用反射法自动测量大尺寸样品的折射率分布

　　0　引言

　　折射率分布决定着变折射率介质的主要光学特性和传输性能,例如变折射率透镜的光线轨迹、聚焦特性、数值孔径、像差特性等[1].折射率分布的测量对变折射率介质的特性研究和制作工艺有极重要的作用.

　　近年来,由于光纤通信迅猛发展的刺激,特别是光纤到户的巨大推动,塑料光纤在光通信中的作用重新获得了定位,这主要因其柔韧性显示了很大的优越性.另一方面,随着高分子工艺的巨大进步,塑料光纤本身的光传输损耗大大减小,使之当然的跻身于短距离光通信及接入设备中.变折射率塑料光纤更以其低传输色散成为人们研制攻关的重点.变折射率塑料预制棒是制作变折射率光纤的主要材料.显然,优质变折射率塑料预制棒的制作离不开对其折射率分布的监控和测量.

　　测量变折射率介质折射率分布的方法有很多,如反射法[2]、近场法[3]、薄片干涉法[4,5]、横向干涉法[6,7]等.近场法和干涉法需要将两端面都抛光,因而较为耗时,测量周期长.薄片干涉法,虽然其测量精度很高,但它对样品加工的平面度、平行性要求非常苛刻,对于大尺寸的塑料光纤预制棒(例如30~50 mm直径),要高精度地加工平行平面薄片几乎不可能·横向干涉法的样品虽然无需加工,但由于光线通过样品中心和边缘的光程差很大,使干涉条纹的偏移量很大,甚至越出观察视场,这虽然还可用横向剪切干涉法[8]解决之,但对于很大直径尺寸的塑料光纤预制棒,要进行折射率分布测量还是很困难的.

　　反射法是较简单的一种方法,只需研磨抛光样品的一个端面,对测试样品的加工要求大大降低,这对大尺寸变折射率塑料预制棒的折射率分布测量尤其适用.本文经理论研究和实验摸索,对传统反射法方案进行了改进,提出一套合理的实验数据处理方法,并引入自动扫描装置和适时数据处理系统,使得能够对大尺寸变折射率材料进行快速、自动、准确的折射率分布测量.文中对实验装置做了具体介绍和详尽分析,对有关理论和实验误差进行了讨论,给出了消除各种误差的有效方法,初步得出比较理想的实验测试结果.

　　1　测量原理和实验装置

　　1.1　测量原理

　　材料表面的反射率与周围介质和材料的折射率有关,这一关系由著名的菲涅耳公式[9]描述.在光垂直入射条件下,菲涅耳公式可写为

　　式中R(r)表示待测物体表面r处的反射率,Pr(r)表示从样品表面反射回来的反射光功率,Pi表示入射到样品上的入射光功率,n0是周围介质(空气或匹配液)的折射率,n(r)是待测物体(如玻璃、塑料光纤预制棒等)处的折射率.其中n0一般情况下为已知值.显然,从式(1)可以看出,若测得Pr(r)和Pi,即可获得待测物体的折射率n(r)的值.