并且光路调整复杂测量时间长；宽带光相干干涉法是利用迈克尔逊干涉仪装置获取不同波长的干涉信息进而得到因为待测样品而引入的光程，然而此方法只能测量得到材料的群折射率信息，并不能得到材料的折射率曲线。
本发明在已有的宽带光相干干涉基础上，通过分析群折射率和折射率的关系，提出了一种数据拟合的从群折射率曲线求折射率曲线的近似计算方法，并设计了激光双缝干涉装置用确定某一波长所对应的折射率值，结合这个折射率值提出了一种积分的精确的折射率曲线的算法。本发明可以对光学材料的折射率曲线进行测量，具有高效、高精度等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以对光学材料的折射率曲线进行测量，具有高效、高精度等优点的光学材料折射率曲线测量方法及装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种光学材料折射率曲线测量方法，包括如下步骤，
S1：通过一宽带光相干干涉***测量待测光学材料在不同波长下的群折射率值；
S2：通过一激光双缝干涉***测量待测光学材料在一确定的激光的波长下对应的折射率值；
S3：采用积分算法结合步骤S1及S2的测量结果对待测光学材料在整个波长范围的群折射率值进行计算，进而得到待测光学材料在整个波长范围的折射率曲线。
在本发明一实施例中，所述积分算法公式如下：
其中，是待测光学材料的待求折射率值，k0是所对应的波数，是待测光学材料在确定的激光的波长下对应的折射率值，k1是所对应的波数，ng(k)是待测光学材料的群折射率值，k是ng(k)所对应的波数。
在本发明一实施例中，在步骤S1中，所述宽带光相干干涉***是以宽带光源为发光源的迈克尔干涉仪，通过采集迈克尔干涉仪的其中一光束臂***待测光学样品前后的干涉光谱信号进而获得待测光学材料的群折射率值。
在本发明一实施例中，所述待测光学材料不同波长的群折射率值的具体获取方式为：
S11：在不同波长的宽带光源下，通过采集迈克尔干涉仪的其中一光束臂***待测光学样品前后的干涉光谱信号，从而获得待测光学材料整个波段的干涉光谱信号；
S12：将整个波段的干涉光谱信号按波长进行分段，采用短时傅里叶变换技术对其进行处理，获取因为待测光学样品引入而增加的光程，并利用计算出各个波长所对应的群折射率值，其中，ΔL是光程差，d是待测光学材料的厚度。
在本发明一实施例中，所述步骤S12后还包括一步骤，即根据步骤S12获得的各个波长所对应的群折射率值，采用数据拟合的方法获得近似的各个波长的折射率值，具体如下：
将群折射值ng(k)通过下式按波数k进行级数展开：
ng(k)＝a0+2a1*k+3a2*k2+4a3*k3+…+nan-1kn-1
则近似的折射率值n(k)可按下式计算：
n(k)＝a0+a1*k+a2*k2+a3*k3+…+an-1kn-1
其中，n为正整数；
根据上述获得的近似的各个波长的折射率值，即可获得宽带光相干干涉***在***待测光学样品前后的条纹偏移的整数部分偏移量。
在本发明一实施例中，在步骤S2中，通过所述激光双缝干涉***测量待测光学材料在一确定的激光的波长下对应的折射率值的方式为：通过将待测光学材料放置于所述激光双缝干涉***的单缝片与双缝片之间，并使待测光学材料的边缘处于双缝片两条狭缝中央，以使得待测光学材料刚好挡住双缝片的一条狭缝；在确定的激光波长下，通过分析***待测光学材料前后的干涉条纹图像，获得条纹偏移的小数部分偏移量，从而获得条纹偏移量，根据条纹偏移量乘以确定的激光波长，获取因为***待测光学材料而增加的光程差，精确确定待测光学材料在该确定的激光波长下所对应的折射率值
本发明还提供了一种光学材料折射率曲线测量装置，包括用于测量待测光学材料不同波长的群折射率值的宽带光相干干涉***及用于测量该待测光学材料在一确定的激光波长下对应的折射率值的激光双缝干涉***，结合待测光学材料不同波长的群折射率值及其在一确定的激光波长下对应的折射率值，通过积分算法，即可得到待测光学材料在整个波长范围的折射率曲线。
在本发明一实施例中，所述积分算法公式如下：
其中，是待测光学材料的待求折射率值，k0是所对应的波数，是待测光学材料在确定的激光的波长下对应的折射率值，k1是所对应的波数，ng(k)是待测光学材料的群折射率值，k是ng(k)所对应的波数。
在本发明一实施例中，所述宽带光相干干涉***包括宽带光源、第一透镜、第二透镜、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、光谱仪；宽带光源发出的光经第一透镜准直后，被分光镜分为参考臂光束和样品臂光束，其中样品臂光束中***待测光学材料，两束光束经第一反射镜、第二反射镜反射后，返回分光镜汇合并经第二透镜聚焦后被光谱仪采集。
在本发明一实施例中，所述激光双缝干涉***包括激光光源、单缝片、双缝片、观察屏，所述激光双缝干涉***测量待测光学材料在确定的激光波长下所对应的折射率值的原理为：首先，激光光源发射的光经单缝片、双缝片，在观察屏上形成参考干涉条纹图像，然后，将待测光学材料置于单缝片、双缝片之间，并使得待测光学材料刚好挡住双缝片的一条狭缝，通过激光光源发射的光经单缝片、待测光学材料、双缝片，在观察屏上形成偏移干涉条纹图像，通过分析对比偏移干涉条纹图像与参考干涉条纹图像，即可获得待测光学材料在确定的激光波长下所对应的折射率值。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明简化了传统复杂的操作，实现材料在整个波段的折射率曲线的简易测量，是一种快速便捷的高精度的实用性强的材料折射率测量方法。
附图说明
图1为本发明的宽带光相干干涉***。
图2为激光双缝干涉***。
图3为本发明实施实例的宽带光相干干涉信号图。
图4为本发明实施实例的群折射率和拟合算法得到的近似折射率曲线。
图5为本发明实施实例的激光双缝干涉图样。
图6为本发明实施实例的测量结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1-6所示，本发明的一种光学材料折射率曲线测量方法，包括如下步骤，
S1：通过一宽带光相干干涉***测量待测光学材料在不同波长下的群折射率值；
S2：通过一激光双缝干涉***测量待测光学材料在一确定的激光的波长下对应的折射率值；
S3：采用积分算法结合步骤S1及S2的测量结果对待测光学材料在整个波长范围的群折射率值进行计算，进而得到待测光学材料在整个波长范围的折射率曲线，所述积分算法公式如下：
其中，是待测光学材料的待求折射率值，k0是所对应的波数，是待测光学材料在确定的激光的波长下对应的折射率值，k1是所对应的波数，ng(k)是待测光学材料的群折射率值，k是ng(k)所对应的波数。
在步骤S1中，所述宽带光相干干涉***是以宽带光源为发光源的迈克尔干涉仪，通过采集迈克尔干涉仪的其中一光束臂***待测光学样品前后的干涉光谱信号进而获得待测光学材料的群折射率值，具体获取方式为：
S11：在不同波长的宽带光源下，通过采集迈克尔干涉仪的其中一光束臂***待测光学样品前后的干涉光谱信号，从而获得待测光学材料整个波段的干涉光谱信号；
S12：将整个波段的干涉光谱信号按波长进行分段，采用短时傅里叶变换技术对其进行处理，获取因为待测光学样品引入而增加的光程，并利用ng(k)＝ΔL/d+1，计算出各个波长所对应的群折射率值，其中，ΔL是光程差，d是待测光学材料的厚度。
根据步骤S12获得的各个波长所对应的群折射率值，采用数据拟合的方法获得近似的各个波长的折射率值，具体如下：
将群折射值ng(k)通过下式按波数k进行级数展开：
ng(k)＝a0+2a1*k+3a2*k2+4a3*k3+…+nan-1kn-1
则近似的折射率值n(k)可按下式计算：
n(k)＝a0+a1*k+a2*k2+a3*k3+…+an-1kn-1
其中，n为正整数；
根据上述获得的近似的各个波长的折射率值，即可获得宽带光相干干涉***在***待测光学样品前后的条纹偏移的整数部分偏移量。
通过所述激光双缝干涉***测量待测光学材料在一确定的激光的波长下对应的折射率值的方式为：通过将待测光学材料放置于所述激光双缝干涉***的单缝片与双缝片之间，并使待测光学材料的边缘处于双缝片两条狭缝中央，以使得待测光学材料刚好挡住双缝片的一条狭缝；在确定的激光波长下，通过分析***待测光学材料前后的干涉条纹图像，获得条纹偏移的小数部分偏移量，从而获得条纹偏移量，根据条纹偏移量乘以确定的激光波长，获取因为***待测光学材料而增加的光程差，精确确定待测光学材料在该确定的激光波长下所对应的折射率值。
本发明还提供了一种光学材料折射率曲线测量装置，包括用于测量待测光学材料不同波长的群折射率值的宽带光相干干涉***及用于测量该待测光学材料在一确定的激光波长下对应的折射率值的激光双缝干涉***，结合待测光学材料不同波长的群折射率值及其在一确定的激光波长下对应的折射率值，通过积分算法，即可得到待测光学材料在整个波长范围的折射率曲线。
所述宽带光相干干涉***包括宽带光源、第一透镜、第二透镜、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、光谱仪；宽带光源发出的光经第一透镜准直后，被分光镜分为参考臂光束和样品臂光束，其中样品臂光束中***待测光学材料，两束光束经第一反射镜、第二反射镜反射后，返回分光镜汇合并经第二透镜聚焦后被光谱仪采集。
所述激光双缝干涉***包括激光光源、单缝片、双缝片、观察屏，所述激光双缝干涉***测量待测光学材料在确定的激光波长下所对应的折射率值的原理为：首先，激光光源发射的光经单缝片、双缝片，在观察屏上形成参考干涉条纹图像，然后，将待测光学材料置于单缝片、双缝片之间，并使得待测光学材料刚好挡住双缝片的一条狭缝，通过激光光源发射的光经单缝片、待测光学材料、双缝片，在观察屏上形成偏移干涉条纹图像，通过分析对比偏移干涉条纹图像与参考干涉条纹图像，即可获得待测光学材料在确定的激光波长下所对应的折射率值。
以下为本发明的具体实施例。
如图1、2所示，本发明的光学材料折射率曲线测量装置，包括宽带光相干干涉和激光双缝干涉两套子***，宽带光相干干涉***由一宽带光源(1)被用作宽带光相干干涉***的光源，光源发出的光经过透镜(2)准直之后，被分光镜(4)分成参考臂光束和样品臂光束，两束光束经镜子(5、6)反射之后返回分光镜(4)汇合经透镜(3)聚焦后被光谱仪(8)采集，待测的光学材料薄片(7)被***在样品臂中，当调整镜子(5)使参考臂和样品臂光束无论在空间姿态还是光程都一致的时候，两束光束发生干涉，光谱仪(8)将这干涉光强信号记录下来。并传送到电脑(9)中进行分析处理，其测量过程如下：
首先按照图1所示搭建好宽带相干干涉***，此时样品(7)尚未***样品臂，调整镜子5 的位置，使参考光束臂和样品光束臂两者的空间姿态以分光镜(4)的分光界面对称，光谱仪(8) 记录下来干涉信号。将光学材料样品薄片如图1所示******的样品臂中，再次用光谱仪(8) 记录下干涉信号。此时干涉信号如图3所示。对前后两次干涉信号分别进行分割，做短时傅里叶变换操作，分别得到***样品前后两束光臂的不同波长的光程差，两者相减得到不同波长因为***样品而增加的光程，光程除以样品薄片厚度d，我们得到了群折射率曲线，如图4所示。
材料的群折射和折射率有如下关系：ng(k)＝n′(k)*k+n(k)，其中k是波数，n(k)是折射率关于波数k的函数，ng(k)是群折射率关于波数k的函数，n′(k)是对n(k)取导。将群折射值ng(k)通过下式按波数进行级数展开：ng(k)＝a0+2a1*k+3a2*k2+4a3*k3+…+nan-1kn-1则近似的折射率值n(k)可按下式：n(k)＝a0+a1*k+a2*k2+a3*k3+…+an-1kn-1计算得到，因为数据拟合本身存在误差，各系数a0、a1、a2等的值并不精确。此方法计算出来的折射率值是结果的近似值。
之后按照图2所示搭建好激光双缝干涉***，此时样品(7)尚未******中，记录下观察屏(13)上的干涉条纹图像，之后将光学材料薄片(7)***单缝片(11)和双缝片(12)之间，使光学材料薄片(7)刚好挡住双缝片(12)的一条狭缝，再次记录观察屏(13)上的干涉条纹图像，前后两次的干涉条纹图像如图5所示。经过图片分析得，因为***样品而使干涉条纹偏移了66°，对应0.183个条纹数。激光光源的波长时659.2nm。由拟合算法获得的近似折射率曲线得到当波长为659.2nm时，材料的近似折射率为n＝1.5784，光学材料样片的厚度为77.4um，根据这个近似折射率我们得到实际上因为***样品而导致的干涉条纹偏移数的整数部分是58，所以实际条纹偏移数是58.183。根据这个条纹偏移数我们可以将折射率值校正为当波长为659.2nm时，材料的折射率为1.5803。
根据这个折射率值和群折射率曲线，采用积分算法：计算得到整个波段的折射率曲线，结果如图6所示。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种光学材料折射率曲线测量方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1：通过一宽带光相干干涉***测量待测光学材料在不同波长下的群折射率值；
S2：通过一激光双缝干涉***测量待测光学材料在一确定的激光的波长下对应的折射率值；
S3：采用积分算法结合步骤S1及S2的测量结果对待测光学材料在整个波长范围的群折射率值进行计算，进而得到待测光学材料在整个波长范围的折射率曲线；所述积分算法公式如下：
<mrow>
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其中，是待测光学材料的待求折射率值，k0是所对应的波数，是待测光学材料在确定的激光的波长下对应的折射率值，k1是所对应的波数，ng(k)是待测光学材料的群折射率值，k是ng(k)所对应的波数。
2.根据权利要求1所述的光学材料折射率曲线测量方法，其特征在于：在步骤S1中，所述宽带光相干干涉***是以宽带光源为发光源的迈克尔干涉仪，通过采集迈克尔干涉仪的其中一光束臂***待测光学样品前后的干涉光谱信号进而获得待测光学材料的群折射率值。
3.根据权利要求2所述的光学材料折射率曲线测量方法，其特征在于：所述待测光学材料不同波长的群折射率值的具体获取方式为：
S11：在不同波长的宽带光源下，通过采集迈克尔干涉仪的其中一光束臂***待测光学样品前后的干涉光谱信号，从而获得待测光学材料整个波段的干涉光谱信号；
S12：将整个波段的干涉光谱信号按波长进行分段，采用短时傅里叶变换技术对其进行处理，获取因为待测光学样品引入而增加的光程，并利用ng(k)＝ΔL/d+1，计算出各个波长所对应的群折射率值，其中，ΔL是光程差，d是待测光学材料的厚度。
4.根据权利要求3所述的光学材料折射率曲线测量方法，其特征在于：所述步骤S12后还包括一步骤，即根据步骤S12获得的各个波长所对应的群折射率值，采用数据拟合的方法获得近似的各个波长的折射率值，具体如下：
将群折射值ng(k)通过下式按波数k进行级数展开：
ng(k)＝a0+2a1*k+3a2*k2+4a3*k3+…+nan-1kn-1
则近似的折射率值n(k)可按下式计算：
n(k)＝a0+a1*k+a2*k2+a3*k3+…+an-1kn-1
其中，n为正整数；
根据上述获得的近似的各个波长的折射率值，即可获得宽带光相干干涉***在***待测光学样品前后的条纹偏移的整数部分偏移量。
5.根据权利要求4所述的光学材料折射率曲线测量方法，其特征在于：在步骤S2中，通过所述激光双缝干涉***测量待测光学材料在一确定的激光的波长下对应的折射率值的方式为：通过将待测光学材料放置于所述激光双缝干涉***的单缝片与双缝片之间，并使待测光学材料的边缘处于双缝片两条狭缝中央，以使得待测光学材料刚好挡住双缝片的一条狭缝；在确定的激光波长下，通过分析***待测光学材料前后的干涉条纹图像，获得条纹偏移的小数部分偏移量，从而获得条纹偏移量，根据条纹偏移量乘以确定的激光波长，获取因为***待测光学材料而增加的光程差，精确确定待测光学材料在该确定的激光波长下所对应的折射率值。
6.一种光学材料折射率曲线测量装置，其特征在于：包括用于测量待测光学材料不同波长的群折射率值的宽带光相干干涉***及用于测量该待测光学材料在一确定的激光波长下对应的折射率值的激光双缝干涉***，结合待测光学材料不同波长的群折射率值及其在一确定的激光波长下对应的折射率值，通过积分算法，即可得到待测光学材料在整个波长范围的折射率曲线。
7.根据权利要求6所述的一种光学材料折射率曲线测量装置，其特征在于：所述积分算法公式如下：
<mrow>
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其中，是待测光学材料的待求折射率值，k0是所对应的波数，是待测光学材料在确定的激光的波长下对应的折射率值，k1是所对应的波数，ng(k)是待测光学材料的群折射率值，k是ng(k)所对应的波数。
8.根据权利要求6所述的一种光学材料折射率曲线测量装置，其特征在于：所述宽带光相干干涉***包括宽带光源、第一透镜、第二透镜、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、光谱仪；宽带光源发出的光经第一透镜准直后，被分光镜分为参考臂光束和样品臂光束，其中样品臂光束中***待测光学材料，两束光束经第一反射镜、第二反射镜反射后，返回分光镜汇合并经第二透镜聚焦后被光谱仪采集。
9.根据权利要求6所述的一种光学材料折射率曲线测量装置，其特征在于：所述激光双缝干涉***包括激光光源、单缝片、双缝片、观察屏，所述激光双缝干涉***测量待测光学材料在确定的激光波长下所对应的折射率值的原理为：首先，激光光源发射的光经单缝片、双缝片，在观察屏上形成参考干涉条纹图像，然后，将待测光学材料置于单缝片、双缝片之间，并使得待测光学材料刚好挡住双缝片的一条狭缝，通过激光光源发射的光经单缝片、待测光学材料、双缝片，在观察屏上形成偏移干涉条纹图像，通过分析对比偏移干涉条纹图像与参考干涉条纹图像，即可获得待测光学材料在确定的激光波长下所对应的折射率值。
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