一種折射率二維分布的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種折射率二維分布的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，尤其涉及一種利用全內(nèi)反射時(shí) 反射光的相移特性并結(jié)合數(shù)字全息干涉術(shù)來動(dòng)態(tài)測(cè)量折射率二維分布的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 折射率作為一種重要的光學(xué)參數(shù)，對(duì)其精確測(cè)量在材料分析、生化傳感、光學(xué)元件 參數(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域非常重要。目前，用于測(cè)量折射率的方法有自然準(zhǔn)直法、最小偏向角法等， 這些方法都建立在折射和反射定律的基礎(chǔ)上。傳統(tǒng)的折射率測(cè)量儀器是折射計(jì)，但其需要 提前進(jìn)行校正。近年來，多種基于特殊光纖器件的折射率傳感器以其高靈敏性和高測(cè)量精 度的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但其測(cè)量范圍較小并且需要復(fù)雜的制作工藝。另外，折射計(jì)和光纖折 射率傳感器都只能測(cè)量均勻材料的折射率。然而，實(shí)際情形下的測(cè)量對(duì)象往往是非均勻的， 現(xiàn)有的方法很難對(duì)其折射率分布，尤其是對(duì)于一些處于化學(xué)、物理過程中的測(cè)量對(duì)象的動(dòng) 態(tài)折射率分布，進(jìn)行有效測(cè)量。也有人提出一種可以實(shí)現(xiàn)大范圍折射率二維分布動(dòng)態(tài)測(cè)量 的方法（Y. Chu, et al. "Full-field refractive index measurement with simultaneous phase-shift interferometry, "0ptik 125(13)，3307-3310(2014)·)，但是這種方法需要 復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)和繁瑣的數(shù)據(jù)處理方法，給實(shí)際應(yīng)用帶來很大不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 要解決的技術(shù)問題
[0004] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種折射率二維分布的動(dòng)態(tài)測(cè)量方 法，利用全內(nèi)反射時(shí)反射光的相移特性并結(jié)合數(shù)字全息干涉術(shù)，來動(dòng)態(tài)測(cè)量折射率的二維 分布，所涉及的光路結(jié)構(gòu)簡單，并且后續(xù)數(shù)據(jù)處理方法簡便。
[0005] 技術(shù)方案
[0006] -種折射率二維分布的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，其特征在于步驟如下：
[0007] 步驟1 :將水平偏振或豎直偏振的平行光分為兩束，其中一束平行光從直角棱鏡 的一個(gè)直角邊入射，進(jìn)而以入射角Θ在棱鏡斜邊與空氣界面處發(fā)生全內(nèi)反射，然后從另一 直角邊出射后作為物光波到達(dá)圖像采集器件靶面；
[0008] 另一束平行光作為參考光波與上述物光波在圖像采集器件靶面上相遇并發(fā)生干 涉，并由圖像采集器件記錄得到參考數(shù)字全息圖H。；
[0009] 步驟2 :將待測(cè)樣品置于直角棱鏡斜邊表面物光波的反射區(qū)域內(nèi)，繼續(xù)記錄得到N 幅數(shù)字全息圖嘸，i = 1，2,3…N;
[0010] 步驟3 :根據(jù)基爾霍夫衍射理論，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬光波的衍射傳播過程，對(duì)全 息圖!1。和H i分別進(jìn)行數(shù)值重建，獲得原物光波的復(fù)振幅分布，進(jìn)一步將自H i重建的物光波 的相位分布與自H。重建的物光波的相位分布分別作差，計(jì)算得到放置樣品后物光波的相位 差分布Δ φ。(X，y);
[0011] 步驟4:由于棱鏡斜邊表面樣品折射率分布的不同，反射光波將產(chǎn)生附加相移差， 且步驟3得到的物光波相位差分布與該反射光附加相移差分布相等，根據(jù)反射光附加相移 差分布與樣品折射率分布的關(guān)系，得到樣品的二維折射率分布：
[0012] 當(dāng)采用水平偏振平行光時(shí)，反射光波產(chǎn)生的附加相移差為：
[0014] 以計(jì)算得到的放置樣品后物光波的相位差分布Δ cK(x，y)取代上述公式的 A (i>s(x，y)，得到樣品的二維折射率分布

[0016] 當(dāng)采用豎直偏振平行光時(shí)，反射光波產(chǎn)生的附加相移差為：
[0018] 以計(jì)算得到放置樣品后物光波的相位差分布Δ 取代上述公式的 Δ Φρ(χ，y)，得到樣品的二維折射率分布，其 中：

[0020] 其中：ηι為棱鏡的折射率，n2(x，y)為待測(cè)樣品的折射率分布。
[0021] 有益效果
[0022] 本發(fā)明提出的一種折射率二維分布的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，一束平行光在棱鏡表面發(fā)生 全內(nèi)反射時(shí)，反射光會(huì)產(chǎn)生附加相移（即相位變化），相移值的大小與入射角度Θ和棱鏡界 面兩側(cè)介質(zhì)的折射率（1^?)有關(guān)，當(dāng)入射角Θ和棱鏡折射率ηι確定時(shí)，利用二次曝光數(shù) 字全息干涉術(shù)測(cè)量得到棱鏡-空氣和棱鏡-樣品界面反射光的附加相移差分布，根據(jù)該附 加相移差分布與樣品和空氣折射率的關(guān)系，即可得到樣品的二維折射率分布。
[0023] 本發(fā)明提出的一種折射率二維分布的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，利用數(shù)字全息干涉術(shù)快速、 高精度及全場動(dòng)態(tài)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，將全內(nèi)反射棱鏡引入到測(cè)量光路，可以動(dòng)態(tài)測(cè)量折射率的 二維分布。所涉及的整套測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、后續(xù)數(shù)據(jù)處理方法簡便。由于空氣折射率已 知，被測(cè)樣品的折射率分布可以由所測(cè)得的反射光附加相移差分布直接計(jì)算得到，克服了 單獨(dú)利用數(shù)字全息干涉術(shù)測(cè)量折射率分布需要被測(cè)樣品折射率初始分布的缺點(diǎn)。被測(cè)樣品 的折射率使入射光在全內(nèi)反射棱鏡界面滿足全內(nèi)反射即可，因此該方法可以實(shí)現(xiàn)大范圍折 射率的測(cè)量。
【附圖說明】
[0024] 圖1 :是本發(fā)明動(dòng)態(tài)測(cè)量二維折射率分布的光路圖；
[0025] 圖2 :是實(shí)施例中測(cè)量液體混合過程中在9. 2s時(shí)的二維折射率分布圖；
[0026] 圖中：1-半導(dǎo)體栗浦固體激光器，2-光纖耦合器，3-第一光纖，4-光纖分束器， 5_第二光纖，6-第三光纖，7-第一準(zhǔn)直透鏡，8-第二準(zhǔn)直透鏡，9-第一半波片，10-第二半 波片，11-直角棱鏡，12-反射鏡，13-分光棱鏡，14-圖像米集器件，15-樣品。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0028] 實(shí)施例：本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種折射率二維分布的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法的光路如圖1所示， 包括：半導(dǎo)體栗浦固體激光器1，光纖親合器2,第一光纖3,光纖分束器4,第二光纖5,第三 光纖6,第一準(zhǔn)直透鏡7,第二準(zhǔn)直透鏡8,第一半波片9,第二半波片10,直角棱鏡11，反射 鏡12,分光棱鏡13,圖像采集器件14,樣品15。
[0029] 折射率二維分布的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法的工作流程如下：
[0030] 步驟1 : 一束水平或豎直偏振的平行光從直角棱鏡的一個(gè)直角邊入射，進(jìn)而以入 射角Θ在棱鏡斜邊與空氣界面處發(fā)生全內(nèi)反射，然后從另一直角邊出射后作為物光波到 達(dá)圖像采集器件靶面；
[0031] 步驟2:來自同一激光器的另一束具有相同偏振方向的平行光作為參考光波與上 述物光波在圖像采集器件靶面上相遇并發(fā)生干涉