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折射率測量三大儀器：光譜儀、干涉儀、橢偏儀

來源：時(shí)間：2024-12-09 10:19:14 瀏覽：4431次

折射率測量三大儀器：光譜儀、干涉儀、橢偏儀

折射率是材料的一個(gè)重要光學(xué)參數(shù)，反映了光在材料中的傳播速度相對于真空中的傳播速度的比值，測量材料的折射率對于材料科學(xué)、光學(xué)工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義；目前，常用的折射率測量儀器包括光譜儀、干涉儀和橢偏儀。

一、光譜儀

1. 工作原理：光譜儀通過測量材料對不同波長光的吸收或散射特性來間接推斷其折射率，常見的光譜儀類型包括紫外-可見-近紅外光譜儀（UV-Vis-NIR）和傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）。

UV-Vis-NIR光譜儀：通過測量材料在紫外、可見和近紅外波段的吸收光譜，可以推斷材料的折射率；光譜儀記錄不同波長下的吸光度，通過Kramers-Kronig關(guān)系可以計(jì)算出折射率。

FTIR光譜儀：通過測量材料在紅外波段的吸收光譜，可以推斷材料的折射率；FTIR光譜儀記錄材料在不同頻率下的吸收強(qiáng)度，通過Kramers-Kronig關(guān)系可以計(jì)算出折射率。

2. 特點(diǎn)

高分辨率：光譜儀具有很高的光譜分辨率，可以精確測量材料在不同波長下的光學(xué)特性。

廣泛適用：適用于各種固體、液體和氣體材料，尤其是對透明材料的折射率測量非常有效。

多功能：除了測量折射率，還可以進(jìn)行吸收光譜、透射光譜和反射光譜的測量。

二、干涉儀

1. 工作原理：干涉儀通過測量光在材料中的干涉條紋來推斷其折射率；常見的干涉儀類型包括邁克爾遜干涉儀和馬赫-澤恩德干涉儀。

邁克爾遜干涉儀：通過測量光在材料中的干涉條紋，可以推斷材料的折射率；光經(jīng)過分束器分成兩束，一束通過待測材料，另一束通過參考路徑，然后兩束光在檢測器處重新匯合形成干涉條紋；通過分析干涉條紋的變化，可以計(jì)算出材料的折射率。

馬赫-澤恩德干涉儀：通過測量光在材料中的干涉條紋，可以推斷材料的折射率；光經(jīng)過分束器分成兩束，一束通過待測材料，另一束通過參考路徑，然后兩束光在檢測器處重新匯合形成干涉條紋；通過分析干涉條紋的變化，可以計(jì)算出材料的折射率。

2. 特點(diǎn)

高精度：干涉儀具有很高的測量精度，可以達(dá)到亞納米級(jí)別的分辨率。

無損測量：干涉儀是一種無損測量方法，不會(huì)對樣品造成損害。

實(shí)時(shí)監(jiān)測：可以實(shí)時(shí)監(jiān)測材料的折射率變化，適用于動(dòng)態(tài)過程的測量。

三、橢偏儀

1. 工作原理：橢偏儀通過測量光在材料表面的偏振態(tài)變化來推斷其折射率，橢偏儀利用偏振光的特性，通過分析反射光的偏振態(tài)變化，可以推斷材料的折射率和厚度。

偏振態(tài)變化：入射光束（線偏振光）的電場可以在兩個(gè)垂直平面上分解為矢量元，P平面包含入射光和出射光，s平面則是與這個(gè)平面垂直；反射光或透射光是典型的橢圓偏振光，因此儀器被稱為橢偏儀；偏振態(tài)的變化可以用復(fù)數(shù)ρ來表示，其中ψ和Δ分別描述反射光p波與s波振幅衰減比和相位差。

數(shù)學(xué)模型：通過Fresnel反射系數(shù)rp和rs的數(shù)學(xué)表達(dá)式，結(jié)合Maxwell方程在不同材料邊界上的電磁輻射推導(dǎo)，可以計(jì)算出材料的折射率和厚度。

2. 特點(diǎn)

高精度：橢偏儀具有很高的測量精度，可以測量非常薄的膜（1nm）。

無損測量：橢偏儀是一種無損測量方法，不會(huì)對樣品造成損害。

多參數(shù)測量：可以同時(shí)測量膜的厚度、折射率和吸收率。

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