使用两种方法测量单晶光学材料的折射率-分光光度法

前言在先进材料的生产中，需要对材料参数进行快速、准确且节省人力的测定。光学材料（特别是晶体）应用所需的主要参数之一是折射率 (n)。常用的折射率测定方法有三种[1-3]：

1) 测角法利用测角仪-光谱仪测量一定角度下的透射（包括光的最小偏向角），并根据斯涅尔定律计算 n。该方法需要呈大三棱镜形式的透明样品，且在底平面与抛光工作平面之间具有精确的角度。 

2) 椭圆偏振测量法利用椭圆偏振计直接测量反射光的振幅比和相移。该方法需要针对每种材料的特定光学模型。商业软件包中包含标准光学模型，但是如果需要测量未知材料或新材料，这些软件包中可能不包含相应的光学模型。

3) 分光光度法配备采样附件的分光光度计可用于将样品和检测器旋转到能够收集绝对镜面反射数据（或角度透射数据）的角度。分光光度法可进一步细分为 3 种常用的方法：3.1) 菲涅耳公式测量 p 偏振和 s 偏振的入射光反射率和透射率，并根据菲涅耳公式计算 n。该方法不仅需要较大的抛光样品表面，还需要软件支持来求解菲涅耳公式。3.2) 布儒斯特定律法测量布儒斯特角下的 p 偏振入射光的反射率（根据布儒斯特定律）。必须使用具有大表面积的样品，以实现对大角度的高准确度测量。3.3) 接近垂直入射时的反射法该方法基于在接近垂直角度的低入射角（0 度至约 10 度）下测量一个表面的反射光谱。该方法能够在单次测量中从样品的单个抛光平面确定折射率的色散分量。方法 3.2 和 3.3 无需进行大量的数学后期数据处理，并可引入任何配备 Cary 紫外-可见-近红外分光光度计和全能型测量附件(UMA)（图 1）的实验室中。

配备 UMA 的 Cary 5000 无需使用多个控制台、更换样品和重新配置附件。因此，可以在不移动样品的情况下获得完整的样品信息。UMA 方案由一个固定光源、能够 360° 旋转的样品支架和一个独立检测器组成，该检测器可以在 10°–350° 的角度范围内在水平面上围绕样品支架移动。UMA 可提供高质量数据，从样品的单个一致区域测量所有特性。该附件的一个优势是能够根据图 2 所示的方案，在一个工作序列内测量样品同一区域内不同入射光偏振和不同入射光角度下的光学特性（绝对反射率和透射率）。

如果需要测量样品和材料（包括难以成形的样品，或者无法得到三棱镜形式的样品）的折射率，配备 UMA 的 Cary 5000是一种合适且解决方案。本研究介绍了使用配备 UMA 的 Cary 5000 通过两种分光光度法测量新晶体 Gd3Al2Ga3O12:Ce (GGAG)[4] 的折射率的结果：1. 根据布儒斯特定律（方法 3.2）2. 根据来自一个表面的接近垂直的低入射角的反射光谱（方法 3.3）

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结论1. 对使用配备全能型测量附件的 Cary 5000 分光光度计通过两种分光光度法测定不同类型材料（尤其是单晶光学材料）的折射率进行了研究 - 布儒斯特定律法 - 来自一个表面的接近垂直低入射角的反射2. 通过这两种方法获得的折射率非常接近。配备 Cary 5000 和UMA 的实验室可以选择任何一种方法。取决于样品的形式3. 分光光度法的准确度为偏差小于 0.4%