液體折射率的測(cè)量方法分析

宋書瑋

摘 要：折射率屬于物質(zhì)的重要參數(shù)，利用折射率的測(cè)量可以了解該種物質(zhì)的濃度、純度、色散性能、官學(xué)性能，在食品、醫(yī)藥、化工與石油工業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了激光照射法、衍射光柵法、光纖楊氏干涉法、掠面入射法和CCD測(cè)量法幾種常見(jiàn)的液體折射率測(cè)量法。

關(guān)鍵詞：液體折射率；測(cè)量方法；分析

在物質(zhì)眾多光參數(shù)中，折射率非常重要，物質(zhì)的純度、濃度和色散等性質(zhì)都能通過(guò)折射率進(jìn)行了解。除此折射率還與熱光系數(shù)等一些參數(shù)有著密切聯(lián)系。折射率的精準(zhǔn)測(cè)量在化工廠、制藥廠和食品廠等工業(yè)部門具有重要意義。而且高校的一些實(shí)驗(yàn)也離不開(kāi)折射率的精準(zhǔn)測(cè)量。液體折射率的測(cè)量方法多種多樣，而本文主要介紹了激光照射法、衍射光柵法、光纖楊氏干涉法、掠面入射法和CCD測(cè)量法五種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，并對(duì)它們的異同進(jìn)行了比較。

1 激光照射法

激光照射法測(cè)量折射率時(shí)需要液體的折射和液體表層的反射。具體測(cè)量過(guò)程是：He-Ne激光器以一定角度照射樣品池里水平放置的玻璃板，此時(shí)會(huì)發(fā)生光的反射，標(biāo)出反射到對(duì)面垂直于地面的墻壁上的光斑N。然后向樣品池中緩慢注入待測(cè)液直到形成液體薄層，此時(shí)光線會(huì)在液體表面發(fā)生反射而在墻壁上形成光斑N1，另外光線通過(guò)空氣進(jìn)入待測(cè)液體部分會(huì)被玻璃板反射而又從液體出來(lái)，在這個(gè)過(guò)程中光線發(fā)生了兩次折射，在墻壁上產(chǎn)生光斑N2。經(jīng)過(guò)測(cè)量我們可以得到墻上幾個(gè)光斑間的距離，利用幾何知識(shí)可以得到入射角，再將這些數(shù)據(jù)代入由Snell定律和相關(guān)幾何關(guān)系推導(dǎo)出的液體折射率計(jì)算公式中，就可以得出此液體的折射率。

2 衍射光柵法

通過(guò)衍射光柵法測(cè)量液體折射率時(shí)需用到激光、衍射光柵和立方體玻璃樣品池。具體操作過(guò)程是：使激光產(chǎn)生的激光束準(zhǔn)直地照射到靠近玻璃池的衍射光柵上。在沒(méi)加待測(cè)液體前，會(huì)在在玻璃池后壁衍射出零級(jí)衍射光束A點(diǎn)和一級(jí)衍射光束C點(diǎn)。加液后，一級(jí)衍射光束經(jīng)液體折射后（忽略玻璃池厚度對(duì)光束產(chǎn)生的側(cè)移）打在后壁的B點(diǎn)。并將這些點(diǎn)標(biāo)記在貼在池子外側(cè)的坐標(biāo)紙上。因?yàn)橐患?jí)衍射光柵遵循布拉格定律，這樣可以找到角和長(zhǎng)度的關(guān)系，再根據(jù)Snell定律得出求折射率的計(jì)算公式，因?yàn)楣街兄挥薪嵌群驼凵渎?。所以再根?jù)布拉格定律可以通過(guò)測(cè)量或利用勾股定理間接得出所要的長(zhǎng)度來(lái)代替公式中的角度最后求得該液體的折射率。

3 光纖楊氏干涉法

光纖楊氏干涉法利用了芯徑小、能產(chǎn)生均勻光斑和傳光性良好的光纖做干涉光源，從而使干涉圖樣更明亮而且條紋較寬便于測(cè)量。而且這種方法只需要測(cè)量條紋寬度，減少了測(cè)量誤差。

4 掠面入射法

掠面入射法是利用阿貝折射儀來(lái)測(cè)量液體折射率的，在使用時(shí)只需將望遠(yuǎn)鏡的叉絲對(duì)準(zhǔn)明暗交界線，就可以直接從表盤上讀出待測(cè)液的折射率。阿貝折射儀是根據(jù)全反射原理制作的，入射光線中必定會(huì)有以近似平行于直角棱鏡弦面（全反射臨界角）從待測(cè)液體某點(diǎn)進(jìn)入棱鏡的，而且會(huì)從棱鏡的另一面以一定出射角出射出。此時(shí)用望遠(yuǎn)鏡按照出射角度對(duì)準(zhǔn)出射光線，視野中會(huì)出現(xiàn)一半明一半暗的現(xiàn)象，是因?yàn)樵诖笥谌瓷渑R界角方向上沒(méi)有光能流，而且中間的分界線與全反射臨界角光線對(duì)應(yīng)。阿貝折射儀關(guān)鍵部件是由兩個(gè)直角棱鏡弦面相對(duì)組成，上面棱鏡的弦面是磨砂的為散漫光源用。

5 CCD測(cè)量法

用CCD測(cè)量法計(jì)算液體折射率時(shí)利用了液體折射率與偏移量的關(guān)系。具體過(guò)程是先用CCD兩次測(cè)量激光束從同一角度斜射長(zhǎng)方形樣品池時(shí)產(chǎn)生的偏移量。這兩次測(cè)量有所不同，一次長(zhǎng)方形樣品池中充滿待測(cè)液體，另一次長(zhǎng)方形樣品池是空的。再將兩個(gè)數(shù)據(jù)代入由折射率與偏移量的關(guān)系導(dǎo)出公式中，最后做差。這樣做的原因是激光束照射充滿待測(cè)液的樣品池時(shí)產(chǎn)生的偏移量不只是由待測(cè)液產(chǎn)生，還與玻璃壁等有關(guān)系。而把此數(shù)據(jù)代入公式求得的折射率并不是待測(cè)液體的，所以通過(guò)減去相同角度照射無(wú)液體空樣品池子求得的折射率來(lái)消除玻璃壁等其他因素影響。這個(gè)測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)原理和PCR測(cè)吸光度時(shí)必須用空白組的道理類似。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的這五種方法各有各的優(yōu)缺點(diǎn)：其中激光照射法和衍射光柵法操作簡(jiǎn)單，僅需測(cè)出幾個(gè)光斑間的距離就可計(jì)算出折射率，而且測(cè)量范圍非常廣，不用移動(dòng)設(shè)備就可以連續(xù)測(cè)量不同液體。但光斑間距離的不精確測(cè)量會(huì)降低折射率的精確度。光纖楊氏干涉法雖然能得到較寬較亮的干涉條紋，測(cè)量的精確度也較高，但對(duì)操作的要求高不適宜廣泛應(yīng)用。掠面入射法是目前應(yīng)用中最為廣泛的一種，它的操作簡(jiǎn)單而且精確度也高，但它的測(cè)量范圍有限?？傊?，在實(shí)驗(yàn)中為了得到理想的測(cè)量結(jié)果要根據(jù)具體情況來(lái)選擇合適的測(cè)量方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 閆冰，張洪江，賈東明，趙占娟.C60復(fù)合物折射率的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2002（04）.

[2] 陳強(qiáng)華，劉景海，羅會(huì)甫，何永熹，羅軍，王鋒.對(duì)633nm波長(zhǎng)下濕空氣折射率計(jì)算公式的精確修正[J].中國(guó)激光，2014（03）.

[3] 尉繼征，黃宇彬，景遐斌.傅里葉變換表面等離子體共振頻率對(duì)金膜表面溶液折射率響應(yīng)[J].應(yīng)用化學(xué)，2012（02）.

[4] 馬文英，羅吉，許誠(chéng)昕，凌味未，汪為民.金屬納米結(jié)構(gòu)對(duì)光譜響應(yīng)及折射率靈敏度的影響[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2012（12）.