电荷耦合器件型折射率测定仪的研制

　   折射率是反映介质光学性质的一个重要参数.其测量方法很多,有折射极限法[1](临界角法)、最小偏向角法[2]和利用线阵CCD(charge-coupled de-vice)测量法[3,4],但是大多数都是在暗室条件下进行的一整套测量系统,能制成实用仪器的很少.目前物理实验室常用的折射率测定仪主要是阿贝折射仪.它是用临界角法测量折射率的专用仪器,为接触式测量;要求被测折射率不能大于阿贝折射仪所用棱镜的折射率[1];测量范围小(1.300~1.700);需用手工操作;无法向自动化在线检测方向发展.

    为此,笔者研制了CCD型折射率测量仪,为光电检测系统,是一种非接触式测量,主要由半导体激光光源、线阵CCD图像传感器、驱动电路、A/D转换电路及USB接口组成,集成在30 cm×23cm×30cm的机箱内,测量范围大,精度达到0.5%,既可以作为测量仪器测量液体、固体折射率及溶液浓度,也可以作为教学仪器,使学生在利用简单光学原理测量基本物理量的同时,了解当前热门的新型光电器件线阵CCD的工作机理,用Photoshop,Excel等常用软件进行人工图像数据采集、分析及复杂公式的数值解法,加强计算机应用能力的训练,实验内容丰富,可以提高学生综合实验能力.

     1　仪器原理

    平行光束斜向入射穿过矩形透明待测材料(固体或装在矩形透明容器内的液体),出射光束相对入射光束会有一个位移,分析有、无材料时光斑位置的差值以及材料尺寸、入射角等参数,可以得到材料的折射率[2].仪器原理如图1所示.

　   图2a为光线穿过矩形玻璃容器的情况.当容器中空时,设θ0为入射角;θ1为光线在玻璃内的折射角;n1是玻璃的折射率;n0是空气的折射率(≈1).根据几何知识得到入射点与出射点沿平行于容器壁方向的距离s′为

式中:d1为容器玻璃壁的厚度;d为容器壁之间的间距.

    当容器中装有待测液体时,设液体的折射率为n,光线在液体内的折射角为θ2,同理可得,出射点与入射点沿平行于容器壁方向的距离s为

由式(1)减式(2)并依据折射定律得

由式(3)得

式中:n与容器玻璃壁的厚度d1及折射率n1无关;Δs为容器内有、无液体时出射点光斑位置沿平行于容器壁方向的距离.若d与θ0已知,只要测出Δs,便可求出n.如果待测液体是某种溶液则可根据溶液浓度与n的对应关系得到该溶液浓度的数值.

　 可以证明,固体折射率测量公式与式(4)完全一样,只是其中Δs为有、无固体时出射点光斑位置沿平行于固体壁方向的距离,d为固体宽度.并且,只要d与线阵CCD长度匹配,原则上该仪器可以测量任何折射率数据,包括负折射率.