散斑摄影研究位相物体

位相物体是指光波通过其中时，只改变入射光场的位相而不改变光场振幅的物体，俗称透明体。用散斑摄影研究位相物体的方法，通常有两种：①测量由散射光通过透明介质产生折射而引起的散斑表观位移；②测量由夹杂在透明介质中的细小散射粒子（如粉状TiO2，其粒径约6μm）的运动而引起的散斑位移。

现仅以方法①为例，讨论用二次曝光散斑照片测定透明固体和液体的折射率、厚度及其非均匀性的原理和方法。在进行产品检测时，这是一种十分有效的手段，它甚至可以在显微术中用来观测小的透明结构（如生物切片），这些结构的折射率与其周围物质的折射率有所不同。

1.透明固体折射率和厚度的测定

光路布置如图9.4.8所示。激光束经扩束准直后，通过半漫透射片照明适当倾斜的待测透明物体，这时，对在底片H上形成散斑图样有贡献的光线，由于在透明介质分界面上发生两次折射，因此经过透明介质后将平移一个量d（见图9.4.9）。这将使每个散斑点从原来没有透明介质时的位置位移d。如果在待测透明物体放入光路前后拍摄二次曝光散斑图，那么经显影、定影和漂白处理后，对散斑图底片应用逐点分析法，就可按式（9.4.2）确定各散斑点的位移。进而按下面的讨论计算出待测透明物体的折射率和厚度。

图9.4.8　散斑照相研究位相物体的光路

由图9.4.9有

图9.4.9　光束发生两次折射的图示

应用折射定律又有

n0sinθ=nsinθ′,n0=1

由以上3式便可求得

根据式（9.4.20），如果已知透明介质的折射率n、激光束在介质界面上的入射角θ，以及光束通过透明介质后的位移d，就可算出D值，并且该式中的分母在确定的实验条件下为一常数，故由若干抽样点测出位移d后，也可利用该式方便地测量透明介质的厚度不均匀性。(www.xing528.com)

根据式（9.4.21），如果已知θ、d和D，便可算出透明介质的折射率n。这时，如果能保证被测物体的厚度D处处一致（为此，要求把待测物体抛光加工成光学平行平面），则仿效以上方法，测出各抽样点的位移d，也可按式（9.4.21）分析测试物体折射率的不均匀性。

具体处理时，可以在二次曝光散斑图底片上适当选择抽样点阵列，应用激光束扫描或使散斑图底片上下左右运动，测出各抽样点对应的d值，再用一个简单的计算机程序进行快速计算。

2.测透明液体的折射率

这里假设已知某种透明液体（例如水）的折射率，要求另外透明液体的折射率，故称这种测试方法为内标法（Internal Standard Method）。实验光路仍按图9.4.8所示，其测试原理如图9.4.10所示。在一扁平的容器内先注入水，进行第一次曝光，然后放掉水再注入待测液体（例如酒精）进行第二次曝光。入射激光束通过容器时，分别被两种液体折射。设D代表容器内液体的厚度，θ为激光束的入射角，θ′、θ″及n′、n″分别是水和酒精的折射角和折射率，d1、d2分别是激光束先后通过容器中的水与酒精时相应的平移量，则由前面的分析有

图9.4.10　激光束通过容器时先后被两种介质折射

d1=D(tanθ-tanθ′)cosθ,d2=D(tanθ-tanθ″)cosθ

所以

由此解得

或

其中，Δd按杨氏双孔公式求得。上列两式就是测定透明液体折射率的公式。