CN105352915B - 一种折射率二维分布的动态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种折射率二维分布的动态测量方法，结合了数字全息干涉术与全内反射。全内反射过程中反射光相移的大小与入射光的入射角度和全内反射棱镜界面两侧介质的折射率有关，利用二次曝光数字全息干涉术动态测量全内反射棱镜斜边表面放置被测样品前后反射光的相移差值，根据反射光相移差值与空气和样品折射率的关系，可以直接计算得到样品的二维折射率动态分布。该方法只需要样品的折射率可以确保入射光在全内反射棱镜界面发生全内反射即可，所以可以实现大范围的折射率分布测量。

Description

一种折射率二维分布的动态测量方法

技术领域

本发明涉及一种折射率二维分布的动态测量方法，尤其涉及一种利用全内反射时反射光的相移特性并结合数字全息干涉术来动态测量折射率二维分布的方法。

背景技术

折射率作为一种重要的光学参数，对其精确测量在材料分析、生化传感、光学元件参数设计等领域非常重要。目前，用于测量折射率的方法有自然准直法、最小偏向角法等，这些方法都建立在折射和反射定律的基础上。传统的折射率测量仪器是折射计，但其需要提前进行校正。近年来，多种基于特殊光纤器件的折射率传感器以其高灵敏性和高测量精度的优点被广泛应用，但其测量范围较小并且需要复杂的制作工艺。另外，折射计和光纤折射率传感器都只能测量均匀材料的折射率。然而，实际情形下的测量对象往往是非均匀的，现有的方法很难对其折射率分布，尤其是对于一些处于化学、物理过程中的测量对象的动态折射率分布，进行有效测量。也有人提出一种可以实现大范围折射率二维分布动态测量的方法(Y.Chu,et al.“Full-field refractive index measurement with simultaneousphase-shift interferometry,”Optik 125(13),3307-3310(2014).)，但是这种方法需要复杂的光路结构和繁琐的数据处理方法，给实际应用带来很大不便。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种折射率二维分布的动态测量方法，利用全内反射时反射光的相移特性并结合数字全息干涉术，来动态测量折射率的二维分布，所涉及的光路结构简单，并且后续数据处理方法简便。

技术方案

一种折射率二维分布的动态测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将水平偏振或竖直偏振的平行光分为两束，其中一束平行光从直角棱镜的一个直角边入射，进而以入射角θ在棱镜斜边与空气界面处发生全内反射，然后从另一直角边出射后作为物光波到达图像采集器件靶面；

另一束平行光作为参考光波与上述物光波在图像采集器件靶面上相遇并发生干涉，并由图像采集器件记录得到参考数字全息图H₀；

步骤2：将待测样品置于直角棱镜斜边表面物光波的反射区域内，继续记录得到N幅数字全息图H_i，i＝1,2,3…N；

步骤3：根据基尔霍夫衍射理论，利用计算机数值模拟光波的衍射传播过程，对全息图H₀和H_i分别进行数值重建，获得原物光波的复振幅分布，进一步将自H_i重建的物光波的相位分布与自H₀重建的物光波的相位分布分别作差，计算得到放置样品后物光波的相位差分布Δφ_o(x,y)；

步骤4：由于棱镜斜边表面样品折射率分布的不同，反射光波将产生附加相移差，且步骤3得到的物光波相位差分布与该反射光附加相移差分布相等，根据反射光附加相移差分布与样品折射率分布的关系，得到样品的二维折射率分布：

当采用水平偏振平行光时，反射光波产生的附加相移差为：

当采用竖直偏振平行光时，反射光波产生的附加相移差为：

其中：n₁为棱镜的折射率，n₂(x,y)为待测样品的折射率分布。

有益效果

本发明提出的一种折射率二维分布的动态测量方法，一束平行光在棱镜表面发生全内反射时，反射光会产生附加相移(即相位变化)，相移值的大小与入射角度θ和棱镜界面两侧介质的折射率(n₁,n₂)有关，当入射角θ和棱镜折射率n₁确定时，利用二次曝光数字全息干涉术测量得到棱镜-空气和棱镜-样品界面反射光的附加相移差分布，根据该附加相移差分布与样品和空气折射率的关系，即可得到样品的二维折射率分布。

本发明提出的一种折射率二维分布的动态测量方法，利用数字全息干涉术快速、高精度及全场动态测量的优点，将全内反射棱镜引入到测量光路，可以动态测量折射率的二维分布。所涉及的整套测量***结构简单、后续数据处理方法简便。由于空气折射率已知，被测样品的折射率分布可以由所测得的反射光附加相移差分布直接计算得到，克服了单独利用数字全息干涉术测量折射率分布需要被测样品折射率初始分布的缺点。被测样品的折射率使入射光在全内反射棱镜界面满足全内反射即可，因此该方法可以实现大范围折射率的测量。

附图说明

图1：是本发明动态测量二维折射率分布的光路图；

图2：是实施例中测量液体混合过程中在9.2s时的二维折射率分布图；

图中：1-半导体泵浦固体激光器，2-光纤耦合器，3-第一光纤，4-光纤分束器，5-第二光纤，6-第三光纤，7-第一准直透镜，8-第二准直透镜，9-第一半波片，10-第二半波片，11-直角棱镜，12-反射镜，13-分光棱镜，14-图像采集器件，15-样品。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例：本发明设计的一种折射率二维分布的动态测量方法的光路如图1所示，包括：半导体泵浦固体激光器1，光纤耦合器2，第一光纤3，光纤分束器4，第二光纤5，第三光纤6，第一准直透镜7，第二准直透镜8，第一半波片9，第二半波片10，直角棱镜11，反射镜12，分光棱镜13，图像采集器件14，样品15。

折射率二维分布的动态测量方法的工作流程如下：

步骤1：一束水平或竖直偏振的平行光从直角棱镜的一个直角边入射，进而以入射角θ在棱镜斜边与空气界面处发生全内反射，然后从另一直角边出射后作为物光波到达图像采集器件靶面；

步骤2：来自同一激光器的另一束具有相同偏振方向的平行光作为参考光波与上述物光波在图像采集器件靶面上相遇并发生干涉，并由图像采集器件记录得到参考数字全息图H₀；

步骤3：紧贴直角棱镜斜边表面物光波的反射区域放置待测样品，由于棱镜斜边表面样品折射率分布的不同，反射光波将产生附加相移差分布，其大小与入射角θ和棱镜界面两侧介质的折射率n₁和n₂有关：

(1)若原物光波沿水平方向偏振，则其在发生全内反射时，偏振面垂直于入射面，可记为s偏振，此时的附加相移差分布为

(2)若原物光波沿竖直方向偏振，则其在发生全内反射时，偏振面平行于入射面，可记为p偏振，此时的附加相移差分布为

步骤4：上述反射光波产生的附加相移差分布将使物光波携带相应的相位差分布Δφ_o(x,y)，该相位差分布反映了样品二维折射率分布的信息，保持参考光波不变，在样品折射率变化过程中连续拍摄N幅数字全息图H_i(i＝1,2,3…N)；

步骤5：根据基尔霍夫衍射理论，利用计算机数值模拟光波的衍射传播过程，对全息图H₀和H_i分别进行数值重建，获得原物光波的复振幅分布，进一步将自H_i重建的物光波的相位分布与自H₀重建的物光波的相位分布分别作差，计算得到放置样品后物光波的相位差分布Δφ_o(x,y)；

步骤6：由于物光波的相位差分布与反射光的附加相移差分布相等，根据反射光附加相移差分布与样品折射率分布的关系，最终得到样品的二维折射率分布：

(1)若原物光波沿水平方向偏振，则n₂的表达式为

其中，

(2)若原物光波沿竖直方向偏振，则n₂的表达式为

其中，

具体实施例：

半导体泵浦固体激光器1(波长为532nm)发出的线偏振光经光纤耦合器2耦合进第一光纤3，光纤分束器4设置在第一光纤3的末端，其可将光束分成第一光束和第二光束；其中第一光束经第一准直透镜7、第一半波片9后变为水平偏振的平行光，其作为物光波以45°入射到直角棱镜11(K9玻璃，n₁＝1.5195)的一直角面上并在其斜边表面中心处发生全内反射(θ＝72.7332°)，之后被反射镜12反射到达分光棱镜13，直角棱镜11的斜边表面沿水平方向向上并被调整至一定高度以保证出射光束与入射光束共轴；第二光束经第二准直透镜8、第二半波片10后变为水平偏振的平行光作为参考光波；物参光波被分光棱镜13合并后以一定夹角在图像采集器件14(像素数：1280H×960V，像素尺寸：4.4μm)靶面上干涉形成离轴数字全息图。

在直角棱镜11的斜边表面放置样品之前，拍摄一幅全息图作为参考数字全息图H₀；紧贴直角棱镜11的斜边表面中心依次放置75％甘油-水混合液和水后，立即以7.5fps的帧频连续拍摄112幅反映样品二维折射率分布n₂(x,y)动态变化的系列全息图H_i(i＝1,2,3…112)；利用数字全息数值重建算法和相位相减法对所拍摄的数字全息图分别进行数值重建，得到样品动态变化过程中物光波的系列相位差分布Δφ_oi(x,y)；根据物光波相位差分布与反射光附加相移差分布、反射光附加相移差分布与样品折射率分布的关系(式(3))，最终得到被测样品二维折射率分布的动态变化。

本方法结合了数字全息干涉术与全内反射。全内反射过程中反射光相移的大小与入射光的入射角度和全内反射棱镜界面两侧介质的折射率有关，利用二次曝光数字全息干涉术动态测量全内反射棱镜斜边表面放置被测样品前后反射光的相移差值，根据反射光相移差值与空气和样品折射率的关系，可以直接计算得到样品的二维折射率动态分布。该方法只需要样品的折射率可以确保入射光在全内反射棱镜界面发生全内反射即可，所以可以实现大范围的折射率分布测量。

Claims (1)

1.一种折射率二维分布的动态测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将竖直偏振的平行光分为两束，其中一束平行光从直角棱镜的一个直角边入射，进而以入射角θ在棱镜斜边与空气界面处发生全内反射，然后从另一直角边出射后作为物光波到达图像采集器件靶面；

另一束平行光作为参考光波与上述物光波在图像采集器件靶面上相遇并发生干涉，并由图像采集器件记录得到参考数字全息图H₀；

步骤2：将待测样品置于直角棱镜斜边表面物光波的反射区域内，继续记录得到N幅数字全息图H_i，i＝1,2,3…N；

步骤3：根据基尔霍夫衍射理论，利用计算机数值模拟光波的衍射传播过程，对全息图H₀和H_i分别进行数值重建，获得原物光波的复振幅分布，进一步将自H_i重建的物光波的相位分布与自H₀重建的物光波的相位分布分别作差，计算得到放置样品后物光波的相位差分布Δφ_o(x,y)；

步骤4：由于棱镜斜边表面样品折射率分布的不同，反射光波将产生附加相移差，且步骤3得到的物光波相位差分布与该反射光波附加相移差分布相等，根据反射光波附加相移差分布与样品折射率分布的关系，得到样品的二维折射率分布：

当采用竖直偏振平行光时，反射光波产生的附加相移差为：

以计算得到放置样品后物光波的相位差分布Δφ_o(x,y)取代上述公式的Δφ_p(x,y)，得到样品的二维折射率分布其中：

其中：n₁为棱镜的折射率，n₂(x,y)为待测样品的折射率分布。