一种基于布儒斯特-透射结合的复折射率测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于布儒斯特

【技术实现步骤摘要】
一种基于布儒斯特
‑
透射结合的复折射率测量系统及方法


[0001]本专利技术属于介质光学常数测量
，具体涉及一种基于布儒斯特
‑
透射结合的复折射率测量系统及方法。

技术介绍

[0002]光学常数是进行目标辐射传输数值计算、辐射特性及遥感分析的最基础参数。任何辐射参数，如吸收系数、散射系数等均可通过光学常数唯一确定。研究光学常数能够帮助学者们从最基础、最根本层面上掌握、理解介质的反射、吸收光谱分布特性。复折射率是吸收性介质最主要的光学常数。复折射率符号为m，可用m＝n+iκ表示。式中实数部分n为吸收性介质的折射率，决定于光波在吸收性介质中的传播速度；虚数部分的κ决定于光波在吸收性介质中传播时的衰减，叫做吸收指数。i为虚数单位。为获得完整的复折射率，学者们已经发展出多种方法，如衰减全反射法、透射法、椭偏法、以及以上方法的结合方法，如反射
‑
透射结合法、椭偏
‑
透射结合法等。
[0003]衰减全反射法的原理是根据液体表面全反射光的衰减光谱求解复折射率。当光线照射到液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于布儒斯特
‑
透射结合的复折射率测量系统，其特征在于，包括光源(1)、入射光传输测量单元、反射光传输测量单元、入射光转臂(12
‑
1)、反射光转臂(12
‑
2)、转臂控制单元、样品台(9)、入射光信号放大单元、反射光信号放大单元、数据采集器和数据处理控制器(19)；所述数据处理控制器(19)，通过所述转臂控制单元，分别与所述入射光转臂(12
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1)和所述反射光转臂(12
‑
2)连接，用于分别对所述入射光转臂(12
‑
1)和所述反射光转臂(12
‑
2)的转动进行控制；所述入射光转臂(12
‑
1)和所述反射光转臂(12
‑
2)相交于所述样品台(9)；所述入射光转臂(12
‑
1)上面固定安装所述入射光传输测量单元；所述反射光转臂(12
‑
2)上面固定安装所述反射光传输测量单元；所述入射光传输测量单元的测量端，通过所述入射光信号放大单元，连接到所述数据采集器的输入端；所述反射光传输测量单元的测量端，通过所述反射光信号放大单元，连接到所述数据采集器的输入端；所述数据采集器的输出端与所述数据处理控制器(19)连接。2.根据权利要求1所述的基于布儒斯特
‑
透射结合的复折射率测量系统，其特征在于，所述入射光传输测量单元，包括：准直器(3)、光圈(4)、第一偏振器(5)、分束器(6)、第二偏振器(7)和第一探测器(8)；按光入射方向，依次同轴布置所述准直器(3)、所述光圈(4)、所述第一偏振器(5)和所述分束器(6)；所述分束器(6)输出两束相互垂直光线，一束光线与光入射方向同轴，并入射到待测样品的表面；另一束光线与光入射方向垂直，其出射方向依次同轴布置所述第二偏振器(7)和所述第一探测器(8)；所述准直器(3)的光输入端通过光纤(2)与所述光源(1)连接；所述第一探测器(8)的输出端，连接到所述入射光信号放大单元的输入端；其中，所述入射光信号放大单元，包括按光传输方向，依次设置的第一前置放大器(13)和第一锁相放大器(15)。3.根据权利要求1所述的基于布儒斯特
‑
透射结合的复折射率测量系统，其特征在于，所述反射光传输测量单元，按光反射方向，依次包括同轴布置的第三偏振器(10)和第二探测器(11)；所述探测器C(11)的输出端，连接到所述反射光信号放大单元的输入端；其中，所述反射光信号放大单元包括按光传输方向，依次设置的第二前置放大器(14)和第二锁相放大器(16)。4.根据权利要求1所述的基于布儒斯特
‑
透射结合的复折射率测量系统，其特征在于，所述转臂控制单元包括运动控制器(18)和步进电机(17)；所述运动控制器(18)，通过所述步进电机(17)，分别与所述入射光转臂(12
‑
1)和所述反射光转臂(12
‑
2)连接。5.一种权利要求1
‑
4任一项所述的基于布儒斯特
‑
透射结合的复折射率测量系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在设定光波长λ下，得到待测样品的布儒斯特角测量值θ
B
；步骤2，在设定光波长λ下，得到待测样品的总透射率测量值T
exp
：步骤2.1，采用透射法，分别测量得到待测样品的S偏振态透射辐射能量I
t,s
和S偏振态入射辐射能量I
i,s
，以及P偏振态透射辐射能量I
t,p
和P偏振态入射辐射能量I
i,p
，采用下式，计算得到S偏振态透射率T
s
和P偏振态透射率T
p
：
步骤2.2，采用下式，计算得到待测样品的总透射率测量值T
exp
：步骤3，分别建立关于布儒斯特角测量值θ
B
的方程(1)以及关于总透射率测量值T
exp
的方程(2):其中：m1为空气的复折射率；n1为空气的折射率；κ1为空气的吸收指数；m2为待测样品的复折射率；n2为待测样品的折射率；κ2为待测样品的吸收指数；i为虚数单位；方程(1)和方程(2)中，具有两个未知参数n2和κ2；步骤4，采用遗传算法求解得到待测样品的吸收指数κ2和折射率n2：步骤4.1，建立优化目标函数F＝min{(f(n2,κ2)
‑
T
exp
)2}；步骤4.2，分别确定待测样品的折射率初始值n
20
和吸收指数初始值κ
20
：假设待测样品的吸收指数κ2为0，求解方程(1)，得到的折射率值为折射率初始值n
20
；将总透射率测量值T
exp
代入下式，求解得到的吸收指数为吸收指数初始值κ
20
：其中：L为待测样品的厚度；ν为入射光波数，λ为入射光波长；步骤4.3，将折射率初始值n
20
和吸收指数初始值κ
20
作为初代种群，采用遗传算法求解步骤4.1建立的优化目标函数F，终止条件为：F＜10
‑
15
，得到最优的待测样品的吸收指数κ2和折射率n2；步骤5，根据式m2＝n2+iκ2，得到待测样品的复折射率m2，完成对待测样品的复折射率的测量过程。6.根据权利要求5所述的基于布儒斯特
‑
透射结合的复折射率测量系统的方法，其特征在于，步骤1具体为：
步骤1.1，设置入射光线的入射角θ
i
的旋转范围以及步长值；步骤1.2，在入射角θ
i
的旋转范围中，按步长值分别对入射光转臂(12
‑
1)和反射光转臂(12
‑
2)的转动角度进行控制，使入射光线的入射角θ
i
依次到达各指定角度，并且，在每个指定角度时，入射光线的入射角θ
i
和反射光线的反射角θ
r
相等；步骤1.3，在按步长值旋转到的每个指定角度，均得到P偏振态反射率和总反射率的比值R'
p
，方法为：步骤1.3.1，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：来庆志，谭建宇，谢银模，王敏，肖兴雷，乔兰清，白玉洁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：