[发明专利]一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置

说明书

技术领域

本发明设计一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，属于探测技术领域。

背景技术

折射率是物质的一个重要光学参数，对物质折射率的测量已成为研究其光学特性的重要技术。目前人们已利用几何光学法和波动光学法对物体的折射率进行了测量，测量装置也朝着结构简单、测量精度高、测量时间短的方向不断发展，但传统的测量系统仍存在很多弊端。例如基于全反射原理的阿贝折射仪虽然测量精度较高、可靠性强，但折射率测量范围受到限制[谢克诚,刘光耀,罗康俊. 晶体折射率测试方法[J]. 压电与声光,1996,18（1）:62-66.]；而干涉法是根据两束光的相位变化获得介质的折射率，其中牛顿环、劈尖等干涉法更适合对折射率较小的液体进行测量[郭军. 基于等厚干涉液体折射率的测量装置[J]. 大学物理,2010,29（4）:46-48. 李义宝. 干涉法测透明液体折射率的研究[J]. 安徽建筑工业学院学报（自然科学版）,2008,16（6）:76-79.]，而迈克尔逊干涉仪则对系统的稳定性要求较高[柯金瑞. 利用迈克尔孙干涉仪测定液体折射率[J]. 物理实验,2000,20(2):10-11]。若要实现物质折射率测量系统精度高、测量范围广、结构简单便携、测量速度快以及物质结构不受测试系统干扰或损坏，新型的非接触式折射率探测装置成为发展趋势。

本发明提出一种基于马赫-曾德尔干涉系统测量透明物质折射率的方法，结合相干长度在μm量级且波长可变的飞秒激光相干光源，以及精度在<5nm的延迟系统，可获得物质折射率测量精度在10^-6，测量结果的相对误差在10nm范围内，因此基于飞秒激光的瞬态马赫-曾德尔干涉系统测量精度远高于传统干涉测量系统；另外由于飞秒激光的脉冲宽度窄（50fs），该干涉仪属于瞬态测量系统，因此在测量过程中无需读出条纹变化数目即可获得待测物体的折射率，并避免了因为条纹数目变化过快给测量结果带来的误差；另外物质的折射率是光源波长的函数，本发明装置中飞秒激光的波长可变，因此可获得更准确、更科学的折射率数值。

发明内容

为实现高精度、非接触式的物质折射率的测量，本发明提供了一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，利用飞秒激光作为光源获得加入样品前后的干涉光斑的条纹变化，计算得到具有低误差的样品折射率。本发明之一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，其由飞秒激光器1、光学参量放大器2、马赫-曾德尔干涉系统3、数字延迟发生器4、待测透明物体5、CCD相机6构成；其中，飞秒激光器1分别与光学参量放大器2和数字延迟发生器4依次连接；光学参量放大器2与马赫-曾德尔干涉系统3连接；马赫-曾德尔干涉系统3与待测透明物体5连接；CCD相机6分别与待测透明物体5和数字延迟发生器4依次连接；

飞秒激光器1为Ti蓝宝石飞秒激光系统，输出中心波长为800nm、脉宽50fs、重复频率为1kHz、脉冲能量为2μJ的脉冲激光，光学参量放大器2将其波长调制为240nm~2600nm的飞秒激光，由光学参量放大器2调制后出射的飞秒激光经过马赫-曾德尔干涉系统3形成两条光束20和21，其中马赫-曾德尔干涉系统3包括分光镜13和18、保护金反射镜（可见光区的反射率>95%，2~12μm红外区的反射率为>98%）14~17、BBO倍频晶体（偏硼酸钡晶体）19和光屏24，分光镜13将飞秒激光光束分为反射光束20和透射光束21，反射光束20作为参考光，透射光束21作为探测光，保护金反射镜14和15置于一维压电陶瓷平移台上构成延迟系统23，改变延迟系统23使反射光束20和透射光束21等光程，可获得基频波的干涉光斑，当基频波的波长处于红外范围时，再经BBO倍频晶体19倍频后在光屏24上产生可见光22的干涉光斑；

飞秒激光器1触发数字延迟发生器4，数字延迟发生器4调节CCD相机（Princeton Instruments Pixis 1024B Detector）6与激光产生干涉光斑的延时；

在保护金反射镜16和17之间加入待测透明物体5，使光斑中心在待测透明物体5与空气的交界面上，通过改变延迟系统23的相对位置获得交界面上下出现相似的干涉光斑，利用CCD相机6获取干涉光斑图样，再根据延迟系统23的相对位置计算得到待测透明物体5的折射率；所述的操作流程如图2所示：

执行步骤7，开始，装置自检；自检正常，执行步骤8；

执行步骤8，开启飞秒激光器1，基频光经过光学参量放大器2产生所需波长的飞秒激光脉冲，本发明装置进入预热工作状态；