基于空间干涉的透明薄膜折射率测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于空间干涉的透明薄膜折射率测量装置及方法，搭建宽带光源(1)、起偏器(2)、保偏光纤(3)、平凸透镜(4)、作为迈克尔干涉仪的分束器(7)、光谱仪(11)以及控制与数据采集电路(12)的测量装置；利用作为迈克尔逊干涉仪移动臂进行扫描，实现对保偏光纤的空间分布寄生偏振耦合的测量，得到干涉耦合图像；步骤(3)、计算移动臂上反射镜的扫描移动距离Δs，计算出被测透明薄膜折射率nm。与现有技术相比，本发明专利技术可对等厚度的薄膜进行测量，精确度高；装置结构简单，测量方法操作简便。

Refractive Index Measuring Device and Method of Transparent Thin Film Based on Spatial Interference

The invention discloses a transparent film refractive index measuring device and method based on spatial interference, and builds broadband light source (1), polarizer (2), polarization maintaining fiber (3), flat convex lens (4), beam splitter (7), spectrometer (11) and measurement device of control and data acquisition circuit (12); uses mobile arm as Michelson interferometer to scan and realize polarization maintaining. The spatial distribution of optical fibers is measured by parasitic polarization coupling, and the image of interference coupling is obtained. Step 3 calculates the scanning distance s of the mirror on the mobile arm, and calculates the refractive index nanometer of the transparent film measured. Compared with the prior art, the invention can measure thin films of equal thickness with high accuracy, simple device structure and simple operation of measurement method.

【技术实现步骤摘要】
基于空间干涉的透明薄膜折射率测量装置及方法
本专利技术涉及光学器件领域，特别是涉及一种光学器件材料折射率测量方法。
技术介绍
折射率是光学材料的重要参数之一，是研究光学材料其他光学性质的重要基础；直接影响光学系统的质量。折射率可反映光学材料内部的许多信息，同时，其他的一些参量(如热光系数、弹光系数等)也与折射率密切相关。因此，对某种材料的折射率进行测量具有十分重要的意义。专利CN106970045提出《一种透射式薄层物质折射率测量装置》，记载了“耦合光学模块输出的光线为会聚或者发散形式，其在第一棱镜测量面上具有不同入射角，不同的入射角导致透镜的光能量不同，大于临界角的光发生全反射，小于临界角的光发生折射，使得从第二棱镜射出的透射光具有明暗界限的光斑，依据其和待测物的对应关系，计算出待测物的折射率”。专利CN106840002提出《一种非接触式平板玻璃厚度和折射率测量装置及方法》，记载了“其测量装置包括平行光源、平板玻璃、第一线阵CCD和第二线阵CCD，平行光源射出的入射光束射向平板玻璃，入射光束的传播路径上设有狭缝，第一线阵CCD设于入射光束射向平板玻璃表面后反射光束的路径上，第二线阵CCD设于入射光束的延长线上，第一线阵CCD和第二线阵CCD均与数字存储示波器连接，通过示波器采集电压峰获取平行光源发出的入射光经过平板玻璃的一次折出光、上表面的反射光、下表面发射光经上表面折射的出射光、取走平板玻璃时直接射向第二线阵CCD的光的横坐标位置，通过位置坐标计算出折射率”。
技术实现思路
基于上述现有技术的技术问题，本专利技术提出了一种基于空间干涉的透明薄膜折射率测量装置及方法，根据光程差改变引起的迈克尔干涉仪移动臂的移动距离，实现被测物折射率的计算。本专利技术的一种基于空间干涉的透明薄膜折射率测量装置，包括宽带光源1、起偏器2、保偏光纤3、平凸透镜4、作为迈克尔干涉仪的分束器7、光谱仪11、控制与数据采集电路；被测透明薄膜6安装于作为迈克尔干涉仪的分束器7和固定式反射镜5之间；其中：宽带光源1出射的光经过起偏器2后变为线偏振光，该线偏振光经过保偏光纤3后被第一平凸透镜4扩束准直；经扩束后的准直光束输入被分束器7分成两束，分别入射到作为迈克尔逊干涉仪固定臂的固定式反射镜5和扫描臂的可移动式反射镜8，通过步进电机9控制可移动式反射镜8的移动，通过干涉仪两臂之间的光程差补偿保偏光纤3中两正交偏振光束之间的光程差；经过迈克尔逊干涉仪的干涉光经过第二平凸透镜10会聚，经过光谱仪11和数据采集电路获取保偏光纤3的偏振耦合图。本专利技术的一种基于空间干涉的透明薄膜折射率测量方法，该方法包括以下步骤：步骤1、将宽带光源出射的光经过起偏器后变为线偏振光，该线偏振光经过保偏光纤后被第一平凸透镜4扩束准直；经扩束后的准直光束输入被分束器分成两束，分别入射到作为迈克尔逊干涉仪固定臂的固定式反射镜和扫描臂的可移动式反射镜；将被测透明薄膜安装于作为迈克尔干涉仪的分束器和固定式反射镜之间；步骤2、利用作为迈克尔逊干涉仪移动臂的可移动式反射镜进行扫描，实现对迈克尔保偏光纤的空间寄生偏振耦合的测量，获取干涉耦合图像。安装被测透明薄膜，再次获取干涉耦合图像。干涉耦合图像的横坐标为扫描点数，纵坐标为干涉强度；提取两幅干涉耦合图像中干涉主极大包络极大值位置所对应的扫描点数，通过扫描点数差Δp，计算干涉主极大包络移动的距离Δs，即可移动反射镜移动的距离计算公式如下：其中，v为可移动式反射镜移动的速度，p为系统每秒钟扫描点数；步骤3、根据可移动式反射镜移动的距离Δs，计算出被测透明薄膜折射率nm，公式如下：其中，hm为被测透明薄膜的厚度。与现有技术相比，本专利技术基于空间干涉的透明薄膜折射率测量装置及方法，作为一种基于偏振耦合的薄层材料折射率测量方法，可对等厚度的透明薄膜折射率进行精确测量，精确度高；装置结构简单，测量方法操作简便。附图说明图1为本专利技术的基于偏振耦合的薄层材料折射率测量系统；图2为插入被测物前后获取的偏振耦合干涉图，(2a)被测物插入之前获取的干涉耦合图像(2b)被测物插入之后获取的干涉耦合图像；图3为提取的干涉包络图，(3a)、(3b)是对(2a)、(2b)提取包络所得的图像；附图标记：1、宽带光源，2、起偏器，3、保偏光纤，4、第一平凸透镜，5、固定式反射镜，6、被测透明薄膜，7、分束器，8、可移动式反射镜，9、步进电机，10、第二平凸透镜，11、光谱仪。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步的详细描述。搭建如图1所示的实验装置搭建光路图，由宽带光源1、起偏器2、保偏光纤3、第一平凸透镜4、作为迈克尔干涉仪的分束器7、光谱仪11以及控制与数据采集电路，组成，其中被测透明薄膜6安装于作为迈克尔干涉仪的分束器7和固定式反射镜5之间；宽带光源1出射的光经过起偏器2后变为线偏振光，该线偏振光经过保偏光纤3后被焦距为15cm的平凸透镜4扩束准直；经扩束后的准直光束输入分束器7被分成两束，分别入射到作为迈克尔逊干涉仪固定臂的固定式反射镜5和扫描臂的可移动式反射镜8，通过步进电机9控制可移动式反射镜8的移动，通过干涉仪两臂之间的光程差补偿保偏光纤3中两正交偏振光束之间的光程差；经过迈克尔逊干涉仪的干涉光经过焦距为15cm的第二平凸透镜10会聚，经过光谱仪11和数据采集电路获取保偏光纤的偏振耦合图。控制与数据采集电路主要由数据采集卡NI-USB6251，AC-DC12V开关电源，用于给NI-USB6251供电以及差分信号测试系统。数据采集卡的P0.0、P0.1、P0.2口分别于步进电机控制器上下电端口、方向控制端口、步距角切换端口相连，实现对步进电极移动速度、距离的控制；数据采集卡NI-USB6251数据采集流程是通过差分信号测试系统，对光电探测器输出的电压信号进行量化、编码，将得到的数字信号保存到采集卡板载内存上。基于空间干涉的透明薄膜折射率测试装置，本专利技术的基于空间干涉的透明薄膜折射率测量方法，具体包括以下步骤：步骤1、利用作为迈克尔逊干涉仪移动臂的可移动式反射镜8进行扫描，实现对迈克尔保偏光纤的空间寄生偏振耦合的测量，获取干涉耦合图像。安装被测透明薄膜，再次获取干涉耦合图像，干涉耦合图像的横坐标为扫描点数，纵坐标为干涉强度；提取两幅干涉耦合图像中干涉主极大包络极大值位置所对应的扫描点数，通过扫描点数差Δp，计算干涉主极大包络移动的距离Δs，即可移动反射镜移动的距离，公式如下：其中，v为可移动式反射镜移动的速度，p为系统每秒钟扫描点数；步骤2、Δs引起的光程差等于被测透明薄膜引起的光程差时，即2Δs＝2(nm-1)hm反算出被测透明薄膜折射率nm，其中hm为被测透明薄膜的厚度。实施例：被测薄膜为聚乙烯醇薄膜，其厚度为30μm。将被测薄膜安装在迈克尔逊干涉仪分束器和固定式反射镜之间，对保偏光纤的空间分束寄生偏振耦合进行测量，得到图2中(2b)所示的干涉耦合图像。通过希尔伯变换算法提取干涉耦合即图2的(2a)和(2b)的干涉包络，所得结果见图3的(3a)和(3b)。计算干涉主极大包络强度最大处对应的扫描点数，通过扫描点数计算出移动反射镜移动的距离为15.48μm，并根据公式：2Δs＝2(nm-1)hm得到透明薄膜的折射率1.516。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间干涉的透明薄膜折射率测量装置，其特征在于，该装置包括宽带光源(1)、起偏器(2)、保偏光纤(3)、平凸透镜(4)、作为迈克尔干涉仪的分束器(7)、光谱仪(11)以及控制与数据采集电路(12)；其中：宽带光源(1)出射的光经过起偏器(2)后变为线偏振光，该线偏振光经过保偏光纤(3)后被第一平凸透镜(4)扩束准直；经扩束后的准直光束输入被分束器(7)分成两束，分别入射到作为迈克尔逊干涉仪固定臂的固定式反射镜(5)和扫描臂的可移动式反射镜(8)，通过步进电机(9)控制可移动式反射镜(8)的移动，通过干涉仪两臂之间的光程差补偿保偏光纤(3)中两正交偏振光束之间的光程差；经过迈克尔逊干涉仪的干涉光经过第二平凸透镜(10)会聚，经过光谱仪(11)和数据采集电路获取保偏光纤(3)的偏振耦合图。

【技术特征摘要】
1.一种基于空间干涉的透明薄膜折射率测量装置，其特征在于，该装置包括宽带光源(1)、起偏器(2)、保偏光纤(3)、平凸透镜(4)、作为迈克尔干涉仪的分束器(7)、光谱仪(11)以及控制与数据采集电路(12)；其中：宽带光源(1)出射的光经过起偏器(2)后变为线偏振光，该线偏振光经过保偏光纤(3)后被第一平凸透镜(4)扩束准直；经扩束后的准直光束输入被分束器(7)分成两束，分别入射到作为迈克尔逊干涉仪固定臂的固定式反射镜(5)和扫描臂的可移动式反射镜(8)，通过步进电机(9)控制可移动式反射镜(8)的移动，通过干涉仪两臂之间的光程差补偿保偏光纤(3)中两正交偏振光束之间的光程差；经过迈克尔逊干涉仪的干涉光经过第二平凸透镜(10)会聚，经过光谱仪(11)和数据采集电路获取保偏光纤(3)的偏振耦合图。2.一种基于空间干涉的透明薄膜折射率测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤(1)、将宽带光源出射的光经过起偏器后变为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张红霞，宋晓敏，李东阳，贾大功，刘铁根，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12