[0001] 本發明涉及物體折射率檢測
技術領域：
，尤其涉及一種基于菲涅爾公式檢測折射率的實驗方法及裝置。
背景技術：
：在相關化學實驗過程中，經常會測量固體或液體的折射率，工業測試中常用阿貝折射儀、光譜儀等儀器來檢測。 事實上光的折射實驗裝置，阿貝折射儀精度較高，但結構復雜，成本較高； 光譜儀實際上可以準確地檢測折射角，但其調試較困難，因此其使用具有一定的局限性； 測量折射率的裝置都是根據折射定理原理設計的，在實驗操作中可以精確控制折射定理中的入射角，而很難精確檢測固體或液體的折射角，折射角的檢測精度對于折射率的估計至關重要。 技術實現要素：本發明提供了一種基于菲涅爾公式檢測折射率的實驗方法及裝置，能夠方便快捷地檢測樣品反射的偏振光的硬度，然后將檢測結果代入菲涅爾公式中。公式得出折射角，從而準確測量固體或液體的折射率； 該實驗裝置結構簡單，易于操作和調節。 為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案來實現：一種基于菲涅耳公式檢測折射率的實驗方法，包括以下步驟：1)采用激光筆作為入射光源。光，在激光筆前面添加偏光片，用于改變入射光的偏振方向，經過偏光片后的入射光為線偏振； 2) 分別使線偏振光的透射方向平行于入射面和垂直于入射面，使線偏振光以45°角入射到樣品表面進行測量，以保證樣品的硬度兩種情況下的入射光相等，然后通過與筆記本相連的ccd攝像頭采集兩種情況下的反射光硬度i1和i2； 3) 根據菲涅爾公式可得： 式中，e1 為線偏振光透射方向平行于入射面時反射光的場強幅值； e2為線偏振光透射方向垂直于入射面時反射光的場強幅值； θ0為折射角； e是入射光的場強振幅的大?。? 4) 由i1=ke12，i2=ke22，得出折射角θ0為： 將式1代入折射定理，即可得到待測樣品的折射率：式中，n為空氣的折射率。
實現上述方式的基于菲涅爾公式檢測折射率的實驗裝置，包括實驗平臺、固定架、樣品槽、激光筆、CCD相機和計算機。 實驗平臺上設有固定架和樣品罐，樣品罐用于盛裝待測固體或液體； 激光筆通過固定架設置在樣品罐的外側頂部，CCD攝像頭通過固定架設置在激光筆相對的兩側； 激光筆后端的激光束出射方向 偏光鏡固定，CCD攝像頭位于激光束的反射光束上，CCD攝像頭的信號輸出端通過數據線與電腦連接。 實驗平臺由底座、調節腳、水平瓶和縱向瓶組成，底座頂部分別設有調節腳，底座上平面設有縱向瓶和水平瓶。分別為小瓶。 固定架由豎桿、橫桿、橫桿連接滑塊、激光筆連接滑塊、攝像頭連接滑塊和固定螺釘組成； 立桿有兩根，立桿間隔設置并垂直固定在底座上，橫桿兩側分別通過橫桿連接滑塊與立桿連接。 橫桿一端設置有激光筆連接滑塊，激光筆連接滑塊上設置有激光筆； 橫桿的另一端設置有攝像頭連接滑塊，攝像頭連接滑塊上設置有ccd攝像頭； 橫桿連接滑塊的高度、激光筆連接滑塊的水平位置、攝像機連接滑塊的水平位置、激光筆的角度、CCD攝像機的角度均可單獨調節。 相應的接頭分別用固定螺釘鎖緊固定。 ccd攝像頭像素不大于1200w，幀頻不大于1280×，成像距離20-40cm。
激光筆為紅色激光筆，功率不大于100mw，波長500-560nm。 與現有技術相比，本發明的有益效果是：1)采用本發明所述的實驗方法及裝置就可以方便、快速地檢測樣品反射的偏振的硬度，通過代入即可看出檢測結果代入菲涅爾公式2）裝置結構簡單，操作調整方便； 3）將ccd相機的檢測數據直接輸入計算機，通過計算機程序手動估算折射率，減少人為誤差，進一步提高檢測精度。 附圖說明圖1 圖1為本發明基于菲涅爾公式檢測折射率的實驗裝置的主視圖。 (計算機未示出) 圖2為本發明基于菲涅爾公式檢測折射率的實驗裝置鳥瞰圖。 (未示出激光筆、CCD相機和計算機) 圖3為本發明基于菲涅爾公式檢測折射率的實驗裝置的左視圖。 (未示出激光筆、CCD相機和計算機) 圖4為本發明的固體或液體折射的原理圖。 圖5a為光矢量平行于入射面時入射光和反射光的場硬度示意圖。 圖5b為光矢量垂直于入射面時入射光和反射光的場硬度示意圖。 圖中： 1. 實驗平臺 11. 底座 12. 調節腳 13. 垂直水準泡 14. 水平水準泡 2. 固定支架 21. 立桿 22. 橫桿 3. 激光筆 d 攝像頭 5. 樣品槽 6. 水平桿連接滑塊 7. 激光筆連接滑塊 8. 攝像頭連接滑塊 9. 固定螺絲 下面結合附圖對本發明的具體實施方法進一步說明： 本發明根據菲涅爾公式實驗方法包括以下步驟：1)使用激光筆作為入射光的光源，在激光筆前面添加偏振片來改變入射光的偏振方向，經過偏振后的入射光偏光片為線偏振； 2）使線偏振光的透射方向平行于入射面并垂直于入射面，將線偏振光以45°角入射到待測樣品表面，以保證被測樣品的硬度兩種情況下入射光相等，然后通過與筆記本連接的ccd攝像頭采集兩種情況下的反射光硬度i1和i2； 3) 根據菲涅爾公式可得： 式中，e1 為線偏振光透射方向平行于入射面時反射光的場強幅值； e2為線偏振光透射方向垂直于入射面時反射光場強的幅值； θ0為折射角； e為入射光場強的幅值； 4）由i1=ke12，i2=ke22，得到折射角θ0為： 將式1代入折射定理，即可得到待測樣品的折射率： 式中n為空氣的折射率。
如圖1-圖2所示。 3、本發明的基于菲涅爾公式檢測折射率的實驗裝置，包括實驗平臺1、固定架2、樣品槽5、激光筆3、CCD相機4和計算機； 實驗平臺1上設置有固定架2和樣品罐5，樣品罐5用于盛裝待測固體或液體； 激光筆3通過固定框2設置在樣品罐5的外頂部，CCD攝像頭4穿過固定框2，設置在激光筆3相對的兩側。 激光筆3后端的激光束出射方向固定有偏光片，CCD攝像頭4位于激光束的反射光束上，CCD攝像頭4的信號輸出端通過數據線連接。線計算機。 所述的實驗平臺1由底座11、調節腳12、水平氣泡13、垂直水平氣泡14組成，底座11的頂部四周分別設有調節腳12，底座11的平面設有垂直線分別為水準泡13和水平水準泡。 所述的固定架2由豎桿21、橫桿22、橫桿連接滑塊6、激光筆連接滑塊7、攝像頭連接滑塊8和固定螺釘9組成；水平泡14。 所述的豎桿21為2根，間隔豎直固定在底座11上，橫桿22的兩側分別通過橫桿連接滑塊6與豎桿21連接； 在7號街區； 攝像頭連接滑塊8位于橫桿22的另一端，CCD攝像頭4位于攝像頭連接滑塊8上。 橫桿連接滑塊6的高度、激光筆連接滑塊7的水平位置、攝像頭連接滑塊8的水平位置、激光筆3的角度、ccd攝像頭4的角度可以均獨立調節，調節完畢后，分別用固定螺釘9將相應的關節鎖緊固定。
ccd攝像頭4的像素不大于1200w，幀率不大于1280×，成像距離20-40cm。 激光筆3為紅色激光筆，功率不大于100mw，波長為500-560nm。 本發明的基于菲涅爾公式檢測折射率的實驗方法，采用菲涅爾公式來檢測固體或液體的折射角，其主要設計原理如下：如圖4所示，根據折射定理有：nsinθ=n0sinθ0，其中θ和θ0分別為入射角和折射角光的折射實驗裝置，n和n0分別為空氣折射率和待測樣品的折射率。 根據菲涅爾公式，折射角的估計過程如下： (1)平行入射情況：當光矢量平行于入射面時，如圖5a所示，(圖中的k,k1,k0分別表示入射光、反射光和折射光的光矢量，e、e1、e0分別表示入射光、反射光和折射光的電場硬度，b、b1、b0分別表示入射光的磁場硬度、反射光和折射光）； 此時，入射光電場硬度為e，反射光場硬度為e1，則有： (2)垂直入射：當光矢量垂直于入射面時，如圖5b所示，(圖中的k、k2、k0分別表示入射光、反射光和折射光的光矢量，e、e2、e0分別表示入射光、反射光、折射光的電場硬度，b、 b2、b0分別表示入射光、反射光、折射光的磁場硬度； 此時，入射光場的硬度為e，反射光場的硬度為e2。 那么，在實驗中，根據菲涅耳公式，可以得到： 式中，e1為線偏振光透射方向平行于入射面時反射光的場強幅值； e2為線偏振振動傳播方向垂直于入射面時反射光的場強幅值； θ0為折射角； e為入射光場強幅值； 4) 由i1=ke12，i2=ke22，得到折射角θ0： 將式1代入折射定理，即可得到待測樣品的折射率： 式中n為空氣的折射率。
以下實施例是在本發明技術方案的前提下實施的，給出了詳細的實施方法和具體操作過程，但本發明的保護范圍并不限于以下實施例。 以下實施例中所用的方法，如無特殊說明，均為常規方法。 【實施例】 本實施例中，采用功率為100mw、尺寸為90×12mm、波長為532nm的紅色激光筆作為入射光的光源； 激光筆3前面加有偏光片，改變入射光的偏振方向。 采用1200萬像素、幀率1280×720、成像距離30cm的ccd攝像頭4，捕捉待測樣品的反射光，方便檢測光強度； 樣品槽5的尺寸為100×50×40mm，用于盛放測試樣品，本實施例的樣品為液體樣品，具體為水。 通過計算機進行數據收集和分析。 實驗平臺1由底座11、調節腳12、水平氣泡13、垂直氣泡14組成。底座11的頂部分別設有調節腳12，底座的上平面設有調節腳12。圖11中分別設有垂直水準泡13和水平水準泡。 14、通過調節腳12來調節底座11的水平，通過水平瓶13和水平瓶14目視觀察底座11是否調整至水平狀態。 將ccd攝像頭4與計算機連接，檢測反射光的光強，多次檢測數據，將得到的平均值代入公式1得到折射角，再代入公式2得到折射率。 檢測到的數據，由于存在系統偏差和隨機偏差，我們使用精度足夠高的阿貝折射儀檢測液體樣品的折射率，并將其作為校準值，得到百分比偏差，即n0是本裝置檢測到的樣品的折射率，n'是用阿貝折射計測量的折射率。
實驗數據如下表所示： 次229n0 檢測值 1.3211.3221.3101.3191.319n' 校準值 1.331.331.331.331.33 百分比偏差 0.7% 0.6% 1.5% 0.8% 0.8% 檢測結果：樣水的折射率為1.321，最大百分比分數偏差為1.5%。 但在實際操作過程中，偏光片存在壞點，反射光并不是完全線偏振且透射方向垂直于入射面或平行于入射面，因此我們采用以下方法處理數據。 將入射光強度分為兩部分，即ii=ii⊥+ii//，其中ii//和ii⊥分別為平行和垂直偏振光的入射光硬度，并設置偏光片的死點率到 x。 當偏光片的透射方向與入射面平行時，入射光通過偏光片后的光強：i//=ii//+xii⊥。 當偏光片的透射方向垂直于入射面時，入射光通過偏光片后的光強為：i⊥=ii⊥+xii//。 根據菲涅爾公式，反射后平行于入射面的線偏振硬度為 訂購得到入射面偏光片后待測樣品反射的線偏振硬度。 式中，i為線偏振入射光的硬度； 同樣，入射光穿過透射方向垂直于入射面的偏振光 被測樣品反射到薄膜后面的線偏振的硬度為： i // 和 i ⊥ 通過檢測可以得到。 為了求得x和θ0，需要檢測i，然后通過上述關系即可得到待測樣品的折射角θ0折射率n0。以上僅是本發明的一種優選的具體實施方法但本發明的保護范圍不限于此，任何熟悉本發明的人
技術領域：
凡在本發明公開的技術范圍內，對本發明的技術方案和發明構思所做的等同替換或變化，均應包含在本發明的保護范圍之內。 當前第 1 頁 第 12 頁
技術特點：
技術總結
本發明涉及一種基于菲涅爾公式檢測折射率的實驗方法及裝置。 采用激光筆作為入射光的光源，在激光筆前面添加偏光片，改變入射光的偏振方向； 振動傳播方向平行于入射面和垂直于入射面，線偏振以45°角入射到待測樣品表面，保證入射光硬度相等兩種情況，然后與筆記本連接的CCD攝像頭采集兩個情況下的反射光硬度I1和I2； 根據菲涅爾公式折射定理，可以估算出待測樣品的折射率。 本發明可以方便、快速地檢測樣品反射的偏振光的硬度，并將檢測結果代入菲涅爾公式得到折射角，從而準確測量固體或液體的折射率。 該實驗裝置結構簡單，操作調整方便。
技術開發人員：張陽； 趙輝; 徐金玲; 修昌
受保護技術用戶：長春師范大學
技術研發日：2017.11.16
技術公告日期：2018.03.09