中红外多波长材料折射率的测量装置及其测量方法

摘要

本发明公开了一种中红外波长材料折射率的测量装置，包括激光二极管、光束整形装置、输入镜、激光晶体、球面高反镜、棱镜对、狭缝、输出耦合镜、法拉第隔离器、半透半反镜、可调光阑、精密旋转台、光谱仪和双通道功率计构成，和一种中红外波长材料折射率的测量方法，实现了待测材料在宽光谱范围内不同中红外波长下折射率的直接测量，解决了目前材料在中红外波长折射率难于测量的问题，同时测量过程简便易行，大大简化了折射率测量过程，降低了测量成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料折射率测量技术领域，特别是一种在室温条件下中红外波长材料折射率的测量装置及其测量方法。 

背景技术

目前，对于材料折射率的测量方法多种多样，最常用的方法有V形棱镜法、最小偏向角法等。虽然这些方法在特定波长可以给出待测材料比较精确的折射率，但前提是要求待测材料具备很好的透明性、折射率均匀性以及较大的尺寸，同时对于待测材料的形状和加工精度也有着严格要求，而且在测量过程中，有些方法需要使用对人体有害的试剂辅助测量，从而使这些方法在测量材料折射率过程中带有很大的局限性。即便如此，现有的测量方法对于材料折射率测量都局限在可见光及近红外波段，而对于材料在中红外波长的折射率，一般只能通过对待测材料在可见光及近红外波段测得的折射率数据利用经验公式进行拟合获得，无法保证拟合数据的准确性，从而给实际应用带来非常大的不便，在一定程度上限制了中红外光学材料与器件的发展。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种中红外多波长材料折射率的测量装置及其测量方法，通过测量待测材料在不同中红外波长下的表面反射率，利用菲涅尔公式计算获得待测材料的精确折射率，解决目前各种材料在中红外波长折射率无法直接测量的现状。

本发明的技术解决方案如下：

一种中红外波长材料折射率的测量装置，特点在于其构成包括激光二极管、光束整形装置、输入镜、激光晶体、球面高反镜、棱镜对、狭缝、输出耦合镜、法拉第隔离器、半透半反镜、可调光阑、精密旋转台、光谱仪和双通道功率计，各元件的连接关系是：沿光路依次是所述的激光二极管、光束整形装置、输入镜、激光晶体和球面高反镜，所述的球面高反镜将输入光分为第一反射光束和第一透射光束，第一透射光束进入所述的光谱仪，沿第一反射光束光路依次是所述的棱镜对、狭缝、输出耦合镜、法拉第隔离器和半透半反镜，所述半透半反镜将其输入光分为第二反射光束和第二透射光束，第二透射光束被所述的双通道功率计的第一探头接收，第二反射光束经所述的可调光阑垂直入射到待测材料上，并沿原路返回，经可调光阑后再次入射到半透半反镜上，半透半反镜将其分为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离器隔离，第三透射光束被所述的双通道功率计的第二探头接收。

所述的激光晶体为掺铥钙锂铌镓石榴石晶体（Tm:CLNGG）。

一种利用权利要求1所述的中红外波长材料折射率的测量装置的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

①   准备待测材料，使其具有一个不小于3mmх3mm的光学抛光面，同时测量半透半反镜（10）在装配角度下不同波长的功率反射率                                                ；

②   将待测材料固定于精密旋转台（13）上，调整可调光阑（11）和精密旋转台（13），使入射光垂直入射到待测材料的光学抛光面；

③   分别在双通道功率计（15）的第一通道上读出功率值P₁，在双通道功率计（15）的第二通道上读出功率值P₂，在光谱仪（14）读出波长值并记录相应数据；

④   逐步改变狭缝7的位置，对激光输出波长在光谱范围内进行连续调谐，并重复第②、③步骤，记录下不同激光波长下对应的功率数据P₁ 和P₂；

⑤   利用半透半反镜（10）在装配角度下不同波长的功率反射率、不同激光波长下测得的功率数据P₁ 和P₂以及公式计算出不同中红外激光波长下待测材料的折射率数据，进一步拟合得到材料的色散曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）实现了各种材料在中红外宽带光谱范围内不同波长折射率的直接测量，为光学材料在中红外宽波段范围内色散曲线拟合、材料色散补偿以及中红外材料光学镀膜等应用提供了可靠的数据支持。

（2）待测材料只有一个不小于3mmх3mm的光学抛光表面即可进行测量，从而大大简化了测量过程，降低了测量成本。

（3）由于是通过测量待测材料的反射率来获得折射率数据，因而对材料的光学透过率没有要求，理论上表面光学抛光的任何材料均可实现测量，可实现对于低透过率材料折射率的直接测量，大大拓宽了可测材料的范围。

（4）通过采用不同波长的激光器或者光学参量振荡器（OPO）、光学参量放大器（OPA），可实现从深紫外到中红外不同波长下折射率的测量，例如采用Cr²⁺:ZnSe激光器，可以实现从1800~3100nm宽带调谐激光输出，从而极大的拓宽了此种测量方法的潜在适用范围。

（5）测量过程简便易行，只需对待测材料进行一次校准，无需复杂的调整，即可实现宽光谱范围内不同波长下折射率数据的准确测量。

（6）利用菲涅耳公式，通过测量待测材料表面入射光和反射光功率，计算得到折射率数据，待测材料对于入射光透明与否不影响测量结果。

（7）利用高灵敏度双通道功率计同时对两路光进行监测读数，消除了激光器输出功率不稳定可能给测量带来的误差。

附图说明

图1是本发明中红外波长材料折射率的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明中红外波长材料折射率的测量装置的结构示意图。如图所示，虚线框内为可调谐连续中红外激光器，激光二极管1发出的泵浦光由光束整形装置2准直聚焦后，经过输入镜3聚焦到激光晶体Tm:CLNGG4（掺铥钙锂铌镓石榴石晶体）内，引起粒子数反转并在腔内形成激光振荡。腔内的激光经过球面高反镜5漏出小部分激光进入光谱仪14读出波长值。棱镜对6和狭缝7作为腔内波长调谐元件，沿水平方向移动狭缝7可对激光波长进行调谐，不同波长的光由输出耦合镜8输出。输出的中红外激光经过法拉第隔离器9入射到半透半反镜10上，透射部分的光直接被双通道功率计15的第一探头接收，并在双通道功率计15的第一通道上读出功率值大小P₁，反射部分的激光经过可调光阑11后打到待测材料12上，通过待测材料12的0度反射沿原路返回，经过可调光阑11后再次入射到半透半反镜10上，反射部分的光被法拉第隔离器9隔离，从而有效防止反射光沿原路返回进入激光谐振腔内造成输出功率不稳定，透射部分的光入射到双通道功率计15的第二探头被接收，并在双通道功率计15第二通道上读出功率值大小P₂。

实验前首先用双通道功率计15精确测定半透半反镜10在装配角度下不同波长的功率反射率，假定它的功率透射率为,同时假定法拉第隔离器9后的激光功率为P,则可推出入射到待测材料12上的激光总功率为、经过待测材料12表面正反射后的光功率为，进一步可求得待测材料的功率反射率：

                              （1）

同时由菲涅耳公式可知：在光线正入射时，有   ，       （2）

其中为空气折射率，为待测材料12的折射率。假设待测材料12的折射率，则由公式（1）和（2）可推出：

                              （3）

前文可知，通过改变狭缝7的位置，可以实现激光输出波长在宽光谱范围内的连续调谐，由于R₁₀在实验前已经精确测定，所以进行折射率测量时只需变化狭缝7的位置并读出双通道功率计15上的功率值P₁和P₂以及光谱仪14读出的中红外激光波长，即可由公式（3）得到在不同中红外波长下待测材料的折射率数据。

实验前首先将待测材料12固定于可进行二维倾斜调整的精密旋转台13上，抛光面对准可调光阑11方向，可调光阑11开孔至最大，调整精密转台13使入射到待测材料12抛光面上的光束经待测材料12反射后通过可调光阑11射出，逐步缩小可调光阑11的开孔并进一步对精密旋转台13进行调整使待测材料12的反射光仍可通过光阑11射出，不断重复这一过程，当可调光阑11开孔尺寸缩小到1~2mm左右，此时对精密旋转台13进行微调，使得入射到功率计15第二通道上的相对功率值最大，由于输出激光为高斯光束，光束中心强度最大，只有当待测材料12的反射光束中心与可调光阑11的小孔中心重合时才能保证功率计15第二通道上得到相对最大功率值，此时就意味着待测材料12抛光表面的入射光和反射光重合，即实现了正入射。校准完成后将可调光阑11完全打开，即可十分方便的对待测材料12进行不同波长下折射率测量。正入射校准时通过进一步缩小可调光阑11开孔至1mm以下或者增加可调光阑11与精密旋转台13的相对距离都可以达到提高校准精度的目的，从而可以进一步提高测量精度，同时由于测量时使用的是高灵敏度双通道功率计15对入射光和反射光同时进行测量，消除了激光器输出功率不稳定性可能给测量带来的误差，从而可以大大提高测量精度。