一種折射率二維分布的動態測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種折射率二維分布的動態測量方法，尤其涉及一種利用全內反射時 反射光的相移特性并結合數字全息干涉術來動態測量折射率二維分布的方法。
【背景技術】
[0002] 折射率作為一種重要的光學參數，對其精確測量在材料分析、生化傳感、光學元件 參數設計等領域非常重要。目前，用于測量折射率的方法有自然準直法、最小偏向角法等， 這些方法都建立在折射和反射定律的基礎上。傳統的折射率測量儀器是折射計，但其需要 提前進行校正。近年來，多種基于特殊光纖器件的折射率傳感器以其高靈敏性和高測量精 度的優點被廣泛應用，但其測量范圍較小并且需要復雜的制作工藝。另外，折射計和光纖折 射率傳感器都只能測量均勻材料的折射率。然而，實際情形下的測量對象往往是非均勻的， 現有的方法很難對其折射率分布，尤其是對于一些處于化學、物理過程中的測量對象的動 態折射率分布，進行有效測量。也有人提出一種可以實現大范圍折射率二維分布動態測量 的方法（Y. Chu, et al. "Full-field refractive index measurement with simultaneous phase-shift interferometry, "0ptik 125(13)，3307-3310(2014)·)，但是這種方法需要 復雜的光路結構和繁瑣的數據處理方法，給實際應用帶來很大不便。

【發明內容】

[0003] 要解決的技術問題
[0004] 為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種折射率二維分布的動態測量方 法，利用全內反射時反射光的相移特性并結合數字全息干涉術，來動態測量折射率的二維 分布，所涉及的光路結構簡單，并且后續數據處理方法簡便。
[0005] 技術方案
[0006] -種折射率二維分布的動態測量方法，其特征在于步驟如下：
[0007] 步驟1 :將水平偏振或豎直偏振的平行光分為兩束，其中一束平行光從直角棱鏡 的一個直角邊入射，進而以入射角Θ在棱鏡斜邊與空氣界面處發生全內反射，然后從另一 直角邊出射后作為物光波到達圖像采集器件靶面；
[0008] 另一束平行光作為參考光波與上述物光波在圖像采集器件靶面上相遇并發生干 涉，并由圖像采集器件記錄得到參考數字全息圖H。；
[0009] 步驟2 :將待測樣品置于直角棱鏡斜邊表面物光波的反射區域內，繼續記錄得到N 幅數字全息圖嘸，i = 1，2,3…N;
[0010] 步驟3 :根據基爾霍夫衍射理論，利用計算機數值模擬光波的衍射傳播過程，對全 息圖!1。和H i分別進行數值重建，獲得原物光波的復振幅分布，進一步將自H i重建的物光波 的相位分布與自H。重建的物光波的相位分布分別作差，計算得到放置樣品后物光波的相位 差分布Δ φ。(X，y);
[0011] 步驟4:由于棱鏡斜邊表面樣品折射率分布的不同，反射光波將產生附加相移差， 且步驟3得到的物光波相位差分布與該反射光附加相移差分布相等，根據反射光附加相移 差分布與樣品折射率分布的關系，得到樣品的二維折射率分布：
[0012] 當采用水平偏振平行光時，反射光波產生的附加相移差為：
[0014] 以計算得到的放置樣品后物光波的相位差分布Δ cK(x，y)取代上述公式的 A (i>s(x，y)，得到樣品的二維折射率分布

[0016] 當采用豎直偏振平行光時，反射光波產生的附加相移差為：
[0018] 以計算得到放置樣品后物光波的相位差分布Δ 取代上述公式的 Δ Φρ(χ，y)，得到樣品的二維折射率分布，其 中：

[0020] 其中：ηι為棱鏡的折射率，n2(x，y)為待測樣品的折射率分布。
[0021] 有益效果
[0022] 本發明提出的一種折射率二維分布的動態測量方法，一束平行光在棱鏡表面發生 全內反射時，反射光會產生附加相移（即相位變化），相移值的大小與入射角度Θ和棱鏡界 面兩側介質的折射率（1^?)有關，當入射角Θ和棱鏡折射率ηι確定時，利用二次曝光數 字全息干涉術測量得到棱鏡-空氣和棱鏡-樣品界面反射光的附加相移差分布，根據該附 加相移差分布與樣品和空氣折射率的關系，即可得到樣品的二維折射率分布。
[0023] 本發明提出的一種折射率二維分布的動態測量方法，利用數字全息干涉術快速、 高精度及全場動態測量的優點，將全內反射棱鏡引入到測量光路，可以動態測量折射率的 二維分布。所涉及的整套測量系統結構簡單、后續數據處理方法簡便。由于空氣折射率已 知，被測樣品的折射率分布可以由所測得的反射光附加相移差分布直接計算得到，克服了 單獨利用數字全息干涉術測量折射率分布需要被測樣品折射率初始分布的缺點。被測樣品 的折射率使入射光在全內反射棱鏡界面滿足全內反射即可，因此該方法可以實現大范圍折 射率的測量。
【附圖說明】
[0024] 圖1 :是本發明動態測量二維折射率分布的光路圖；
[0025] 圖2 :是實施例中測量液體混合過程中在9. 2s時的二維折射率分布圖；
[0026] 圖中：1-半導體栗浦固體激光器，2-光纖耦合器，3-第一光纖，4-光纖分束器， 5_第二光纖，6-第三光纖，7-第一準直透鏡，8-第二準直透鏡，9-第一半波片，10-第二半 波片，11-直角棱鏡，12-反射鏡，13-分光棱鏡，14-圖像米集器件，15-樣品。
【具體實施方式】
[0027] 現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：
[0028] 實施例：本發明設計的一種折射率二維分布的動態測量方法的光路如圖1所示， 包括：半導體栗浦固體激光器1，光纖親合器2,第一光纖3,光纖分束器4,第二光纖5,第三 光纖6,第一準直透鏡7,第二準直透鏡8,第一半波片9,第二半波片10,直角棱鏡11，反射 鏡12,分光棱鏡13,圖像采集器件14,樣品15。
[0029] 折射率二維分布的動態測量方法的工作流程如下：
[0030] 步驟1 : 一束水平或豎直偏振的平行光從直角棱鏡的一個直角邊入射，進而以入 射角Θ在棱鏡斜邊與空氣界面處發生全內反射，然后從另一直角邊出射后作為物光波到 達圖像采集器件靶面；
[0031] 步驟2:來自同一激光器的另一束具有相同偏振方向的平行光作為參考光波與上 述物光波在圖像采集器件靶面上相遇并發生干涉