[0001] 本发明涉及物体折射率检测
技术领域：
，尤其涉及一种基于菲涅尔公式检测折射率的实验方法及装置。
背景技术：
：在相关化学实验过程中，经常会测量固体或液体的折射率，工业测试中常用阿贝折射仪、光谱仪等仪器来检测。 事实上光的折射实验装置，阿贝折射仪精度较高，但结构复杂，成本较高； 光谱仪实际上可以准确地检测折射角，但其调试较困难，因此其使用具有一定的局限性； 测量折射率的装置都是根据折射定理原理设计的，在实验操作中可以精确控制折射定理中的入射角，而很难精确检测固体或液体的折射角，折射角的检测精度对于折射率的估计至关重要。 技术实现要素：本发明提供了一种基于菲涅尔公式检测折射率的实验方法及装置，能够方便快捷地检测样品反射的偏振光的硬度，然后将检测结果代入菲涅尔公式中。公式得出折射角，从而准确测量固体或液体的折射率； 该实验装置结构简单，易于操作和调节。 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：一种基于菲涅耳公式检测折射率的实验方法，包括以下步骤：1)采用激光笔作为入射光源。光，在激光笔前面添加偏光片，用于改变入射光的偏振方向，经过偏光片后的入射光为线偏振； 2) 分别使线偏振光的透射方向平行于入射面和垂直于入射面，使线偏振光以45°角入射到样品表面进行测量，以保证样品的硬度两种情况下的入射光相等，然后通过与笔记本相连的ccd摄像头采集两种情况下的反射光硬度i1和i2； 3) 根据菲涅尔公式可得： 式中，e1 为线偏振光透射方向平行于入射面时反射光的场强幅值； e2为线偏振光透射方向垂直于入射面时反射光的场强幅值； θ0为折射角； e是入射光的场强振幅的大小； 4) 由i1=ke12，i2=ke22，得出折射角θ0为： 将式1代入折射定理，即可得到待测样品的折射率：式中，n为空气的折射率。
实现上述方式的基于菲涅尔公式检测折射率的实验装置，包括实验平台、固定架、样品槽、激光笔、CCD相机和计算机。 实验平台上设有固定架和样品罐，样品罐用于盛装待测固体或液体； 激光笔通过固定架设置在样品罐的外侧顶部，CCD摄像头通过固定架设置在激光笔相对的两侧； 激光笔后端的激光束出射方向 偏光镜固定，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与电脑连接。 实验平台由底座、调节脚、水平瓶和纵向瓶组成，底座顶部分别设有调节脚，底座上平面设有纵向瓶和水平瓶。分别为小瓶。 固定架由竖杆、横杆、横杆连接滑块、激光笔连接滑块、摄像头连接滑块和固定螺钉组成； 立杆有两根，立杆间隔设置并垂直固定在底座上，横杆两侧分别通过横杆连接滑块与立杆连接。 横杆一端设置有激光笔连接滑块，激光笔连接滑块上设置有激光笔； 横杆的另一端设置有摄像头连接滑块，摄像头连接滑块上设置有ccd摄像头； 横杆连接滑块的高度、激光笔连接滑块的水平位置、摄像机连接滑块的水平位置、激光笔的角度、CCD摄像机的角度均可单独调节。 相应的接头分别用固定螺钉锁紧固定。 ccd摄像头像素不大于1200w，帧频不大于1280×，成像距离20-40cm。
激光笔为红色激光笔，功率不大于100mw，波长500-560nm。 与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)采用本发明所述的实验方法及装置就可以方便、快速地检测样品反射的偏振的硬度，通过代入即可看出检测结果代入菲涅尔公式2）装置结构简单，操作调整方便； 3）将ccd相机的检测数据直接输入计算机，通过计算机程序手动估算折射率，减少人为误差，进一步提高检测精度。 附图说明图1 图1为本发明基于菲涅尔公式检测折射率的实验装置的主视图。 (计算机未示出) 图2为本发明基于菲涅尔公式检测折射率的实验装置鸟瞰图。 (未示出激光笔、CCD相机和计算机) 图3为本发明基于菲涅尔公式检测折射率的实验装置的左视图。 (未示出激光笔、CCD相机和计算机) 图4为本发明的固体或液体折射的原理图。 图5a为光矢量平行于入射面时入射光和反射光的场硬度示意图。 图5b为光矢量垂直于入射面时入射光和反射光的场硬度示意图。 图中： 1. 实验平台 11. 底座 12. 调节脚 13. 垂直水准泡 14. 水平水准泡 2. 固定支架 21. 立杆 22. 横杆 3. 激光笔 d 摄像头 5. 样品槽 6. 水平杆连接滑块 7. 激光笔连接滑块 8. 摄像头连接滑块 9. 固定螺丝 下面结合附图对本发明的具体实施方法进一步说明： 本发明根据菲涅尔公式实验方法包括以下步骤：1)使用激光笔作为入射光的光源，在激光笔前面添加偏振片来改变入射光的偏振方向，经过偏振后的入射光偏光片为线偏振； 2）使线偏振光的透射方向平行于入射面并垂直于入射面，将线偏振光以45°角入射到待测样品表面，以保证被测样品的硬度两种情况下入射光相等，然后通过与笔记本连接的ccd摄像头采集两种情况下的反射光硬度i1和i2； 3) 根据菲涅尔公式可得： 式中，e1 为线偏振光透射方向平行于入射面时反射光的场强幅值； e2为线偏振光透射方向垂直于入射面时反射光场强的幅值； θ0为折射角； e为入射光场强的幅值； 4）由i1=ke12，i2=ke22，得到折射角θ0为： 将式1代入折射定理，即可得到待测样品的折射率： 式中n为空气的折射率。
如图1-图2所示。 3、本发明的基于菲涅尔公式检测折射率的实验装置，包括实验平台1、固定架2、样品槽5、激光笔3、CCD相机4和计算机； 实验平台1上设置有固定架2和样品罐5，样品罐5用于盛装待测固体或液体； 激光笔3通过固定框2设置在样品罐5的外顶部，CCD摄像头4穿过固定框2，设置在激光笔3相对的两侧。 激光笔3后端的激光束出射方向固定有偏光片，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。线计算机。 所述的实验平台1由底座11、调节脚12、水平气泡13、垂直水平气泡14组成，底座11的顶部四周分别设有调节脚12，底座11的平面设有垂直线分别为水准泡13和水平水准泡。 所述的固定架2由竖杆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和固定螺钉9组成；水平泡14。 所述的竖杆21为2根，间隔竖直固定在底座11上，横杆22的两侧分别通过横杆连接滑块6与竖杆21连接； 在7号街区； 摄像头连接滑块8位于横杆22的另一端，CCD摄像头4位于摄像头连接滑块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的角度可以均独立调节，调节完毕后，分别用固定螺钉9将相应的关节锁紧固定。
ccd摄像头4的像素不大于1200w，帧率不大于1280×，成像距离20-40cm。 激光笔3为红色激光笔，功率不大于100mw，波长为500-560nm。 本发明的基于菲涅尔公式检测折射率的实验方法，采用菲涅尔公式来检测固体或液体的折射角，其主要设计原理如下：如图4所示，根据折射定理有：nsinθ=n0sinθ0，其中θ和θ0分别为入射角和折射角光的折射实验装置，n和n0分别为空气折射率和待测样品的折射率。 根据菲涅尔公式，折射角的估计过程如下： (1)平行入射情况：当光矢量平行于入射面时，如图5a所示，(图中的k,k1,k0分别表示入射光、反射光和折射光的光矢量，e、e1、e0分别表示入射光、反射光和折射光的电场硬度，b、b1、b0分别表示入射光的磁场硬度、反射光和折射光）； 此时，入射光电场硬度为e，反射光场硬度为e1，则有： (2)垂直入射：当光矢量垂直于入射面时，如图5b所示，(图中的k、k2、k0分别表示入射光、反射光和折射光的光矢量，e、e2、e0分别表示入射光、反射光、折射光的电场硬度，b、 b2、b0分别表示入射光、反射光、折射光的磁场硬度； 此时，入射光场的硬度为e，反射光场的硬度为e2。 那么，在实验中，根据菲涅耳公式，可以得到： 式中，e1为线偏振光透射方向平行于入射面时反射光的场强幅值； e2为线偏振振动传播方向垂直于入射面时反射光的场强幅值； θ0为折射角； e为入射光场强幅值； 4) 由i1=ke12，i2=ke22，得到折射角θ0： 将式1代入折射定理，即可得到待测样品的折射率： 式中n为空气的折射率。
以下实施例是在本发明技术方案的前提下实施的，给出了详细的实施方法和具体操作过程，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。 以下实施例中所用的方法，如无特殊说明，均为常规方法。 【实施例】 本实施例中，采用功率为100mw、尺寸为90×12mm、波长为532nm的红色激光笔作为入射光的光源； 激光笔3前面加有偏光片，改变入射光的偏振方向。 采用1200万像素、帧率1280×720、成像距离30cm的ccd摄像头4，捕捉待测样品的反射光，方便检测光强度； 样品槽5的尺寸为100×50×40mm，用于盛放测试样品，本实施例的样品为液体样品，具体为水。 通过计算机进行数据收集和分析。 实验平台1由底座11、调节脚12、水平气泡13、垂直气泡14组成。底座11的顶部分别设有调节脚12，底座的上平面设有调节脚12。图11中分别设有垂直水准泡13和水平水准泡。 14、通过调节脚12来调节底座11的水平，通过水平瓶13和水平瓶14目视观察底座11是否调整至水平状态。 将ccd摄像头4与计算机连接，检测反射光的光强，多次检测数据，将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。 检测到的数据，由于存在系统偏差和随机偏差，我们使用精度足够高的阿贝折射仪检测液体样品的折射率，并将其作为校准值，得到百分比偏差，即n0是本装置检测到的样品的折射率，n'是用阿贝折射计测量的折射率。
实验数据如下表所示： 次229n0 检测值 1.3211.3221.3101.3191.319n' 校准值 1.331.331.331.331.33 百分比偏差 0.7% 0.6% 1.5% 0.8% 0.8% 检测结果：样水的折射率为1.321，最大百分比分数偏差为1.5%。 但在实际操作过程中，偏光片存在坏点，反射光并不是完全线偏振且透射方向垂直于入射面或平行于入射面，因此我们采用以下方法处理数据。 将入射光强度分为两部分，即ii=ii⊥+ii//，其中ii//和ii⊥分别为平行和垂直偏振光的入射光硬度，并设置偏光片的死点率到 x。 当偏光片的透射方向与入射面平行时，入射光通过偏光片后的光强：i//=ii//+xii⊥。 当偏光片的透射方向垂直于入射面时，入射光通过偏光片后的光强为：i⊥=ii⊥+xii//。 根据菲涅尔公式，反射后平行于入射面的线偏振硬度为 订购得到入射面偏光片后待测样品反射的线偏振硬度。 式中，i为线偏振入射光的硬度； 同样，入射光穿过透射方向垂直于入射面的偏振光 被测样品反射到薄膜后面的线偏振的硬度为： i // 和 i ⊥ 通过检测可以得到。 为了求得x和θ0，需要检测i，然后通过上述关系即可得到待测样品的折射角θ0折射率n0。以上仅是本发明的一种优选的具体实施方法但本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本发明的人
技术领域：
凡在本发明公开的技术范围内，对本发明的技术方案和发明构思所做的等同替换或变化，均应包含在本发明的保护范围之内。 当前第 1 页 第 12 页
技术特点：
技术总结
本发明涉及一种基于菲涅尔公式检测折射率的实验方法及装置。 采用激光笔作为入射光的光源，在激光笔前面添加偏光片，改变入射光的偏振方向； 振动传播方向平行于入射面和垂直于入射面，线偏振以45°角入射到待测样品表面，保证入射光硬度相等两种情况，然后与笔记本连接的CCD摄像头采集两个情况下的反射光硬度I1和I2； 根据菲涅尔公式折射定理，可以估算出待测样品的折射率。 本发明可以方便、快速地检测样品反射的偏振光的硬度，并将检测结果代入菲涅尔公式得到折射角，从而准确测量固体或液体的折射率。 该实验装置结构简单，操作调整方便。
技术开发人员：张阳； 赵辉; 徐金玲; 修昌
受保护技术用户：长春师范大学
技术研发日：2017.11.16
技术公告日期：2018.03.09