固体物理课程论文

1《半导体物理》课程论文题目：_固体透明介质折射率测量方法综述_学院：_理学院_专业：_光电信息科学与工程_班级：_20142732_学号：_2014273242_姓名：_朱琳_2015-2016-IIHuzhouUniversity2湖州师范学院理学院本科生课程论文（文献综述）姓名朱琳学院理学院班级20142732学号273242任课教师徐海滨课程名称半导体物理专业光电信息科学与工程论文题目固体透明介质折射率测量方法综述关于固体透明介质折射率测量方法综述研究——文献综述摘要：本文主要研究了晶体折射率的测量方法。对晶体主要以V形棱镜法、最小偏向角法、掠入射法。另外还探讨了基于几何信息、光强、共振波长调制的三种新型折射率测量方法。关键词：折射率，入射法Abstract：Thispapermainlystudythecrystalrefractiveindexmeasurementmethod.Forcrystal,wemainlyusetheV-shapedcrystalprismmethod,minimumdeviationanglemethod,grazingincidencemethod.Alsodiscussedbasedongeometricinformation,lightintensity,theresonantwavelengthmodulationofthreenewrefractiveindexmeasurement.Keywords：Refractiveindex,Glancinganglemethod1、前言折射率是透明物质的一个重要的物理参数，它反映了物质的基本光学性质。物质的折射率不但与它的分子结构和光线的波长有关，而且与物质的密度、温度、压力等因素有关。实际工作中有时也需要通过测量折射率来反求物质的密度、浓度等。因此，对折射率的测量方法研究具有重要的实际意义，而且目前折射率的测量方法很多。固体折射率的测定原理：当光线射到两种介质的界面时，一部分反射，一部分折射，如图所示，根据折射定律有：2112sinsinnnnri式中1n和2n分别为第一和第二介质的绝对折射率，而21n称为第二介质对第一介质的相对折射率。3对光密介质底部一物体A来说，它发出的光线经界面而折射，由于空气是光疏介质，因而折射线远离法线，即折射角大于入射角i。我们自空气中看去，物体好象升高到B的位置，如图所示。在i和很小时，由△DCA及△DCB可得：CADCtgiisinCBDCtgsin代入上面公式可得出空气对介质的相对折射率，CACBinsinsin21式中AC为固体（或液体）的厚度，BC为固体（或液体）的视厚度，它们的值可用显微镜测出来。因介质对空气的折射率n为21n的倒数，故可得CBCAn物质的折射率随光波波长而改变（此现象叫色散）。因此，实验时应当用单色光来进行测量。通常用对钠黄光nm3.589的折射率来标明介质的特性。大多数液体的折射率随温度的改变而变化很大，因此，测液体的折射率不仅要标明波长，而且还要标明温度。2、正文2.1、用V形棱镜法测量光学玻璃的折射率图1.1.1是用V形棱镜法测量光学玻璃折射率的测量原理图，所谓V形棱镜是二块光学玻璃完全相同并且已知其折射率为0n的直角棱镜胶合成的一个带有“V”形缺口的长主棱镜。V形缺口的张角∠AED=90º；两个尖角为∠BAE=∠CDE=45º。被测玻璃样品P磨出两个互成90º的平面，把它放在V形镜的V形缺口内。由于加工的误差，V形缺口的张角和样品的角度都不可能是正确的90º，所以样品的两个面和V形缺口的两个面就不能正好贴合，需要在中间加上一些折射率和被测样品折射率相接近的液体，使两者很好的接触。这种具有一定折射率的液体称为折射液，也称浸液。一条光线沿S的方向垂直入射在V棱镜的AB面上，然后通过V棱镜和样品，如果样品的折射率n和已知的V棱镜折射率0n完全相等，则整个V棱镜加上样品P就像一块平行平板玻璃4一样，此时光线经过样品P和V形缺口相接触的两个面上不发生光线的偏折，最后出射光线也将不发生任何偏折。如果样品的折射率n和V棱镜材料的折射率0n不相同时，则光线在两者相接触的面上发生折射，最后出射光线相对于入射光线要产生一个偏折角。很明显角的大小与样品的折射率n和已知的V棱镜材料的折射率0n有关，用V形棱镜法测量光学玻璃的折射率就是利用了这个关系，通过测量出偏折角，然后根据一定的关系计算出样品的折射率n的。下面利用图1.1.1来推导偏折角和样品折射率n之间的关系式，图1.1.1中是假定了样品折射率n大于V形棱镜材料的折射率0n的情况，即n0n对四个折射面应用折射定律：在AB面上：0sinsinn(1.1.1)在AE面上：0sinsin()44nn(1.1.2)在ED面上：0sin()sin()44nn(1.1.3)在DC面上：0sinsinn(1.1.4)其中，是光线在AE界面上的折射方向和最初入射光线方向的夹角。是光线ED界面上的折射率方向和最初入射光线方向的夹角。从上面四组方程中可以看出只要设法消去和角，就能找出和n的关系来，而V形棱镜材料的折射率0n是已知的。由1.1.2式得：022.sincoscossincossin2442nnn∴0cossinnn(1.1.5)由（1—3）式得：图1.1.1V形棱镜法测量光学玻璃折射率原理图50sincoscossinsincoscossin4444nn022(cossin)(cossin)22nn∴0(cossin)(cossin)nn(1.1.6)1.1.5式加1.1.6式得：02cos1cossinnn(1.1.7)1.1.5式减1.1.6式得：02sincossin1nn（1.1.8）(1.1.7)2+（1.1.8）2，得到：222220041cossincossin1nnn22022cossinn202212sincosn2041sincosn∴2201sincosnn（1.1.9）又由1.1.4式：01sinsinn（1.1.10）2222020011cos1sin1sinsinnnn（1.1.11）将1.1.10式和1.1.11式代入1.1.9式，可得：22221/20000111sin.(sin)nnnnn（1.1.12）∴1/21/222200sinsinnnn（1.1.13）1.1.13式就是用V形棱镜法测量光学玻璃折射率所利用的关系式。角是出射光线相对于入射光线方向的偏折角。测量出角后，根据已知的V形棱镜材料折射率0n，就可以计算出被测样品的折射率。从图1.1.1中可见，这是当n0n的光路情况，如果n0n时，结果将会怎样呢？6同理可以得到：1/21/222200sinsinnnn（1.1.14）比较1.1.14式和1.1.13式可看出，两个关系式仅相差一个符号。综合上述二式情况可以成：1/21/222200sinsinnnn（1.1.15）1.1.15式是V形棱镜法测量光学玻璃折射率的普遍关系式。其中当样品折射率nV形棱镜折射率0n时，取正号。当n0n时则取负号。但是在测量前并不知道样品折射的大小，那么正负号应该怎样决定呢：可以这样来决定：如果相对于最初入射方向逆时针转动测出偏折角，则取正号，反之则取负号。2.2、最小偏向角法这种方法是先将被测材料磨制成一个顶角为60º角的三棱镜，将它放在精密分光计上，测出单色光经该棱镜后的最小偏向角，然后根据计算公式求出折射率。这种方法目前仍然是不需要已知折射率的标准样品而能直接测出被测材料的折射率的最精确方法，通常在精度为1的分光计上，测量误差不超过6510n。而且被测材料折射率的大小不受限制。如图1.2.1所示，单色平行光束沿S0方向入射到三棱镜的AB面，经折射后AC面出射，出射光线与入射光线的夹角称为偏向角，当12ii；12rr时偏向角最小称为最小偏向角。如果三棱镜顶角为，由几何关系知：12/2rr；12/2ii利用折射定律，即可得111sinsin2sinsin/2inr由分光计测出和，代入上式即可求出在该单色光照明时棱镜的折射率。为了提高精度，在测量过程中还采用如下的测量方法：如图1.2.2所示，先使光线从AB面射入，找到最小偏向角的位置，然后转动工作台，使光线从AC面射图1.2.1光线经过三棱镜时的折射7入，同样找到最小偏向角的位置。从望远镜两次读出的最小偏向角的位置之差值即2。这种方法可以提高精度一倍，而且便于多次重复测量，减小测量时间。关于棱镜形状及大小的要求：棱镜的形状应磨成等腰三角形，至小要有两个面抛光，两个抛光面的夹角即棱镜的顶角，以40°—60°为宜。当折射率较高时，应采用顶角较小的棱镜，否则对折射率的测量会有一定的限制。棱镜的材料宜选用均匀性好、无条纹、内应力小的光学玻璃。两抛光面的不平度不大于四分之一光圈。、最小偏向角法的主要缺点是：1、制备被测棱镜既费光学材料又费工；2、分光计的调整较复杂；3、测量最小偏向角的手续繁多，因而测量工作相当繁重。2.3、掠入射法在物理实验中，采用掠入射法测量棱镜折射率，如图1.3.1所示。用单色面扩展光源(钠光灯源前加一块毛玻璃)照射到棱镜AB面上。当扩展光源出射的光线从各个方向射向AB面时，以90°入射的光线1的内折射角最大，为2maxi，其出射角最小为1mini;入射角小于90°的，折射角必小于2maxi，出射角必大于1mini;大于90°的入射光线不能进入棱镜。这样，在AC面用望远镜观察时，将出现半明半暗的视场(图1.3.1所示)。明暗视场的交线就是入射角为1i=90°的光线的出射方向。可以证明折射率满足:21mincossin1sinaina（1.3.1）若测出明暗视场交线与AC面法线的夹角1mini、棱镜顶角α，即可求出棱镜折射率。3、总结这三种方法的总结，对晶体折射率测量中，都要把材料加工成一定形状，所以相当费时，并且测量工作相当繁重，但是这几中方法中，最小偏向角是不需要已知折射率的标准样品而能图1.2.2由三棱镜两个面入射测出2图1.3.1掠入射法的光路图8直接测出被测材料的折射率的一种很精确的方法。近年来，光纤传感、光谱分析、CCD测量以及计算机技术迅速发展，许多新的折射率测量方法和测量仪器也随之产生。它们或对原有测量方法进行改进，或另辟蹊径，采用完全不同的测量原理和测量手段，进而实现了对样品折射率的准确、快速、自动化测量。4、参考文献【1】石英晶体双折射率紫外至近红外波段色散特性实验的研究―――宋连科，郝殿忠（光学技术2005,31（5）：40-41+44）【2】固体材料折射率测试方法概述―――张凌，高孔，何群秋，杨诗雅（计量与测试技术2015(10):1-4）【3】偏振光谱测量无吸收薄膜的光学参数及其色散―――周明，廖向东（激光与红外1988（8）：39-41）【4】折射率测量方法综述―――冯明庆【5】固体与液体折射率的测定―――物理实验中心，王殿生