[论文解读] Application of image processing in optical method, Moire deflectometry for investigating the optical properties of zinc oxide nanoparticle

Fatemeh Jamal, Fatemeh Ahmadi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Optical Polarization and Ellipsometry参考文献 8被引用 2

一句话总结

本研究提出一种低成本、高精度的莫尔偏转测量方法，结合基于 MATLAB 的图像处理技术，用于测量氧化锌（ZnO）纳米颗粒的非线性折射率和吸收系数。通过分析 CCD 记录图像中激光诱导的条纹偏转，该方法实现了对微小折射率变化的实时、非扫描检测，分辨率优于 10⁻⁴，并确定单乙醇胺为胶体稳定性和光学清晰度的最佳稳定剂。

ABSTRACT

Nowadays for measurement of refractive index of nanomaterials usually spectro-photometric and mechanical methods are used which are expensive and indirect. In this paper for measuring these parameters of zinc oxide nanomaterial with two different stabilizers, a simple optical method, Moire deflectometry, which is based on wave front analysis and geometric optics is used. In the Moire deflectometry method, the beam of light from the laser diode passes through the sample. As a result of that, a change in the sample environment is observed as deflections of the fringes. By recording of these deflections using CCD and image processing with MATLAB, the nanomaterials refractive indices can be calculated. Due to the high accuracy of this method and improved the image processing code in Matlab, the smallest changes of the refractive index in the sample can be measured. Digital Image processing is used for processing images in a way that features can be selected and being shown. The results obtained in this method show a good improvement over the other used methods.

研究动机与目标

• 开发一种简单、非扫描的光学方法，用于测量 ZnO 纳米颗粒的非线性折射率和吸收系数。
• 通过波前分析和几何光学方法，克服传统昂贵且间接的 Z-扫描法等方法的局限性。
• 评估不同稳定剂（单乙醇胺与二乙醇胺）对纳米颗粒光学稳定性和可测量条纹偏转的影响。
• 展示图像处理在检测对应于微小折射率变化的微小条纹偏转方面的灵敏度。
• 建立一种可靠、抗振动的纳米材料光学表征方法，无需校准。

提出的方法

• 莫尔偏转测量利用激光束穿过 ZnO 纳米颗粒样品，由于折射率变化引起条纹偏转。
• 条纹图案通过 CCD 相机捕捉，并使用定制的 MATLAB 算法进行处理，以检测位置偏移。
• 偏转量 δdm(y,z) 计算为参考条纹与偏转条纹位置之差，从而量化局部折射率变化。
• 利用公式 (2) 从偏转量推导出非线性折射率 n₂，首次条纹对应的 n₂ = -1.983 × 10⁻⁴。
• 利用公式 (4) 计算吸收系数 β，首次条纹对应的 β = 2.28 cm⁻¹。
• 图像处理聚焦于识别并比较多个条纹的条纹位置，以评估折射率变化的空间分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合图像处理的莫尔偏转测量能否检测到 ZnO 纳米颗粒折射率变化低于 10⁻⁴？
• RQ2 稳定剂的选择（单乙醇胺与二乙醇胺）如何影响 ZnO 纳米颗粒的光学稳定性和可测量条纹偏转？
• RQ3 在 ZnO 样品中，多个莫尔条纹的折射率变化空间分布如何？
• RQ4 能否在不进行校准的情况下实时确定非线性折射率的符号和大小？
• RQ5 条纹偏转量的大小与 ZnO 纳米颗粒的非线性吸收系数之间有何相关性？

主要发现

• 首个莫尔条纹表现出最大偏转，表明折射率变化最大（Δn = -2.8 × 10⁻⁴），并得出 n₂ = -1.983 × 10⁻⁴。
• 利用公式 (4) 计算得出首个条纹的吸收系数为 β = 2.28 cm⁻¹。
• 图像处理技术实现了对最小可测量折射率变化的检测，表现出高灵敏度和高精度。
• 单乙醇胺被确定为最佳稳定剂，可维持胶体稳定性并产生清晰、可测量的条纹偏转。
• 二乙醇胺未引起任何可观测的条纹变化，表明其会降低光学质量，不适用于本方法。
• 该方法实现了对非线性光学参数的实时、非扫描测量，且对外部环境干扰不敏感。