申请/专利权人：鞍山师范学院

申请日：2017-11-16

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN107782698B

主分类号：G01N21/41

分类号：G01N21/41;G01N21/01

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2018.04.03#实质审查的生效;2018.03.09#公开

摘要：本发明涉及一种基于菲涅尔公式测量折射率的实验方法及装置，采用激光笔作为入射光的光源，激光笔前方加设偏振片用于改变入射光的偏振方向；分别使线偏振光的透振方向平行于入射面和垂直于入射面，将线偏振光以45°角入射到待测样品表面上，保证两种情况下入射光强度相等，然后通过与电脑连接的CCD摄像头采集两种情况下的反射光强度I1、I2；根据菲涅尔公式折射定律即可计算得出待测样品的折射率。本发明能够方便、快速地测量样品反射的偏振光的强度，将测量结果代入菲涅尔公式即可求得折射角，从而准确地测定固体或液体的折射率；实验装置结构简单，操作调整方便。

主权项：1.基于菲涅尔公式测量折射率的实验方法，基于一种实验装置实现；其特征在于，所述实验装置包括实验平台、固定架、样品槽、激光笔、CCD摄像头及计算机；所述固定架和样品槽设于实验平台上，样品槽用于盛放待测的固体或液体；激光笔通过固定架设置在样品槽的外上方，CCD摄像头通过固定架设置在与激光笔相对的一侧；激光笔的前端激光束出射方向固定有偏振片，CCD摄像头位于激光束的反射光束上，CCD摄像头的信号输出端通过数据线连接计算机；所述实验平台由底座、调节脚、横向水准泡、纵向水准泡组成，底座的底部四周分别设调节脚，底座上平面分别设横向水准泡和纵向水准泡；所述固定架由立杆、横杆、横杆连接滑块、激光笔连接滑块、摄像头连接滑块及固定螺栓组成；所述立杆为2个，间隔且竖直地固定在底座上，横杆两侧分别通过横杆连接滑块与立杆连接；激光笔连接滑块设于横杆一端，激光笔设于激光笔连接滑块上；摄像头连接滑块设于横杆另一端，CCD摄像头设于摄像头连接滑块上；横杆连接滑块的高度、激光笔连接滑块的水平位置、摄像头连接滑块的水平位置、激光笔的角度、CCD摄像头的角度均可单独调整，调整后在对应连接处分别通过固定螺栓锁紧固定；CCD摄像头的像素不小于1200W，分辨率不小于1280×720ppi，成像距离为20～40cm；所述激光笔为功率不小于100mw，波长500～560nm的绿光激光笔；实验方法包括如下步骤：1采用激光笔作为入射光的光源，激光笔前方加设偏振片用于改变入射光的偏振方向，经偏振片后的入射光为线偏振光；2分别使线偏振光的透振方向平行于入射面和垂直于入射面，将线偏振光以45°角入射到待测样品表面上，保证两种情况下入射光强度相等，然后通过与电脑连接的CCD摄像头采集两种情况下的反射光强度I1、I2；3根据菲涅尔公式，可以得到： 式中，E1为线偏振光的透振方向平行于入射面时反射光的场强振幅大小；E2为线偏振光的透振方向垂直于入射面时反射光的场强振幅大小；θ0为折射角；E为入射光的场强振幅大小；4由I1＝KE12，I2＝KE22，得出折射角θ0为： 将公式1代入折射定律得到待测样品的折射率： 式中，n为空气的折射率。

全文数据：基于菲涅尔公式测量折射率的实验方法及装置技术领域[0001]本发明涉及物体折射率测量技术领域，尤其涉及一种基于菲涅尔公式测量折射率的实验方法及装置。背景技术[0002]在相关物理实验过程中，经常要检测固体或液体的折射率，工业试验时常用阿贝折射计、分光计等仪器进行测量。虽然阿贝折射计精度高，但结构复杂、造价较高；分光计虽然对折射角测量准确，但其调试难度大，因此使用有一定的局限性;折射率的测定装置都是根据折射定律的原理设计的，折射定律中的入射角在实验操作中能准确控制，但是要准确测量固体或液体的折射角有一定的难度，而折射角的测量精度对于计算折射率是至关重要的。发明内容[0003]本发明提供了一种基于菲涅尔公式测量折射率的实验方法及装置，能够方便、快速地测量样品反射的偏振光的强度，将测量结果代入菲涅尔公式即可求得折射角，从而准确地测定固体或液体的折射率;实验装置结构简单，操作调整方便。[0004]为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：[0005]基于菲涅尔公式测量折射率的实验方法，包括如下步骤：[0006]1采用激光笔作为入射光的光源，激光笔前方加设偏振片用于改变入射光的偏振方向，经偏振片后的入射光为线偏振光；[0007]2分别使线偏振光的透振方向平行于入射面和垂直于入射面，将线偏振光以45°角入射到待测样品表面上，保证两种情况下入射光强度相等，然后通过与电脑连接的CCD摄像头采集两种情况下的反射光强度I^I2;[0008]3根据菲涅尔公式，可以得到：[0011]式中，E1为线偏振光的透振方向平行于入射面时反射光的场强振幅大小;E2为线偏振光的透振方向垂直于入射面时反射光的场强振幅大小；θ〇为折射角;E为入射光的场强振幅大小；[0012]4由I1=KE12A=KE22,得出折射角θ0为：[0014]将公式1代入折射定律得到待测样品的折射率：[0016]式中，η为空气的折射率。[0017]用于实现所述方法的基于菲涅尔公式测量折射率的实验装置，包括实验平台、固定架、样品槽、激光笔、CCD摄像头及计算机;所述固定架和样品槽设于实验平台上，样品槽用于盛放待测的固体或液体;激光笔通过固定架设置在样品槽的外上方，CCD摄像头通过固定架设置在与激光笔相对的一侧;激光笔的前端激光束出射方向固定有偏振片，CCD摄像头位于激光束的反射光束上，CCD摄像头的信号输出端通过数据线连接计算机。[0018]所述实验平台由底座、调节脚、横向水准泡、纵向水准泡组成，底座的底部四周分别设调节脚，底座上平面分别设横向水准泡和纵向水准泡。[0019]所述固定架由立杆、横杆、横杆连接滑块、激光笔连接滑块、摄像头连接滑块及固定螺栓组成;所述立杆为2个，间隔且竖直地固定在底座上，横杆两侧分别通过横杆连接滑块与立杆连接;激光笔连接滑块设于横杆一端，激光笔设于激光笔连接滑块上；摄像头连接滑块设于横杆另一端，CCD摄像头设于摄像头连接滑块上;横杆连接滑块的高度、激光笔连接滑块的水平位置、摄像头连接滑块的水平位置、激光笔的角度、CCD摄像头的角度均可单独调整，调整后在对应连接处分别通过固定螺栓锁紧固定。[0020]所述CCD摄像头的像素不小于1200W，分辨率不小于1280X720ppi，成像距离为20〜40cm〇[0021]所述激光笔为功率不小于lOOmw，波长500〜560nm的绿光激光笔D[0022]与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0023]1采用本发明所述实验方法及装置能够方便、快速地测量样品反射的偏振光的强度，将测量结果代入菲涅尔公式即可求得折射角，从而准确地测定固体或液体的折射率；[0024]2装置结构简单，操作调整方便；[0025]3CCD摄像头的测量数据直接输入计算机，通过计算机程序自动计算折射率，减少人为误差，进一步提尚测量精度。附图说明[0026]图1是本发明所述基于菲涅尔公式测量折射率的实验装置的主视图。（计算机未示出）[0027]图2是本发明所述基于菲涅尔公式测量折射率的实验装置的俯视图。（激光笔、CCD摄像头及计算机未示出）[0028]图3是本发明所述基于菲涅尔公式测量折射率的实验装置的左视图。（激光笔、CCD摄像头及计算机未示出）[0029]图4是本发明所述固体或液体折射原理图。[0030]图5a是光矢量平行于入射面时入射光及反射光电场强度示意图。[0031]图5b是光矢量垂直于入射面时入射光及反射光电场强度示意图。[0032]图中：1.实验平台11.底座12.调节脚13.横向水准泡14.纵向水准泡2.固定支架21.立杆22.横杆3.激光笔4.CXD摄像头5.样品槽6.横杆连接滑块7.激光笔连接滑块8.摄像头连接滑块9.固定螺栓具体实施方式[0033]下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：[0034]本发明所述基于菲涅尔公式测量折射率的实验方法，包括如下步骤：[0035]1采用激光笔作为入射光的光源，激光笔前方加设偏振片用于改变入射光的偏振方向，经偏振片后的入射光为线偏振光；[0036]2分别使线偏振光的透振方向平行于入射面和垂直于入射面，将线偏振光以45°角入射到待测样品表面上，保证两种情况下入射光强度相等，然后通过与电脑连接的CCD摄像头采集两种情况下的反射光强度I^I2;[0037]3根据菲涅尔公式，可以得到：[0040]式中，E1为线偏振光的透振方向平行于入射面时反射光的场强振幅大小;E2为线偏振光的透振方向垂直于入射面时反射光的场强振幅大小；θ〇为折射角;E为入射光的场强振幅大小；[0041]4由I1=KE12,12=KE22,得出折射角θ〇为：[0043]将公式1代入折射定律得到待测样品的折射率：[0045]式中，η为空气的折射率。[0046]如图1-图3所示，本发明所述基于菲涅尔公式测量折射率的实验装置，包括实验平台1、固定架2、样品槽5、激光笔3、CCD摄像头4及计算机;所述固定架2和样品槽5设于实验平台1上，样品槽5用于盛放待测的固体或液体;激光笔3通过固定架2设置在样品槽5的外上方，CCD摄像头4通过固定架2设置在与激光笔3相对的一侧;激光笔3的前端激光束出射方向固定有偏振片，CCD摄像头4位于激光束的反射光束上，CCD摄像头4的信号输出端通过数据线连接计算机。[0047]所述实验平台1由底座11、调节脚12、横向水准泡13、纵向水准泡14组成，底座11的底部四周分别设调节脚12,底座11上平面分别设横向水准泡13和纵向水准泡14。[0048]所述固定架2由立杆21、横杆22、横杆连接滑块6、激光笔连接滑块7、摄像头连接滑块8及固定螺栓9组成;所述立杆21为2个，间隔且竖直地固定在底座11上，横杆22两侧分别通过横杆连接滑块6与立杆21连接;激光笔连接滑块7设于横杆22—端，激光笔3设于激光笔连接滑块7上;摄像头连接滑块8设于横杆22另一端，CXD摄像头4设于摄像头连接滑块8上;横杆连接滑块6的高度、激光笔连接滑块7的水平位置、摄像头连接滑块8的水平位置、激光笔3的角度、CCD摄像头4的角度均可单独调整，调整后在对应连接处分别通过固定螺栓9锁紧固定。[0049]所述CCD摄像头4的像素不小于1200W，分辨率不小于1280X720ppi，成像距离为20〜40cm。[0050]所述激光笔3为功率不小于100mw，波长500〜560nm的绿光激光笔D[0051]本发明所述基于菲涅尔公式测量折射率的实验方法采用菲涅耳公式来测量固体或液体的折射角，其主要设计原理如下：[0052]如图4所示，根据折射定律有:nsin0=n〇sin0，式中Θ与θ〇分别为入射角和折射角，η与no分别为空气的折射率和待测样品的折射率。[0053]根据菲涅耳公式，折射角的计算过程如下：[0054]1平行入射情况：[0055]光矢量平行于入射面时，如图5a所不，（图中Κ、Κι、Κο分别表不入射光、反射光及折射光的光矢量，Ε、Ει、Εο分别代表入射光、反射光及折射光的电场强度，B、Bi、Bo分别代表入射光、反射光及折射光的磁场强度）；[0056]此时，入射光电场强度为E，反射光电场强度为Ei，则有：[0057]2垂直入射情况：[0058]光矢量垂直于入射面时，如图5b所不，（图中K、K2、Ko分别表不入射光、反射光及折射光的光矢量，E、E2、Eq分别代表入射光、反射光及折射光的电场强度，B、B2、Bo分别代表入射光、反射光及折射光的磁场强度）；[0059]此时，入射光电场强度为E，反射光电场强度为E2,贝Ij有：[0060]实验时，根据菲涅尔公式，可以得到：[0063]式中，E1为线偏振光的透振方向平行于入射面时反射光的场强振幅大小;E2为线偏振光的透振方向垂直于入射面时反射光的场强振幅大小；θ〇为折射角;E为入射光的场强振幅大小；[0064]4由I1=KE12,12=KE22,得出折射角θ〇为：[0066]将公式1代入折射定律得到待测样品的折射率：[0068]式中，η为空气的折射率。[0069]以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。[0070]【实施例】[0071]本实施例中，采用功率lOOmw，规格90X12mm，波长532nm的绿光激光笔作为入射光的光源;激光笔3前方加设偏振片用于改变入射光的偏振方向；采用1200万像素，分辨率1280X720，成像距离30cm的CCD摄像头4用于抓拍待测样品的反射光，方便测量光强;样品槽5的规格为100X50X40mm，用于盛装待测样品，本实施例的样品为液体样品，具体为水。采用计算机采集分析数据。[0072]实验平台1由底座11、调节脚12、横向水准泡13、纵向水准泡14组成，底座11的底部四周分别设调节脚12,底座11上平面分别设横向水准泡13和纵向水准泡14。通过调节脚12调节底座11水平，通过横向水准泡13和纵向水准泡14直观观察底座11是否调整到水平状态。[0073]通过CCD摄像头4连接计算机来测量反射光的光强，对数据进行多次测量，求得平均值代入公式1中求得折射角，然后代入公式2中求得折射率。[0074]测量的数据，由于有系统误差和随机误差，我们采用准确度足够高的阿贝折射计测量液体样品的折射率，作为标定值，求出百分误差，即[0076]其中no是使用本装置测量的样品折射率，η’是采用阿贝折射计测定的折射率。实验数据见下表：[0078]测量结果:样品水的折射率为1.321，最大百分误差为1.5%。[0079]但在实际操作过程中，偏振片有漏光现象，反射光不完全是我们所需要的透振方向垂直于入射面或平行于入射面的线偏振光，所以我们采用以下办法处理数据。将入射光强分为两部分，BP[0080]Ii=Ii丄+Ii,其中Ii和Ii丄分别为平行和垂直偏振的入射光强度，并且[0081]设偏振片漏光率为X。当偏振片的透振方向平行于入射面时，入射光经过偏振片后的光强：1=1i+XIi丄。[0082]当偏振片的透振方向垂直于入射面时，则入射光经过偏振片后的光强=I1=Ill+XIi〇[0083]由菲涅尔公式，平行于入射面的线偏振光经反射后的强度为[0085]垂直于入射面的线偏振光经反射后的强度为[0087]所以当漏光占比为X时，入射光经过透振方向平行于入射面的偏振片后的线偏振光被待测样品反射的强度为[0088]4整理可得[0089]、，.式中，I为线偏振光的入射光强度；[0090]同理，入射光经过透振方向垂直于入射面的偏振片后的线偏振光被待测样品反射的强度为：[0092]Is和I反丄可以通过测量得到，为了求出X与θ〇,需要测量I，然后通过上述关系式即可求出待测样品的折射角折射率no。[0093]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.基于菲涅尔公式测量折射率的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：1米用激光笔作为入射光的光源，激光笔前方加设偏振片用于改变入射光的偏振方向，经偏振片后的入射光为线偏振光；2分别使线偏振光的透振方向平行于入射面和垂直于入射面，将线偏振光以45°角入射到待测样品表面上，保证两种情况下入射光强度相等，然后通过与电脑连接的CCD摄像头采集两种情况下的反射光强度I^I2;3根据菲涅尔公式，可以得到：式中，E1为线偏振光的透振方向平行于入射面时反射光的场强振幅大小;E2为线偏振光的透振方向垂直于入射面时反射光的场强振幅大小；θ〇为折射角;E为入射光的场强振幅大小；4由I1=KE12,12=KE22,得出折射角θ〇为：公式I将公式1代入折射定律得到待测样品的折射率：公式2式中，η为空气的折射率。2.用于实现权利要求1所述方法的基于菲涅尔公式测量折射率的实验装置，其特征在于，包括实验平台、固定架、样品槽、激光笔、CCD摄像头及计算机;所述固定架和样品槽设于实验平台上，样品槽用于盛放待测的固体或液体;激光笔通过固定架设置在样品槽的外上方，CCD摄像头通过固定架设置在与激光笔相对的一侧;激光笔的前端激光束出射方向固定有偏振片，CCD摄像头位于激光束的反射光束上，CCD摄像头的信号输出端通过数据线连接计算机。3.根据权利要求2所述的基于菲涅尔公式测量折射率的实验装置，其特征在于，所述实验平台由底座、调节脚、横向水准泡、纵向水准泡组成，底座的底部四周分别设调节脚，底座上平面分别设横向水准泡和纵向水准泡。4.根据权利要求2所述的基于菲涅尔公式测量折射率的实验装置，其特征在于，所述固定架由立杆、横杆、横杆连接滑块、激光笔连接滑块、摄像头连接滑块及固定螺栓组成;所述立杆为2个，间隔且竖直地固定在底座上，横杆两侧分别通过横杆连接滑块与立杆连接;激光笔连接滑块设于横杆一端，激光笔设于激光笔连接滑块上;摄像头连接滑块设于横杆另一端，CCD摄像头设于摄像头连接滑块上;横杆连接滑块的高度、激光笔连接滑块的水平位置、摄像头连接滑块的水平位置、激光笔的角度、CCD摄像头的角度均可单独调整，调整后在对应连接处分别通过固定螺栓锁紧固定。5.根据权利要求2所述的基于菲涅尔公式测量折射率的实验装置，其特征在于，所述CCD摄像头的像素不小于1200W，分辨率不小于1280X720ppi，成像距离为20〜40cm。6.根据权利要求2所述的基于菲涅尔公式测量折射率的实验装置，其特征在于，所述激光笔为功率不小于IOOmw，波长500〜560nm的绿光激光笔。

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