БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ РЕФРАКТОМЕТРА

Рефрактометрические измерительные методы разделяются на пять групп:

1) методы прямого измерения углов преломления света при прохождении им границы раздела двух сред;

2) методы, в которых используется явление полного внутреннего отражения (ПВО) света;

3) интерференционные методы;

4) фотометрические методы, в которых используется зависимость коэффициента пропускания света на границе двух сред от соотношения их показателей преломления;

5) прочие методы (измерение фокусного расстояния линзы и кривизны её поверхностей для определения показателя преломления её материала, измерение поперечного смещения луча плоскопараллельной пластинкой из исследуемого материала.

Наиболее распространенными являются первые три группы методов.

Оптические схемы рефрактометров, производимые японской компанией «ATAGO», построены на базе двух оптических явлений: преломление и полное внутренние отражение на границе раздела двух сред с разными показателями преломления (метод 2). 

Вообще преломление (рефракция) — это изменение направления распространения луча (волны), возникающее на границе двух сред, через которые этот луч проходит, или в одной среде с меняющимися свойствами, в которой скорость распространения волны неодинакова. В рефрактометрии среды с переменным[1]показателем преломления не используются.

Итак, при переходе из одной среды в другую изменяется скорость распространения волны, а её частота (длина волны) остаётся той же. Преломление света на границе воздух/стекло или воздух/вода — наиболее простые и очевидные примеры изменения направления распространения световых волн. На Фотографии 1 показаны три оптических явления: и отражение, и преломление, и полное внутреннее отражение на границе раздела сред при переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную.

Закон, описывающий геометрию распространения падающего на плоскую границу раздела двух прозрачных диэлектрических сред луча света, называется законом Снеллиуса. Он также известен как закон преломления и часто записывается в виде

где, как обозначено на Рисунке 1а,

n1 – показатель преломления первой по ходу луча среды,

θ1– угол падения луча света на поверхность раздела двух сред,

n2 – показатель преломления второй среды,

θ2– угол преломления луча света во второй среде.

При вертикальном падении (перпендикулярно плоской границе раздела сред) или, как говорят специалисты, при «нормальном падении» луча, он проходит во вторую среду, не преломляясь.

При определенной величине угла падения, угол преломления становится равным 90°, так что луч как бы скользит по поверхности раздела сред[2]. Такой угол падения называется критическим (θс) или предельным (луч 3-3’ на Рис.1б). При дальнейшем увеличении угла падения свет не проходит во вторую среду и отражается от поверхности раздела сред: наступает полное внутреннее отражение (луч 4-4’ на Рис.1б). Таким образом, полное внутреннее отражение является частным случаем закона преломления.

Величину критического угла можно вычислить по формуле:

Следует отметить (и это видно на Фотографии 1), что вообще говоря, отражение при падении света на границу раздела сред происходит при любом угле падения света (кроме угла Брюстера при падении линейно поляризованной волны). При этом значительно бо́льшая часть световой мощности (преломленная волна) переходит во вторую среду.

Теперь, если у нас есть пучок света, лучи которого падают под различными углами к поверхности раздела сред, то часть из них испытает преломление и пройдет во вторую среду, а другая часть лучей полностью отразится от поверхности и останется в первой среде. При этом формируются две пространственные области с характерным распространением лучей в каждой, которые имеют четкую[3] границу между собой, называемую границей «свет-тень». Метод рефрактометрии основан на определении положения этой границы.

Рефрактометры с визуальной оценкой положения границы «свет-тень» (глазом) имеют оптическую схему в проходящем свете[4] (модели Master, DR, NAR), а цифровые рефрактометры – в отраженном (модели PAL, RX, CM, PRM, Palette).

[1] Примером такой среды является световод (оптическое волокно) с градиентным профилем показателя преломления

[2] Достоверно не выяснено, какие процессы происходят при «скольжении» луча

[3] Если показатель преломления исследуемого вещества стабилен и не изменяется в пределах малых для наблюдателя времен (единицы секунд)

[4] Этот метод также называется методом скользящих лучей