液体折射率的测量方法分析

宋书玮

摘 要：折射率属于物质的重要参数，利用折射率的测量可以了解该种物质的浓度、纯度、色散性能、官学性能，在食品、医药、化工与石油工业都有广泛的应用。本文主要介绍了激光照射法、衍射光栅法、光纤杨氏干涉法、掠面入射法和CCD测量法几种常见的液体折射率测量法。

关键词：液体折射率；测量方法；分析

在物质众多光参数中，折射率非常重要，物质的纯度、浓度和色散等性质都能通过折射率进行了解。除此折射率还与热光系数等一些参数有着密切联系。折射率的精准测量在化工厂、制药厂和食品厂等工业部门具有重要意义。而且高校的一些实验也离不开折射率的精准测量。液体折射率的测量方法多种多样，而本文主要介绍了激光照射法、衍射光栅法、光纤杨氏干涉法、掠面入射法和CCD测量法五种简单实用的方法，并对它们的异同进行了比较。

1 激光照射法

激光照射法测量折射率时需要液体的折射和液体表层的反射。具体测量过程是：He-Ne激光器以一定角度照射样品池里水平放置的玻璃板，此时会发生光的反射，标出反射到对面垂直于地面的墙壁上的光斑N。然后向样品池中缓慢注入待测液直到形成液体薄层，此时光线会在液体表面发生反射而在墙壁上形成光斑N1，另外光线通过空气进入待测液体部分会被玻璃板反射而又从液体出来，在这个过程中光线发生了两次折射，在墙壁上产生光斑N2。经过测量我们可以得到墙上几个光斑间的距离，利用几何知识可以得到入射角，再将这些数据代入由Snell定律和相关几何关系推导出的液体折射率计算公式中，就可以得出此液体的折射率。

2 衍射光栅法

通过衍射光栅法测量液体折射率时需用到激光、衍射光栅和立方体玻璃样品池。具体操作过程是：使激光产生的激光束准直地照射到靠近玻璃池的衍射光栅上。在没加待测液体前，会在在玻璃池后壁衍射出零级衍射光束A点和一级衍射光束C点。加液后，一级衍射光束经液体折射后（忽略玻璃池厚度对光束产生的侧移）打在后壁的B点。并将这些点标记在贴在池子外侧的坐标纸上。因为一级衍射光栅遵循布拉格定律，这样可以找到角和长度的关系，再根据Snell定律得出求折射率的计算公式，因为公式中只有角度和折射率。所以再根据布拉格定律可以通过测量或利用勾股定理间接得出所要的长度来代替公式中的角度最后求得该液体的折射率。

3 光纤杨氏干涉法

光纤杨氏干涉法利用了芯径小、能产生均匀光斑和传光性良好的光纤做干涉光源，从而使干涉图样更明亮而且条纹较宽便于测量。而且这种方法只需要测量条纹宽度，减少了测量误差。

4 掠面入射法

掠面入射法是利用阿贝折射仪来测量液体折射率的，在使用时只需将望远镜的叉丝对准明暗交界线，就可以直接从表盘上读出待测液的折射率。阿贝折射仪是根据全反射原理制作的，入射光线中必定会有以近似平行于直角棱镜弦面（全反射临界角）从待测液体某点进入棱镜的，而且会从棱镜的另一面以一定出射角出射出。此时用望远镜按照出射角度对准出射光线，视野中会出现一半明一半暗的现象，是因为在大于全反射临界角方向上没有光能流，而且中间的分界线与全反射临界角光线对应。阿贝折射仪关键部件是由两个直角棱镜弦面相对组成，上面棱镜的弦面是磨砂的为散漫光源用。

5 CCD测量法

用CCD测量法计算液体折射率时利用了液体折射率与偏移量的关系。具体过程是先用CCD两次测量激光束从同一角度斜射长方形样品池时产生的偏移量。这两次测量有所不同，一次长方形样品池中充满待测液體，另一次长方形样品池是空的。再将两个数据代入由折射率与偏移量的关系导出公式中，最后做差。这样做的原因是激光束照射充满待测液的样品池时产生的偏移量不只是由待测液产生，还与玻璃壁等有关系。而把此数据代入公式求得的折射率并不是待测液体的，所以通过减去相同角度照射无液体空样品池子求得的折射率来消除玻璃壁等其他因素影响。这个测量方法的实验原理和PCR测吸光度时必须用空白组的道理类似。

6 结语

本文介绍的这五种方法各有各的优缺点：其中激光照射法和衍射光栅法操作简单，仅需测出几个光斑间的距离就可计算出折射率，而且测量范围非常广，不用移动设备就可以连续测量不同液体。但光斑间距离的不精确测量会降低折射率的精确度。光纤杨氏干涉法虽然能得到较宽较亮的干涉条纹，测量的精确度也较高，但对操作的要求高不适宜广泛应用。掠面入射法是目前应用中最为广泛的一种，它的操作简单而且精确度也高，但它的测量范围有限。总之，在实验中为了得到理想的测量结果要根据具体情况来选择合适的测量方法。

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