光谱范围从3654至12000nm的高精度光电自动折射仪

　　1　引　　言

　　随着现代科学技术的发展,对在天文学、航天遥感及生物医学等诸多领域内应用的光学设备的质量要求愈来愈高,光谱范围愈来愈宽,因此,随着新品种高质量光学材料的研制,对光学材料进行折射率的精密测量是十分重要的。

　　许多人对折射率测量作了大量工作[1～8],提出了许多有意义的测量方法,但精度偏低,仅限于量级。Heidenhain[3]研制的高精度测角仪可达到1×的折射率测量精度,但仅用于可见光范围。文献[1～2]也只能在2600nm范围以内进行量级的折射率测量。为了达到高精度并实现自动测量,我们采用了垂直照射封闭测量法,获得了满意的测量结果。

　　2　仪器的测量原理及主要误差源

　　由于垂直照射封闭测量法[8]测量精度高,而且易于实现自动化,故在我们所设计的仪器中得到了具体应用。

　　如图1所示,由准直光源发出的一束平行光与被测等边棱镜的BC面垂直入射,并经该面出射,其折射角为φA,测完折射角后,将样品台按120°旋转两次,使入射光束分别与样品的AC、AB两面垂直,得出折射角φB、φc,将测得的折射角平均值φ=(φA+φB+φC)/3代入下式

　　即可求出被测样品的折射率[9]。

　　为了分析测角误差对折射率的影响,我们将上式对φ微分,并令

　　对不同折射率值可求得相应的K值,如表1所示。根据不同折射率测量精度的要求,可计算出所要求的测角误差。

　　除角度测量误差外,还存在着光束倾斜入射和光束不平行性引起的误差。图2为光束倾斜入射时的情况。实线和虚线分别代表垂直入射和具有γ倾角时的光线行迹,可以计算出折射角的变化[9]Δφ后代入(2)式求出具有倾角时的折射率测量误差。

　　用同样方法可求光束不平行对折射率的影响。表2列出了测角误差为1″,光束不平行偏差为0.5″,入射光束的不垂直误差为3′时所产生的折射率测量误差。从表中数据可知,折射率值愈小,测角误差影响愈大,而倾斜误差则对折射率大的样品才有显著影响。而光束准直性的影响对不同材料的影响是基本一致的。

　　值得注意的是上述三种误差计算是建立在棱镜三个顶角相等的基础上的。而事实上,棱镜的三个顶角不可能相等,而存在着一定的加工误差。同样可以计算加工误差对折射率的影响,但当加工误差小于±1′时,对测量精度不会产生明显影响。

　　由于用于照明的单色光是由连续光谱光源经光栅分光得到的,因此对单色光的波长精度必须提出严格要求,根据色散公式

　(3)

　　式中A0,A1……A5和λ分别表示色散系数和波长,通过对LaK2(nD=1.699200)和LaK3(nD=1.746798)两种光学材料进行计算表明,若单色仪存在着±0.025nm的波长误差时,将产生±1.8×的折射率测量误差。因此,如要求折射率测量精度优于±3×,那么,考虑到表2中的数据,分光系统的波长重复性必须优于±0.025nm,尤其在小于400nm波长范围内更应如此。波长准确性应定期由光谱灯的各谱线进行精确定标。