[发明专利]吸收性介质复折射率测量装置及其测量方法

权利要求书

1.一种吸收性介质复折射率测量装置的测量方法，其特征在于：测量装置包括激光发射器、尖劈形吸收性介质、CCD探测器、示波器与转动机构，所述转动机构包括直杆、与直杆一端固定连接的第一平台及与直杆另一端铰接的第二平台，所述激光发射器放置在第一平台上，尖劈形吸收性介质放置在第二平台上；CCD探测器设置第二平台的后方，接收激光发射器直接射出的光束或经尖劈形吸收性介质折射后的光束并将光信号输送至示波器进行实时显示；

所述第二平台的上端面设置有挡板，所述挡板中部设置有开口，直杆与第二平台的铰接点与所述开口在竖直方向上重合；

所述第二平台的下侧面设置刻度盘，所述直杆上设置有紧贴所述刻度盘的指针；

所述激光发射器和尖劈形吸收性介质间还设置有扩束器对激光进行扩束；

测量方法包括以下步骤：

步骤S1：将激光发射器放置在第一平台上，调整激光发射器的角度使射出的激光直接通过挡板中部的开口，该激光的方向作为激光初始方向，CCD探测器接收到该激光后将对应的光信号输送至示波器进行显示；

步骤S2：记录此时指针在刻度盘上对应的角度作为基准角度；

步骤S3：将尖劈形吸收性介质紧贴挡板设置并将第一平台连同直杆旋转至第一角度，由激光发射器射出的激光经尖劈形吸收性介质处发生折射，CCD探测器接收到折射后的激光后将对应的光信号输送至示波器进行显示；

步骤S4：通过示波器上波峰的位置移动计算出光束在CCD探测器垂直于激光初始方向的采集窗口上移动的距离Y，进而计算出激光经过尖劈形吸收性介质的出射面时相对于激光初始方向的偏转角β及激光的第一实折射角

其中，L为出射面上出射点到CCD探测器的采集窗口的距离，α为尖劈形吸收性介质的顶角；

步骤S5：将第一平台连通直杆旋转至第二角度，进行如步骤S3至步骤S5的操作得到激光的第二实折射角

步骤S6：结合实折射率与尖劈形吸收性介质复折射率的关系，得到复折射率实部与虚部之间的关系式如下：

其中，θ₁为激光第一次斜入射尖劈形吸收性介质时在直角边处的入射角，即第一角度与基准角度的差值，θ₂为激光第一次斜入射尖劈形吸收性介质时在直角边处的折射角；θ'₁为激光第二次斜入射尖劈形吸收性介质时在直角边处的入射角，即第一角度与基准角度的差值，θ'₂为激光第二次斜入射尖劈形吸收性介质时在直角边处的折射角；n_i为空气折射率，k₀为真空中的波矢，n、κ分别为尖劈形吸收性介质的实部与虚部。

2.根据权利要求1所述的吸收性介质复折射率测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤S6中的具体推算过程如下：

把光波E(r,t)＝E(r)e^-iωt，H(r,t)＝H(r)e^-iωt代入麦克斯韦方程，可以得到光波在吸收性介质中满足如下方程：

其中，为等效复介电常数，ε为介电常数，μ为磁导率,σ为电导率，为吸收性介质的复折射率，n，κ分别为吸收性介质的实部、虚部，k₀为真空中的波矢，为吸收性介质中的复波矢，等幅面和等相面的单位矢量分别为q和s，两单位矢量之间的夹角为ξ＝cos^-1(q.s)，k_s和k_q分别为波的相位常数和衰减常数；

吸收性介质中的相位常数、衰减常数与复折射率的实部、虚部的关系如下：

由于n，κ均不为零，从式(5)式可知，ξ≠π/2，即两单位矢量不会垂直.经计算可得：

参数N_s，N_q是光在吸收性介质中传播和衰减的有效折射率，它们的大小不但和复折射率有关还与等相面和等幅面的夹角有关；

当光以角度θ₁入射尖劈的直角边，在直角边处，根据边界条件可知，

n_ik₀sinθ₁＝k_ssinθ₂    (7)

经直角边折射进入吸收性介质后的光波相位常数、衰减常数与复折射率的实部、虚部之间的关系如下

由式(7)、(8)可得

同理在斜边处由吸收性介质折射到空气中，折射到空气的实折射角为由于吸收性介质中波的相位波矢和衰减波矢在界面上均有切向分量，所以折射波的相位常数k_s′，衰减常数k_q′之间的关系如下：

同时根据边界条件可得

联立式(7)、(8)、(10)、(11)可得复折射率实部和虚部与折射角之间的关系：

同理可得，以角度θ₁′入射时，假设在直角边处实折射角为θ₂′，在斜边处实折射角则复折射率实部和虚部与折射角之间的关系如下

结合实折射角和吸收性介质复折射率的关系即式(12)和式(13)，得到复折射率实部和虚部之间的关系式如下：

其中：

利用matlab软件中的函数solve()可求解上式中复折射率实部n和虚部κ。