激光测量玻璃片参数的研究

郭宝会

摘 要： 本文提出了非接触式激光测量玻璃厚度和折射率的方法，通过实验验证该方法能够测量未知玻璃片的厚度和折射率，且误差较小，将来可用于光学仪器的测量中。

关键词：非接触；激光测量；厚度；折射率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.208

非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。这是因为在实际测量中，由于接触测量会导致被测件表面被污染以及形变，加之在生产生活中某些接触测量会对人或仪器有伤害，非接触测量成为了一种新的测量手段[1]。非接触测量方法包括等倾干涉法[2]、等厚干涉[3]、CCD测量像素标定法[4]等，其中等倾干涉法获得的光斑条纹不易读数，误差较大；等厚干涉法需要在被测表面镀上反射薄膜，影响了被测物体的后续使用；CCD测量像素标定法对仪器精度要求比较高，而且激光照射过来并不是一个点，而是在一定范围内分散的，影响了测量精度。本文提出了一种高精度的非接触式激光测量的方法，以未知参数的玻璃仪器为被测对象，研究该方法的可行性。

1 实验原理及过程

众所周知，光通过物质时，光波的电矢量使物质结构中的带电粒子做受迫振动，光的一部分能量用来供给这种受迫振动所消耗的能量，即穿过物质会发生能量损耗，结果在理论上满足郎伯比定律：

其中I透为透射光的强度，I入为入射光的强度，为吸收系数，只与材料的性质有关与厚度无关，在单色光照射时，可认为不变。若已知，只要测出入射光强和透射光强，可求出玻璃片的厚度d；若未知，可用同种材质不同厚度的玻璃通过测量入射光强和透射光强，先解得吸收系数，再利用（2）式解出要测玻璃片的厚度d。若要得到折射率n，利用菲涅尔公式，测出入射角和折射角及入射和反射时光的强度，再用MatLab进行编成，求出n。

其中和分别为反射光和入射光的振幅，i1和i2分别为入射角和折射角，和分别为入射光矢量和折射光矢量。

2 试验方法和仪器

实验仪器：激光笔（功率P=5mv/cm2）、偏振片、分光计（精度0.0167度）、SGN-1型光功率测试仪、白屏、不同厚度普通玻璃片、未知玻璃仪器、游标卡尺。接通光功率测试仪进行预热，调整好分光计，使各个光学器件共轴。通过测量不同厚度玻璃的反射光强及对应的入射光强，用origin做图软件对数据进行线性拟合，得出玻璃的吸收系数，再利用得到的玻璃吸收系数结合（2）式，得出未知玻璃仪器的厚度。再利用分光计和偏振片测量入射光和折射光的振幅，利用菲涅尔公式推算出折射率。

3 实验结果及分析

由于玻璃的吸收系数未知，首先通过测量不同厚度的玻璃片的入射光强和反射光强，拟合出玻璃的吸收系数。

3.1 吸收系数

表1为不同厚度玻璃片所获得的测量结果。不同厚度普通玻璃片反射光强和入射光强之比与普通玻璃片厚度的线性拟合曲线，直线斜率的绝对值为玻璃的吸收系数，即ɑ=0.0854cm-1。

3.2 非接触激光法测量的未知玻璃的厚度

反复测量得到未知玻璃片的入射光强度和反射光强度分别为I透=1.135mw，I入=1.370mw，利用（2）式计算出未知玻璃片的厚度为2.203cm。

3.3 折射率的测量

经Matlab编程计算后未知玻璃仪器折射率的平均值为n=1.55，玻璃的标准折射率n0=1.51，绝对误差，相对误差，由此可看出本方法测出的折射率与玻璃的标准折射率误差很小，说明本方法的可行性。

產生误差的原因主要有：

（1）偏振片不能做到完全遮挡；

（2）光功率测试仪的精度及不稳定性都会造成误差；

（3）玻璃片的表面污染程度会影响光的透射；

（4）玻璃的平整度产生的误差；

（5）激光笔耗电导致光强的改变。

4 结论和展望

由实验结果分析可知，在一定范围内，本实验的测量方法的精度可达到千分尺的精度，可替代千分尺接触式测量，而且简单易行； 另外，利用此方法还可以测量非透明物体的厚度， 扩大了非接触测量的范围，该方法将来在非接触测量场合会得到更为广泛的应用。

参考文献：

[1]罗胜彬，宋春华，李兴平，李航.非接触测量技术发展研究综述[J].机床与液压，2013，41（23）：150-153.

[2]周国全，张斯磊.基于等倾干涉的二维微位移光学传感器测距系统[J].武汉大学学报（理学版），2010，56（05）：609-613.

[3]左则文.等厚干涉法测量薄膜厚度的两种方法[J].安徽师范大学学报（自然科学版），2012，35（01）：32-34.

[4]王和顺，陈次昌，黄惟公.CCD测量误差的研究[J].光学技术，2009， 35（03）：42-45.endprint