一种观察溶液浓度轮廓的新方法

    1　引　　言

    由于近年来各类晶体及其聚合物在许多领域得到了广泛的应用,晶体生长的研究随即引起了人们的极大关注。在晶体生长的过程中,晶体周围溶液的浓度监控是必不可少的。而目前的溶液浓度测量方法虽多,但多是对单一浓度的溶液进行观测,而不能对存在不同浓度的溶液进行浓度分布的成像和测量。本文中的暗场纹影法就是在这样的背景下提出的,该方法具有原纹影法分辨率高,系统简单,易于实现等优点,而且更适合对小尺度的被测样本进行显微观测。

    2　原　　理

    纹影法(Schlidren Method)[1]最早是为了观察以超音速飞行的子弹或喷气式飞机在弹体或机翼周围所形成的冲击波而发展起来的一种光学方法,该方法可以将透明物质中的折射率变化转换为光强的变化,从而反映出透明物中的折射率分布状况。该方法已经被引入到晶体领域的观测中[2]。但原始的纹影法是不适合进行显微观测的,因而我们在其基础上提出了以下的改进系统,其装置简图如图1所示:

　　狭缝放置在聚光镜的后焦面处,形成孔径光阑,挡板放置于狭缝的共轭面处,也就是与狭缝像重叠的付立叶(Fourier)平面处。由于狭缝很细,因而整个系统可以看作是相干光照明成像系统。狭缝置于聚光镜的焦平面上,产生平行光束来照明待测样品。由纹影法原理可知:光线在经过折射率分布不均匀的样本时,将会发生折射,产生一个空间位相角:θ=(x,y)。位相角θ=(x,y)是由观测样本的折射率梯度在厚度方向上(z轴方向)的积分值决定的,其公司表述如下:

    光线经过样本后进入显微物镜,并将光源成像于显微物镜的后焦平面。由于存在折射角,图像将产生平移。以沿X轴的平移为例,当θ角很小时,平移量为δ θ(x)f_obj。在物镜的后焦平面上,设置一个尺寸与狭缝光源像相同的挡板。当没有衍射发生,即位相角θ为零时,光线被完全遮挡,像方呈现暗视场;当θ≠0时,通过挡板的光强由折射像的平移量δ决定:

    I(x,y)∝|δ|≡|θ(x,y) |f_obj         (2)

　　由此,在显微物镜的像平面上得到位相物体像的光强即可表示为I(x,y)= C |θ(x,y)|,将位相角的表达式代入上式后得到:

上式中,x,y为垂直于光轴的样品平面坐标,I(x,y)为像平面上的光强分布式,C为与观察系统相关的常数,z为样品在光轴上的厚度。由该式可以得出,像平面上的x方向与y方向上的光强分布分别取决于被测样品两个方向上折射率梯度在样品厚度方向上的积分值。

    但是由于显微物镜所成的共轭像p1很小,对其处理很不方便,所以实际光路中加装了一个放大透镜将其放大。在二次成像p2处用大小相同的挡板将其遮挡,如图1的装置简图所示。