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专利名称：透明介质折射率的测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及激光测量技术领域，是关于一种利用激光纵模间隔变化测量透明介质折射率的测量装置及其测量方法。
背景技术：
折射率是材料的重要物理参数之一，也是影响光学系统性能的重要因素。折射率测量的应用领域包括光学元件的设计和加工，食品、医药、化工等行业的成分检测和产品鉴定，薄膜检测，晶体材料研制，环境监测以及珠宝鉴定等。对一些要求较高的系统，折射率的精确测量是必要的条件。目前的折射率测量方法主要包括测角法、干涉法、菲涅耳公式法等。其中测角法是通过测量角度来计算折射率，包括最小偏向角法、临界角法(全反射法)、v棱镜法、自准直 法、斯涅耳定律、布儒斯特角法等。干涉法利用双光束干涉中的光程改变量来计算折射率，包括迈克尔逊干涉法、马赫-泽德干涉法、F-P干涉仪法、瑞利干涉法、杨氏干涉、等厚干涉、等倾干涉等。菲涅尔公式法是利用测量P或s偏振光的反射系数来计算折射率。此外，折射率的测量方法还包括莫尔条纹法、光谱法、椭偏仪法、毛细管聚焦法、三真空管等效波长法等。然而，传统的折射率测量方法和测量装置不能溯源，精度难于进一步提高，测量范围受限或是加工和配制复杂。

发明内容
综上所述，确有必要提供一种具有易于操作的，高灵敏度、高精度，且具有溯源可能的折射率测量方法和测量装置。一种透明介质折射率的测量装置，包括半外腔激光器，所述半外腔激光器包括一增益管及一输出腔镜，所述输出腔镜置于所述增益管的下方，且与所述增益管间隔设置共同构成激光谐振腔；一样品座，所述样品座设置于所述增益管与输出腔镜之间，用以承载被测样品，所述样品座包括一通光孔，使半外腔激光器产生的激光穿过所述通光孔；一数据采集及处理系统，包括偏振片、雪崩光电二极管以及数据处理系统，所述偏振片设置于所述样品座的下方，以混合半外腔激光器产生的激光中不同偏振方向的输出频率，所述雪崩光电二极管设置于所述偏振片的下方，以探测拍频并将拍频输出至数据处理系统。—种透明介质折射率的测量方法，包括以下步骤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输出腔镜，所述输出腔镜置于所述增益管的下方，且与所述增益管间隔设置共同构成激光谐振腔，所述半外腔激光器运行模式为基横模、连续输出，两个以上纵模同时振荡；在所述增益管与输出腔镜之间设置一样品座，所述样品座包括一通光孔，所述半外腔激光器产生的激光穿过所述通光孔；提供一数据采集及处理系统，包括偏振片、雪崩光电二极管以及数据处理系统，所述偏振片设置于所述样品座的下方，以混合半外腔激光器产生的激光中不同偏振方向的输出频率，所述雪崩光电二极管设置于所述偏振片的下方，以探测纵模间隔并将纵模间隔输出至数据处理系统；由数据处理系统读取并记录未设置被测样品时的初始纵模间隔Atl ;将被测样品设置于所述样品座，使所述半外腔激光器发出的激光穿过所述样品及所述样品座的通光孔，并通过数据处理系统记录放入样品后的纵模间隔An ;通过纵模间隔公式计算得到所述被测样品的折射率。一种透明介质折射率的测量方法，包括以下步骤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输出腔镜，所述输出腔镜置于所述增益管的下方，且与所述增益管间隔设置共同构成激光谐振腔，所述半外腔激光器运行模式为基横模、连续输出，两个以上纵模同时振荡；在所述增益管与输出腔镜之间设置一样品座，所述样品座包括一通光孔，所述半外腔激光器产生的激光穿过所述通光孔；提供一数据采集及处理系统，包括第一光电探测器、第二光电探测器、渥拉斯顿棱镜 偏振片、雪崩光电二极管及数据处理系统，所述渥拉斯顿棱镜位于所述增益管上方，以将半外腔激光器输出的激光中两个垂直偏振的相邻纵模分开，形成两路光强信号；所述第一光电探测器及第二光电探测器位于所述渥拉斯顿棱镜的上方，以分别接收渥拉斯顿棱镜分出的两路光强信号，并将所述两路光强信号输出至数据处理系统；调整输出腔镜使输出腔镜沿激光轴线方向往复运动，第一光电探测器、第二光电探测器获得的光强信号相等时，通过偏振片、雪崩光电二极管和数据处理系统获得未设置被测样品时的初始纵模间隔Atl ;将被测样品设置于所述样品座，使所述半外腔激光器发出的激光穿过所述样品及所述样品座的通光孔；调整输出腔镜使输出腔镜沿激光轴线方向往复运动，第一光电探测器、第二光电探测器获得的光强信号相等时，通过雪崩光电二极管和数据处理系统获得放入样品后的纵模间隔An ;通过纵模间隔公式计算得到所述被测样品的折射率。本发明所述的透明介质折射率的测量装置及其测量方法，利用激光纵模间隔的变化，通过测量放入被测样品前后的纵模间隔，即可计算得到被测样品的折射率。此检测方法操作简单，灵敏度高，且具有应用于残余应力等微小应力检测需求的潜力，并且测量结果具有溯源的潜力。


图I是本发明第一实施例所述的透明介质折射率测量方法的装置示意图。图2是本发明第二实施例所述的透明介质折射率测量方法的装置示意图。图3是本发明中所述激光纵模间隔的示意图。主要元件符号说明
第一光电探测器 11 第二光电探测器 T 渥拉斯顿棱镜3
增益管_4_
样品座_5_
输出腔镜_6
压电陶瓷T
偏振片_8
雪崩光电二极管
高反腔镜_
增益介质TI
增透窗片石
数据处理系统113如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施例方式以下将结合附图详细说明本发明提供的透明介质折射率的测量装置及其测量方法。如图I所示，本发明第一实施例提供一种利用激光纵模间隔变化测量透明介质折射率的装置及其测量方法，所述装置包括半外腔激光器、样品座5以及一数据采集与处理系统。所述半外腔激光器既作为光源又作为传感器，为半外(内)腔结构，双纵模(或多纵模)、基横模模式，连续输出，所述激光器类型可以是气体激光器、半导体激光器和固体激光
翌坐 所述半外腔激光器包括增益管4，输出腔镜6。优选的，所述增益管4，输出腔镜6沿激光的输出方向共轴设置。所述增益管4包括高反腔镜10，增益介质11，增透窗片12沿激光的输出方向共轴设置，其中所述高反腔镜10与增益介质11连接；所述增益介质11上端与所述高反腔镜10连接，下端与增透窗片12连接，内部含有激光工作物质，激光工作物质可以为气体、固体、半导体等；所述增益管4的具体结构可依增益介质11不同而具体结构有所不同，可以根据实验需要进行选择；所述增透窗片12，上端与所述增益介质11连接，镀有激光波长的增透膜。所述输出腔镜6置于所述增益管4的下方，且与所述增益管4间隔设置共同构成激光谐振腔。样品座5，位于激光器谐振腔内，具体的，所述样品座5设置于增益管4与所述输出腔镜6之间。当用于测试的被测样品放置于样品座5上时，激光可照射在所述样品上。所述样品座5的中心具有一通光孔，且所述激光可从所述通光孔中穿过。所述数据采集与处理系统，以读取拍频。所述数据采集及处理系统包括偏振片8、雪崩光电二极管9以及数据处理系统13。所述偏振片8位于所述输出腔镜6后，用于混合不同偏振方向的输出频率；所述雪崩光电二极管9，位于所述偏振片8后，用于探测拍频并输出至数据处理系统13 ;所述数据处理系统13用于接收并显示拍频信号，如频谱仪等，也可以为其他具有相同频谱记录及显示功能的装置，用于以计算折射率值。本发明中，所述“上”、“下”均以图I所示的结构、方向及位置关系为基础。本发明第一实施例进一步提供一种利用激光纵模间隔变化测量透明介质折射率的装置及其测量方法，主要包括以下步骤
第I步，激光工作状态设定为连续输出，模式为基横模，初始纵模个数大于等于两个； 第2步，由数据处理系统读取并记录初始拍频值，即初始纵模间隔Aci ;
第3步，将被测样品放入所述样品座5上，所述半外腔激光器发出的激光穿过所述被测样品及所述样品座5的通光孔，再次记录拍频值，即放入样品后的纵模间隔An ;
第4步,计算得到所述被测样品的折射率n。所述被测样品的折射率n可由下列原理公式推得
纵模间隔公式为
权利要求
1.一种透明介质折射率的测量装置，包括 半外腔激光器，所述半外腔激光器包括一增益管及一输出腔镜，所述输出腔镜置于所述增益管的下方，且与所述增益管间隔设置共同构成激光谐振腔； 一样品座，所述样品座设置于所述增益管与输出腔镜之间，用以承载被测样品，所述样品座包括一通光孔，使半外腔激光器产生的激光穿过所述通光孔； 一数据采集及处理系统，包括偏振片、雪崩光电二极管以及数据处理系统，所述偏振片设置于所述样品座的下方，以混合半外腔激光器产生的激光中不同偏振方向的输出频率，所述雪崩光电二极管设置于所述偏振片的下方，以探测拍频并将拍频输出至数据处理系统。
2.如权利要求I所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，所述数据采集及处理系统进一步包括一第一光电探测器、第二光电探测器以及一渥拉斯顿棱镜；所述渥拉斯顿棱镜设置于所述增益管的上方，以将半外腔激光器输出的激光中两个垂直偏振的相邻纵模分开，形成两路光强信号；所述第一光电探测器及第二光电探测器位于所述渥拉斯顿棱 镜的上方，以分别接收渥拉斯顿棱镜分出的两路光强信号，并将所述两路光强信号输出至数据处理系统。
3.如权利要求I所述的透明介质折射率的测量装置，其特征在于，进一步包括一压电陶瓷，所述压电陶瓷与所述输出腔镜固定相连，以控制所述输出腔镜沿激光的轴线往复运动。
4.一种透明介质折射率的测量方法，包括以下步骤 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输出腔镜，所述输出腔镜置于所述增益管的下方，且与所述增益管间隔设置共同构成激光谐振腔，所述半外腔激光器运行模式为基横模、连续输出，两个以上纵模同时振荡； 在所述增益管与输出腔镜之间设置一样品座，所述样品座包括一通光孔，所述半外腔激光器产生的激光穿过所述通光孔； 提供一数据采集及处理系统，包括偏振片、雪崩光电二极管以及数据处理系统，所述偏振片设置于所述样品座的下方，以混合半外腔激光器产生的激光中不同偏振方向的输出频率，所述雪崩光电二极管设置于所述偏振片的下方，以探测纵模间隔并将纵模间隔输出至数据处理系统； 由数据处理系统读取并记录未设置被测样品时的初始纵模间隔Aci ； 将被测样品设置于所述样品座，使所述半外腔激光器发出的激光穿过所述样品及所述样品座的通光孔，并通过数据处理系统记录放入样品后的纵模间隔An ; 通过纵模间隔公式计算得到所述被测样品的折射率。
5.如权利要求4所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，被测样品垂直于激光轴线放入腔内，所述激光垂直于样品表面入射。
6.如权利要求4所述的透明介质折射率的测量方法，其特征在于，所述被测样品的折射率通过以下公式计算Q ■n^n0 + ^ ^ ^ - A，其中，h为被测样品的厚度，a为样品面法线与激光轴线的夹角，Iitl为样品周围的介质折射率，C为光速，A为放入被测样品前后纵模间隔之差。
7.如权利要求4所述透明介质折射率的测量方法，其特征在于，进一步包括一使所述输出腔镜沿着激光轴线往复运动的步骤，并连续记录三次或多次纵模间隔，求所述纵膜间隔的平均值作为An。
8.—种透明介质折射率的测量方法，包括以下步骤 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输出腔镜，所述输出腔镜置于所述增益管的下方，且与所述增益管间隔设置共同构成激光谐振腔，所述半外腔激光器运行模式为基横模、连续输出，两个以上纵模同时振荡； 在所述增益管与输出腔镜之间设置一样品座，所述样品座包括一通光孔，所述半外腔激光器产生的激光穿过所述通光孔； 提供一数据采集及处理系统，包括第一光电探测器、第二光电探测器、渥拉斯顿棱镜、偏振片、雪崩光电二极管及数据处理系统，所述渥拉斯顿棱镜位于所述增益管上方，以将半外腔激光器输出的激光中两个垂直偏振的相邻纵模分开，形成两路光强信号；所述第一光电探测器及第二光电探测器位于所述渥拉斯顿棱镜的上方，以分别接收渥拉斯顿棱镜分出的两路光强信号，并将所述两路光强信号输出至数据处理系统； 调节输出腔镜沿着激光轴线方向往复运动，第一光电探测器、第二光电探测器获得的光强信号相等时，通过偏振片、雪崩光电二极管和数据处理系统获得未设置被测样品时的初始纵模间隔Atl ; 将被测样品设置于所述样品座，使所述半外腔激光器发出的激光穿过所述样品及所述样品座的通光孔； 调节输出腔镜沿着激光轴线方向往复运动，第一光电探测器、第二光电探测器获得的光强信号相等时，通过偏振片、雪崩光电二极管和数据处理系统获得放入样品后的纵模间隔An ; 通过纵模间隔公式计算得到所述被测样品的折射率。
全文摘要
本发明属于激光测量技术领域，是关于一种利用激光纵模间隔变化测量透明介质折射率的方法。本方法以激光输出的相邻纵模的频率间隔作为检测对象，在放入被测样品后，由于激光器谐振腔光学长度发生变化，从而引起激光输出的纵模间隔发生变化。通过测量放入被测样品前后的纵模间隔，即可计算得到被测样品的折射率。本发明将激光频率引入折射率的测量，灵敏度非常高，而且测量结果具有溯源的潜力。
文档编号G01N21/41GK102735646SQ20121020483
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者张书练, 张鹏, 谈宜东 申请人:清华大学