光电折射率测量系统

测量原理

当光从光密介质（折射率 $n_1$）射向光疏介质（折射率 $n_2$，$n_1>n_2$）时，存在一个临界角 ${\theta }_c$，满足

入射角大于 ${\theta }_c$ 的光线发生全反射，几乎全部返回光密介质；入射角小于 ${\theta }_c$ 的光线大部分折射进入光疏介质，其反射率随入射角、偏振态及Fresnel系数变化，并非一概仅少量反射，在接近临界角时反射率可以很大。因此，在界面上以一定角度范围入射的光束，其反射光会形成明暗分界：大于临界角一侧为亮区（全反射），小于临界角一侧为暗区（以折射为主），但分界处存在渐变反射，实际位置需结合成像标定确定。

系统构成与信号

典型光电折射率测量系统包括：光源、透镜（将光聚焦或准直后投射到样品界面）、样品（如溶液）、光电池（接收反射光）。光电池视场中出现亮区与暗区，两区分界线对应临界角方向。当样品折射率 $n_2$ 改变时，临界角 ${\theta }_c$ 随之改变，明暗分界线的位置发生移动。通过检测分界线位置，即可反推折射率或与之相关的浓度。

临界角位置与折射率的关系

由临界角公式可知，$n_2$ 增大时 $\sin {\theta }_c$ 增大，${\theta }_c$ 增大，明暗分界线向某一方向移动；$n_2$ 减小时 ${\theta }_c$ 减小，分界线向相反方向移动。因此，分界线位置与样品折射率之间存在确定的单调关系，这是光电折射率测量系统工作的基础。

适用范围与条件

上述关系成立的条件是：光从折射率较大的介质射向折射率较小的介质（$n_1>n_2$）；界面为理想光学平面；入射光为单色光或窄带光，以避免色散导致临界角模糊。系统测量的是与临界角相关的折射率，通常用于液体浓度等间接量的测量。