计算机控制的高精度光电折射仪

　　1　引　　言

　　随着现代科学技术的发展,对于天文、航天遥感、高分辨光谱学及生物医学等诸多领域应用的光学设备质量要求愈来愈高。尤其在国防光学领域里,红外热成像技术的日臻完善,高折射率宽谱段的光学材料越来越受到重视。因此,伴随高质量光学材料的研制和生产,研制高精度折射率测量仪器显得非常重要了。

　　许多人对折射率测量作了大量工作[1～6],提出了许多有意义的测量方法,但精度偏低,仅限于10-5量级,Heidenhain[3]虽研制出测量精度为1×10-6量级的测角仪,但仅限于可见光范围。在1982年英国的R.P.Edwin和M.T.Dudermel等人利用自准直法测量了包括单晶锗和多晶锗在内的10种样品,在8～10μm的光谱范围内获得了±3×10-4的不确定度。

　　为了满足我国对光学材料进行高精度折射率测量的需要,研制了2台高精度全自动光电折射仪,在365nm～2600nm的光谱范围内对折射率N=1.4～1.76的光学材料以及在5～10.6μm范围内对锗单晶材料样品进行了测量,分别获得了优于±3×10-6和优于±2×10-4的测量精度。

　　2　仪器的测量原理

　　对于折射率小于1.76的光学材料,采用了垂直照射封闭测量法[7],该方法测量精度高,且易于实现自动化测量。与最小偏向角法相比该方法对仪器测角精度要求可降低3倍。

　　由图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,测量其出射角ΦA,然后按120°将样品转动两次,使入射光分别与样品的AC面和AB面垂直,测出折射角ΦB、ΦC,按照几何关系及折射定律,可得关系式(1),将测得的ΦA、ΦB、ΦC值代入上式即可算出折射率N值。但该式计算相当复杂,需进行多次迭代,为此假设样品加工无误差,即ΦA=ΦB=ΦC,此时(1)式可简化为:

　　这里Φ为3次测得的折射角平均值,即Φ=(ΦA+ΦB+ΦC)/3,实际上样品加工无误差是不可能的,假设样品一顶角为60°,另两角为60°±1′,60°±3′时,计算不同折射率的ΔΦ以及其对N值的影响如表1所示,由表可见,样品加工误差对折射率误差的敏感程度对不同的折射率是不同的,尤其对折射率大的样品要严格控制顶角加工误差在±1′以内。

　　对N值大于1.76的样品,需针对具体的折射率数值范围,改变被测样品形状,例如,对样品锗进行测量时须将一个顶角磨制成小于22°的楔形顶角等腰棱镜,如图2所示,使入射的单色准直光与入射面法线的夹角(即入射角I1)尽量接近45°。转动瞄准系统分别瞄准反射光束Ⅰ、非偏折光束Ⅱ及折射光束Ⅲ,测得偏折射角θ和入射角I1。按图3所示,可以测出棱镜的顶角,将样品楔形顶角对准入射光束,并使样品底面BC垂直于入射光束,测出β1、β2光束的角位置,顶角A可由式(3)求得: