大量程折射仪的分步求解算法-论文.pdf

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1、中国科学：物理学力学天文学2013年第43卷第3期：257—262《中国科学》杂志社SCIENTIASINICAPhysica．Mechanica＆Astronomicaphys．scichina．comSCIENCECHINAPRESS大量程折射仪的分步求解算法陈艳①，王贤平，孙晶晶①，桑明煌①②①江西师范大学物理与通信电子学院，南昌330022；②江西省光电子与通信重点实验室，南昌330022联系人，E—mail：xpwangphysics@gmai1．com收稿日期：2012—08—14；接受日期：2012—10—17；网络出版日

2、期：2013．02—20国家自然科学基金资助项目(批准号：61265001)摘要针对折射率m线法失效于对称金属包覆波导的大量程折射仪，本文根据模式色散方程和衰减全反射谱，提出了一种分步求解算法．首先将波导层为空气时的共振角度，由二分法及共振角处反射率之和应为最小，计算得到波导层的最优厚度．然后利用波导层最优厚度和波导层为样品时的共振角度，计算出样品的最优折射率．这种算法简单、迅速、误差小．以纯水为例，利用该算法所得结果与真实值一致．关键词大量程折射率仪，对称金属包覆波导，共振角度，折射率，算法PACS：02．60．Pn，42．82．Et

3、，42．79．一edoi：101360／132012—498折射率是物质的重要光学常数之一，折射率的以上几种折射率测量方法虽被广泛应用，但它精确测量可用于探知物质的光学性能Il]、纯度l4及们还具有一个共同不足，即折射率的测量范围较小．而浓度等参数，且在化工、医、环境、食品安全等在近期由曹庄琪教授课题组提出的基于对称金属包领域中具有重要意义．目前，测定固体、液体、气体覆波导(SymmetricalMetal—CladdingWaveguide，折射率的方法很多，常用的有：(1)最小偏向角法【8I，其SMCW)t的大量程折射率仪[中，其金

4、属包覆的测量精度较高，但需将样品加工成棱镜状，增加了测设计使折射率的测量范围不受限制引，既可测量气量难度；(2)阿贝折射仪法l9】，具有操作方便、迅速、环体和液体、也可测量固体的折射率：同时放置待测样境条件要求低等优点，但其全反射原理要求样品的品的波导层为亚毫米尺度，可激发高灵敏的超高阶折射率不得大于1．7，因而对某些样品不适用；(3)椭圆导模】，因此测量精度高，优于0．0001["]．由于超高偏振法I1。Illl，可同时测定样品的折射率和厚度，但若阶导模的模序数通常大于1000，则由m线法『2伽所得厚度超出一定值时，其测量结果并不唯一

5、；(4)准波到的样品折射率和厚度的误差都较大．对此，本文提导的m线法l1}1引，根据衰减全反射谱中的多个共振出一种分步求解算法，先根据当空气为波导层时的角度可同时给出样品折射率和厚度，但其要求波导共振角度计算得出波导层的厚度，再由样品为波导的厚度应足以容纳多个模式．层时的共振角度最终计算得到样品的折射率，为大引用格式：陈艳，王贤平，孙晶晶，等．大量程折射仪的分步求解算法．中国科学：物理学力学天文学，2013，43：257-262ChenY，WangXP，SunJJ，eta1．Smdyonthemulti—stepalgorithmfor

6、large—rangerefractometer(inChinese)．SciSin—PhysMechAstron，2013，43：257_262，doi：10．1360／132012．498陈艳等：大量程折射仪的分步求解算法量程折射仪的实用化提供相应的算法支持蝴=mr~+arctan詈]1大量程折射率仪+arctan(2，⋯1．1器件结构和测量装置式中亚毫米尺度的SMCW如图1(a)所示．该器件的结构从上至下依次为薄金属膜，玻璃薄片，两块相对N=,20sin0，放置的C型玻璃片，厚金属膜，玻璃衬底．两c型玻：，2，3，(2)几璃片相离

7、一定距离，组成两通道口，分别为待测样品的入口和出口，而在中心则形成一个样品室．金属膜：√，1，4，几可通过磁控溅射等技术制备，之后各部件再通过光胶技术组装起来．图1(b)~JJ为基于SMCW大量程折射仪的测量装置．半导体激光器出射的激光由偏振片产生单偏振光(TE偏振或TM偏振)后，依次经平面镜调节激光方向，空间滤波器滤波、透镜聚焦，最后以聚焦光束入为真空中的激光波长，0为入射角，m为模序数，e／(n)射到SMCW的薄金属膜上，其反射光通过CCD接收，和h分为SMCW各层的介电常数(折射率)和厚度，0并光电转换后显示在计算机上．因在入射光

8、束的角标记空气，1_4依次标记SMCW的薄金属膜、上层玻度范围内有多个可以满足波矢匹配条件的共振角，经璃薄片、样品、厚金属膜．而SMCW反射后的光束中会出现相应的几条暗条纹(见f1，图1(b)中的反射光图样