激光測量玻璃片參數(shù)的研究

郭寶會

摘 要： 本文提出了非接觸式激光測量玻璃厚度和折射率的方法，通過實驗驗證該方法能夠測量未知玻璃片的厚度和折射率，且誤差較小，將來可用于光學(xué)儀器的測量中。

關(guān)鍵詞：非接觸；激光測量；厚度；折射率

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

非接觸測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。這是因為在實際測量中，由于接觸測量會導(dǎo)致被測件表面被污染以及形變，加之在生產(chǎn)生活中某些接觸測量會對人或儀器有傷害，非接觸測量成為了一種新的測量手段[1]。非接觸測量方法包括等傾干涉法[2]、等厚干涉[3]、CCD測量像素標(biāo)定法[4]等，其中等傾干涉法獲得的光斑條紋不易讀數(shù)，誤差較大；等厚干涉法需要在被測表面鍍上反射薄膜，影響了被測物體的后續(xù)使用；CCD測量像素標(biāo)定法對儀器精度要求比較高，而且激光照射過來并不是一個點，而是在一定范圍內(nèi)分散的，影響了測量精度。本文提出了一種高精度的非接觸式激光測量的方法，以未知參數(shù)的玻璃儀器為被測對象，研究該方法的可行性。

1 實驗原理及過程

眾所周知，光通過物質(zhì)時，光波的電矢量使物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的帶電粒子做受迫振動，光的一部分能量用來供給這種受迫振動所消耗的能量，即穿過物質(zhì)會發(fā)生能量損耗，結(jié)果在理論上滿足郎伯比定律：

其中I透為透射光的強度，I入為入射光的強度，為吸收系數(shù)，只與材料的性質(zhì)有關(guān)與厚度無關(guān)，在單色光照射時，可認為不變。若已知，只要測出入射光強和透射光強，可求出玻璃片的厚度d；若未知，可用同種材質(zhì)不同厚度的玻璃通過測量入射光強和透射光強，先解得吸收系數(shù)，再利用（2）式解出要測玻璃片的厚度d。若要得到折射率n，利用菲涅爾公式，測出入射角和折射角及入射和反射時光的強度，再用MatLab進行編成，求出n。

其中和分別為反射光和入射光的振幅，i1和i2分別為入射角和折射角，和分別為入射光矢量和折射光矢量。

2 試驗方法和儀器

實驗儀器：激光筆（功率P=5mv/cm2）、偏振片、分光計（精度0.0167度）、SGN-1型光功率測試儀、白屏、不同厚度普通玻璃片、未知玻璃儀器、游標(biāo)卡尺。接通光功率測試儀進行預(yù)熱，調(diào)整好分光計，使各個光學(xué)器件共軸。通過測量不同厚度玻璃的反射光強及對應(yīng)的入射光強，用origin做圖軟件對數(shù)據(jù)進行線性擬合，得出玻璃的吸收系數(shù)，再利用得到的玻璃吸收系數(shù)結(jié)合（2）式，得出未知玻璃儀器的厚度。再利用分光計和偏振片測量入射光和折射光的振幅，利用菲涅爾公式推算出折射率。

3 實驗結(jié)果及分析

由于玻璃的吸收系數(shù)未知，首先通過測量不同厚度的玻璃片的入射光強和反射光強，擬合出玻璃的吸收系數(shù)。

3.1 吸收系數(shù)

表1為不同厚度玻璃片所獲得的測量結(jié)果。不同厚度普通玻璃片反射光強和入射光強之比與普通玻璃片厚度的線性擬合曲線，直線斜率的絕對值為玻璃的吸收系數(shù)，即ɑ=0.0854cm-1。

3.2 非接觸激光法測量的未知玻璃的厚度

反復(fù)測量得到未知玻璃片的入射光強度和反射光強度分別為I透=1.135mw，I入=1.370mw，利用（2）式計算出未知玻璃片的厚度為2.203cm。

3.3 折射率的測量

經(jīng)Matlab編程計算后未知玻璃儀器折射率的平均值為n=1.55，玻璃的標(biāo)準(zhǔn)折射率n0=1.51，絕對誤差，相對誤差，由此可看出本方法測出的折射率與玻璃的標(biāo)準(zhǔn)折射率誤差很小，說明本方法的可行性。

產(chǎn)生誤差的原因主要有：

（1）偏振片不能做到完全遮擋；

（2）光功率測試儀的精度及不穩(wěn)定性都會造成誤差；

（3）玻璃片的表面污染程度會影響光的透射；

（4）玻璃的平整度產(chǎn)生的誤差；

（5）激光筆耗電導(dǎo)致光強的改變。

4 結(jié)論和展望

由實驗結(jié)果分析可知，在一定范圍內(nèi)，本實驗的測量方法的精度可達到千分尺的精度，可替代千分尺接觸式測量，而且簡單易行； 另外，利用此方法還可以測量非透明物體的厚度， 擴大了非接觸測量的范圍，該方法將來在非接觸測量場合會得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻：

[1]羅勝彬，宋春華，李興平，李航.非接觸測量技術(shù)發(fā)展研究綜述[J].機床與液壓，2013，41（23）：150-153.

[2]周國全，張斯磊.基于等傾干涉的二維微位移光學(xué)傳感器測距系統(tǒng)[J].武漢大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版），2010，56（05）：609-613.

[3]左則文.等厚干涉法測量薄膜厚度的兩種方法[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，35（01）：32-34.

[4]王和順，陳次昌，黃惟公.CCD測量誤差的研究[J].光學(xué)技術(shù)，2009， 35（03）：42-45.endprint