迈克尔逊等倾干涉法晶体折射率测量方法研究

摘要

折射率是晶体的一个基本参数，是研究晶体其它光学性质的基础。对于同一晶体，不同波长对应不同的折射率，其测量值对器件设计至关重要。对新研制生长的晶体材料往往需对其折射率进行测量以研究其光学特性，传统的折射率测量必须要较大尺寸或特殊形状的材料，这对于新材料的研制来说是困难的、不经济的；又如对材料在红外波段和紫外波段的折射率，传统的折射率测量方法就无能为力。干涉法因具有精度高、测量范围广且没有破坏性等特点，近年来成为研究热点，但一些技术手段的不足限制了其发展。因此，探求一种精确测量折射率的方法，提高折射率的测量精度和自动化程度，对于分析晶体各向异性性质和晶体材料的实际应用，无疑有重要意义。 图像测量技术作为一种新兴的精密测量技术，具有高分辨率、高速度、动态范围大、信息量丰富和自动化等诸多优点，目前已逐渐广泛应用于各种工业测量当中。本文结合迈克尔逊干涉仪的高精密度和图像测量技术的上述优势，旨在实现折射率的非接触、高精度、大范围、高自动化的实时测量，且样品仅为一光轴平行于表面的平薄板，样品加工要求比传统方法大大降低。 本文针对传统迈克尔逊干涉法折射率测量中，每次测量必须从零入射角开始，且小角度入射时理论误差大、噪声影响大等问题，提出新的非零入射角开始的测量方法，大大提高了测量精度和使用灵活性。 针对目前激光干涉实验中的条纹计数方法不但繁琐而且精度不高，且多采用第三方产品，不便于系统集成和测量自动化的实现，本文借鉴三维形貌测量技术中通过相位检测获取物体高度信息的思想和方法，提出一种新的基于相位分析的条纹计数方法，通过提取相位获取干涉条纹变化的信息。同传统的条纹计数方法相比，相位分析方法具有处理精度高、处理过程简单且自动化程度高等优点。 研制了基于迈克尔逊干涉原理的透明材料多波长折射率测量系统，开发了配套的测量软件。实验证明系统稳定性较好、快速调节易操作、自动化程度高，易于多波长测量拟合色散曲线。利用系统精确测量了CSBN系列晶体在五种波长下的折射率。发现折射率有明显的频率色散现象，随波长的减小迅速地增大。随着Ca2+含量的增加，折射率也逐渐增大。利用最小二乘法非线性拟合，得到了折射率色散的Sellmeier方程和色散曲线。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1本论文研究背景和现实意义

1.1.1论文研究背景

1.1.2论文研究的目的和现实意义

1.2传统的折射率测量方法简介和评述

1.2.1全反射法(临界角法)

1.2.2最小偏向角法

1.2.3 V型棱镜法

1.3折射率测量新技术

1.3.1 Talbot效应和莫尔条纹法

1.3.2基于衍射光栅干涉的测量方法

1.3.3 Michelson干涉法

1.4折射率测量技术的国内外现状及研究热点

1.5干涉条纹分析计数技术

1.6本论文的研究目标和研究内容

第二章迈克尔逊等倾干涉法折射率测量原理

引言

2.1迈克尔逊干涉仪介绍

2.1.1仪器结构、光路

2.1.2工作原理

2.1.3迈克尔逊干涉仪的应用

2.2迈克尔逊干涉法折射率测量原理

2.2.1插入法

2.2.2旋转法

2.3改进的非零入射角开始的测量方法

2.3.1传统方法存在的问题

2.3.2改进的折射率计算方法

本章小结

第三章相位分析法干涉条纹计数

引言

3.1基于图像处理的测量技术

3.2相位分析方法

3.2.1傅里叶变化法

3.2.2相移法

3.2.3相位分析法条纹计数原理

3.3数据采集

3.3.1干涉图像灰度数据采集

3.3.2图像相关分析数据采集

3.4数据的滤波处理

3.4.1时域/空域滤波

3.4.2频域滤波

3.5相位解调

3.5.1余弦变换相位解调

3.5.2卷积滤波法相位解调

3.6相位去包裹

本章小结

第四章迈克尔逊等倾干涉折射率测量系统

引言

4.1硬件系统

4.1.1改装的迈克尔逊干涉仪

4.1.2转动系统

4.1.3成像采集装置

4.2软件系统

4.3影响系统的因素分析

本章小结

第五章CSBN晶体的双折射和色散

引言

5.1晶体双折射

5.2晶体双折射与晶体结构的关系

5.2.1光的电磁理论对双折射现象的解释

5.2.2惠更斯对双折射现象的解释

5.3晶体的折射率测量

5.3.1单轴晶体的折射率测量

5.3.2双轴晶体的折射率测量

5.4理论误差分析

5.5 Ca2+掺杂的铌酸锶钡晶体(CSBN)的折射率

5.5.1 CSBN晶体的材料制备及结构数据

5.5.2 CSBN晶体的折射率

5.6晶体折射率色散的Sellmeier方程和色散曲线

本章小结

第六章结论

6.1本文的主要工作

6.2本文的创新点

6.3有待进一步研究的问题

参考文献

致谢