折射率匹配流体 Index matching fluids

2022-11-16 16:13:45 浏览:353

定义

折射率与其他光学材料相似的流体,通常用于抑制光反射。

折射率匹配流体(有时也称为折射率流体)是经过选择或优化的液体物质,使其折射率或多或少地与某些其他光学材料的折射率相匹配。 折射率匹配得越紧密,流体与其他光学材料之间界面处的光反射就越弱。 对于法向入射,这种界面的反射率可以用以下公式计算:

这里n1和n2是两种材料的折射率。 显然,如果两个折射率相等,反射就会消失。

其他入射角的更一般关系可以从菲涅耳方程推导出来。

示例:纤维接头处的法布里-佩罗效应

例如,考虑两根光纤之间的接口,其中通常切割的光纤末端靠近放置,但它们之间的间隙很小。 如果这个间隙被空气填充,那么两个玻璃-空气界面处的大量菲涅耳反射就会形成法布里-佩罗干涉仪。 这种配置表现出反射损耗,对于给定的光学波长,反射损耗随间隙宽度而周期性变化(只要间隙不太宽,因此光束发散效应可以忽略不计)。 如图 1 所示。

折射率匹配流体 Index matching fluids

图1:由于法布里-佩罗效应导致的纤维接头处的插入损耗。如果光纤之间有空气(红色曲线),则最大插入损耗很大,但如果光纤末端之间有折射率匹配流体,即使匹配不精确,最大插入损耗也会大大降低。

可用流体

水通常不能用作折射率匹配流体,因为它的折射率(在589nm处≈1.333)大大低于大多数光学材料的折射率。 例如,熔融石英在相同波长下的折射率为≈1.458,而冠玻璃的折射率甚至更高。 通过溶解水中的某些物质,折射率只能在有限的程度上增加。 此外,对于许多应用来说,水蒸发得太快。

由于这些原因,已经开发了其他折射率匹配流体,它们具有更高的折射率(通常在1.4和1.7之间)并且蒸发得更慢。

一些折射率匹配流体具有很大的粘度。

一些折射率匹配流体的粘度要高得多,这对于应用来说很方便。 高粘度流体称为折射率匹配凝胶。 使用光学凝胶代替低粘度流体的一个重要实际优势是,它们无需特殊封装措施即可保持在原位。 然而,液体对于短期应用可能更方便,例如用于概念验证,之后组件可以重新用于其他目的。

硅基流体通常用于可见光和近紫外光,因为它们具有化学惰性,可以制成高纯度并且可以在很宽的温度范围内使用。 它们的折射率和粘度可以通过化学成分在一定程度上控制。

一些有机硅基匹配流体是可固化的,即它们的粘度可以大大增加。 它们以两种组分的形式交付,在加热前混合。 通过热处理可以加速固化。

还有光学元件粘合剂,它们最初是液体,但可以完全固化(通常通过聚合,通过热诱导或紫外线照射)。 例如,某些类型的光学棱镜(例如沃拉斯顿和尼科尔棱镜)由两种不同的棱镜制成,它们与这种折射率匹配粘合剂放在一起。 对于永久性应用,人们通常更喜欢可以固化的索引匹配材料,因此更长期稳定,不需要任何封装。

市场上有各种其他折射率匹配流体,制造商通常不会透露其化学成分。 可能很难判断哪种流体最适合某种应用,或者哪种其他流体可以用作令人满意的替代品。 对于此类目的,可用的规格通常不够精确。

折射率匹配流体通常以小瓶(带涂抹器盖)或注射器出售。 对于后者,它们可以方便地应用,而不会在使用前将它们暴露在空气中。 内容物通常只有几毫升,但是在实验室中可能会持续很长时间,因为通常只需要很小的体积。

折射率匹配流体的应用

以下是折射率匹配流体应用的一些示例:

  • 如上所示,由于小气隙引起的寄生反射几乎可以通过填充这种间隙来消除合适的折射率匹配流体。 例如,机械光纤熔接的性能可以通过微小的折射率匹配液滴填充光纤之间的间隙来显着提高。 然而,这种方法对于非永久性熔接不是很实用,因为从接头上取下光纤末端后很难清洁;人们可能不得不再次劈开它们。
  • 如果在涂层被剥离的地方使用光纤,则包层模式的衰减很小。 如果这是一个问题,光纤上某处的折射率匹配液滴会导致包层模式的强烈衰减,因为光现在很容易泄漏到液滴中,并且大多找不到返回包层的途径。
  • 一些高分辨率显微镜在物镜和被研究对象之间使用浸油进行操作。 这种油有效地增加了物镜的数值孔径,从而允许人们获得更高的图像分辨率。 由于这种浸油通常具有接近物镜玻璃材料的折射率,因此也可以将其视为折射率匹配流体。

人们可能会试图混合不同的折射率匹配流体,以获得折射率的某个中间值。 但是,这不适用于各种组合;例如,混合物可能不是光学均匀的。 因此,只能在制造商明确允许的范围内进行混合。 涂抹器盖只能用于一种特定物质。

折射率匹配流体的重要特性

折射率匹配流体的各种属性可能与应用相关:

  • 主要性能指标是目标光波长下的折射率。 已经开发了各种流体来匹配某些常见的光学材料,如熔融石英、BK7 或某些冠玻璃。 根据必须抑制反射的强度,折射率的公差更大或更小。 流体在光学上应该是非常均匀的。
  • 在相关波长区域不应有任何实质性的光吸收或散射。 这对于红外和紫外线应用来说可能是一个挑战。 供应商应提供相关波长区域的吸收光谱。
  • 理想情况下,这种流体在预期的工作温度下不应表现出任何显着的蒸发速率,并且它们应该在很长一段时间内保持化学稳定性。 理想情况下,它们也不应与可能与之接触的金属部件发生反应(引起腐蚀)。
  • 一定程度的粘度可以方便应用。 如果这种流体对光学表面表现出良好的附着力(如果它们足够干净),则更容易避免任何气泡。
  • 对于临时应用,通常需要在使用后从光学表面上完全去除折射率匹配流体,无需繁琐的清洁程序即可恢复完整的光学质量。 人们通常需要一些溶剂(例如异丙醇或丙酮) - 理想情况下,一种易于获得且使用安全的溶剂。 暂时,低粘度流体更容易去除。
  • 理想情况下,使用过的液体不易燃且无毒,因此使用完全安全。

基础光学

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