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折射率測(cè)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：4479次

折射率測(cè)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(duì)于真空中的傳播速度的比值，測(cè)量材料的折射率對(duì)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(cè)量?jī)x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(cè)量材料對(duì)不同波長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)量材料在不同波長(zhǎng)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(duì)透明材料的折射率測(cè)量非常有效。

多功能：除了測(cè)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(cè)量。

二、干涉儀

1. 工作原理：干涉儀通過測(cè)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(cè)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(cè)材料，另一束通過參考路徑，然后兩束光在檢測(cè)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(cè)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(cè)材料，另一束通過參考路徑，然后兩束光在檢測(cè)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(cè)量精度，可以達(dá)到亞納米級(jí)別的分辨率。

無損測(cè)量：干涉儀是一種無損測(cè)量方法，不會(huì)對(duì)樣品造成損害。

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

三、橢偏儀

1. 工作原理：橢偏儀通過測(cè)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(chǎng)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(cè)量精度，可以測(cè)量非常薄的膜（1nm）。

無損測(cè)量：橢偏儀是一種無損測(cè)量方法，不會(huì)對(duì)樣品造成損害。

多參數(shù)測(cè)量：可以同時(shí)測(cè)量膜的厚度、折射率和吸收率。

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