光學(xué)參數(shù)法測(cè)定折射率

光學(xué)參數(shù)法測(cè)定折射率

1合理界定介質(zhì)內(nèi)治療前后合理折射線的方法物質(zhì)的折射是反映物質(zhì)內(nèi)部信息的基本物理參數(shù)。同時(shí),折射率與其他的一些參量如溫度、濃度、密度、色散、應(yīng)力等密切相關(guān)。在生產(chǎn)實(shí)踐中通過測(cè)定介質(zhì)內(nèi)折射率的空間分布,進(jìn)而定性分析或定量確定其他各種相關(guān)物理量,已有許多重要的實(shí)際應(yīng)用。因此,對(duì)折射率測(cè)量方法的研究具有重要意義。目前,折射率的測(cè)量方法很多,根據(jù)測(cè)量原理可以歸納為三類,即幾何光學(xué)法、波動(dòng)光學(xué)法、光纖傳感法等。2測(cè)量靈敏度低幾何光學(xué)法主要有臨界角法、成像法、分光儀法、阿貝折射儀法等。其測(cè)量原理是根據(jù)折射定律、反射定律通過測(cè)量有關(guān)角度來求出待測(cè)物折射率。分光儀法雖然測(cè)量精度很高(一般能測(cè)到5位有效數(shù)字),但是對(duì)待測(cè)樣品的要求也高,除了需將樣品加工成三棱鏡外,還對(duì)所加工成的三棱鏡頂角及其中兩個(gè)平面的平面度有較高的精度要求,增加了測(cè)量成本;而阿貝折射儀法由于設(shè)計(jì)上的原因,測(cè)量范圍受到儀器中折射棱鏡自身的折射率和頂角的限制,不能測(cè)量折射率較大和較小的物質(zhì),對(duì)測(cè)量范圍有一定的限制。3干涉光程差法測(cè)量原理波動(dòng)光學(xué)法又分為干涉法和偏振法。干涉法的測(cè)量原理是當(dāng)入射光的一部分通過介質(zhì)后,引起光程改變,從而使這部分光與參考光有一定的光程差。當(dāng)光程差滿足一定的條件后這兩束光就發(fā)生相消干涉或相長(zhǎng)干涉。而光程的改變與介質(zhì)折射率有直接關(guān)系。這樣,就可以通過測(cè)量干涉條紋的間距來測(cè)量介質(zhì)的折射率。較常用的方法有劈尖干涉、邁克爾遜干涉、法布里-珀羅(F-P)干涉、瑞利干涉儀等。偏振法是根據(jù)光在介質(zhì)表面反射時(shí)光的偏振態(tài)的變化從而測(cè)定折射率。下面介紹劈尖干涉法,它是利用干涉條紋的間距來測(cè)量液體的折射率。3.1拉拔劑為空氣和待測(cè)液體的間距的確定劈尖干涉法原理如圖1所示。兩塊平面玻璃片,一端互相疊合,另一端夾一頭發(fā)絲粗細(xì)的銅制細(xì)絲,因此在玻璃片間形成一空氣劈尖,兩玻璃片的交線稱為棱邊,在平行棱邊的同一直線劈尖的厚度是相等的。在兩玻璃片間的空隙中充有折射率為n的透明介質(zhì),用平行單色光垂直入射于這樣的兩玻璃片時(shí),在劈尖上下兩表面反射的光波將互相干涉,這種干涉是一種等厚干涉,產(chǎn)生的是明暗相間的干涉條紋。劈尖上下兩表面的反射光的光程差為:W=2nem+λ/2(1)λ為入射光的波長(zhǎng),λ/2為光從光疏到光密媒質(zhì)交界面反射時(shí)的附加光程差。em為m級(jí)劈尖薄膜的厚度。根據(jù)干涉條件,當(dāng)光程差等于λ/2奇數(shù)倍時(shí),發(fā)生相消干涉,也就是產(chǎn)生暗條紋,由上式可得相鄰暗紋的間距Δl=em+1-em=λ/2n(2)用劈尖測(cè)液體的折射率時(shí),首先劈尖為空氣膜時(shí),測(cè)量從左到右N個(gè)暗紋的間距ΔL空。然后在劈尖的空隙中充入待測(cè)液體,再測(cè)出從左到右N個(gè)暗紋的間距ΔL液,可得ΔL空=NΔl空=Nλ/2ΔL液=NΔl液=Nλ/2nn=ΔL空ΔL液n=ΔL空ΔL液(3)這樣通過實(shí)驗(yàn)分別測(cè)出劈尖膜為空氣和待測(cè)液體時(shí)對(duì)應(yīng)的N個(gè)暗紋的間距,由式(3)就可計(jì)算出待測(cè)液體的折射率n。干涉條紋如圖1所示。3.2空氣難度大時(shí)長(zhǎng)為6個(gè)月時(shí)的視頻檢測(cè)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率的自動(dòng)檢測(cè),花世群等人研究了基于CCD技術(shù)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的測(cè)量原理是利用一元線性回歸方法對(duì)CCD的像元序號(hào)與所接收到的干涉條紋光強(qiáng)極大值序號(hào)之間的線性關(guān)系進(jìn)行擬合,進(jìn)而由擬合系數(shù)與待測(cè)液體折射率之間的關(guān)系計(jì)算出液體的折射率。該測(cè)試系統(tǒng)具有光路調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、操作容易、自動(dòng)化程度高,精度高等特點(diǎn),測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差為0.09%。是一種具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的液體折射率測(cè)量方法。但缺陷是僅陷于透明液體折射率的測(cè)量。測(cè)量原理如下:如圖2所示,用兩塊光學(xué)平板玻璃M1和M2構(gòu)成一個(gè)劈尖角為θ(很小)的空氣劈尖,從He-Ne激光器發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束、濾波后,被準(zhǔn)直成沿水平方向傳播的平行光,再經(jīng)分光鏡(BS)后在空氣劈尖的前表面入射,從而在劈尖表面附近形成一系列明暗相間、平行等間距的直條紋,干涉條紋經(jīng)顯微鏡放大后,由線陣CCD檢測(cè)。當(dāng)CCD接收到光信號(hào)時(shí),它就在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下,形成對(duì)應(yīng)于干涉條紋的視頻信號(hào)。視頻信號(hào)的一路經(jīng)圖像采集卡直接送入視頻監(jiān)視器,供光路調(diào)節(jié)使用;另外一路經(jīng)由濾波放大器進(jìn)行預(yù)處理,再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),送計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。當(dāng)入射角為γ時(shí),則在劈尖中空氣層厚度d處,兩條相干光的光程差為:Δ=2dcosγ+λ/2=2(e+yWθR)cosγ+λ/2Δ=2dcosγ+λ/2=2(e+yWθR)cosγ+λ/2(4)其中e為常量,λ為He-Ne激光器的波長(zhǎng),y為CCD上的像元序號(hào),W為CCD上相鄰兩個(gè)光敏元中心的間距,R為顯微鏡放大倍數(shù)。當(dāng)入射角γ=0時(shí),線陣CCD上接收到的干涉條紋的光強(qiáng)分布為Ι=Ι0(1+cos2πλΔ)=Ι0[1+cos(ωy+?)]I=I0(1+cos2πλΔ)=I0[1+cos(ωy+?)](5)其中ω=4πWθRλ??=4πeλ+πω=4πWθRλ??=4πeλ+π(6)從式(5)可見,線陣CCD上所接收到的光強(qiáng)分布為其像元序號(hào)y的余弦函數(shù),由式(5)可得干涉條紋光強(qiáng)取極大值條件ωy+?=2xπ(7)其中x(取整數(shù))為光強(qiáng)極大值序號(hào),把式(6)代入式(7)整理得y=kx+a(8)其中k=Rλ2ωθk=Rλ2ωθ(9)現(xiàn)保持空氣劈尖的劈尖角θ不變,在兩塊光學(xué)平板玻璃M1和M2之間注入折射率為n的待測(cè)液體,則式(8)式相應(yīng)變成y=k′x+b,k′=Rλ2nωθ(10)由式(6)、式(7)可得待測(cè)液體折射率n=kk′(11)由此可見,利用式(8)y和x之間的線性關(guān)系,只要先后對(duì)M1和M2之間為空氣薄膜與液體薄膜兩種情形下y和x的測(cè)量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行一元線性回歸處理,再把得到的回歸系數(shù)代入式(11),即可求得待測(cè)液體折射率n。4多種物理性質(zhì)的測(cè)量光纖傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾等一系列優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物理量的測(cè)量,并且具有較高的精度。將光纖傳感器應(yīng)用于物質(zhì)折射率的測(cè)量,不僅可以達(dá)到較高精度,而且操作簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。目前較常用的方法有光纖光柵法、光纖端面回波法、光纖表面等離子體共振波法等。4.1包層中損耗解決的傳感測(cè)量光纖光柵可分為布喇格光纖光柵(FBG)和長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)。FBG的周期約為幾百納米,主要特性是將某一頻段的光反射回去,形成以諧振波長(zhǎng)為中心的窄帶光學(xué)濾波器。LPG的周期通常為幾十到幾百微米,主要特性是將導(dǎo)波中某頻段的光耦合到光纖包層中損耗掉,是一種透射型光纖器件。研究表明:LPG對(duì)于溫度、應(yīng)力、外界折射率、光柵彎曲等參數(shù)的變化都有很高的響應(yīng)靈敏度。當(dāng)這些因素改變將引起纖芯和包層折射率以及纖芯和包層半徑的變化,從而給光纖中的傳輸模式(導(dǎo)模和包層模的傳播常數(shù)和模場(chǎng)分布)帶來影響,從而也將改變光柵的周期。這將導(dǎo)致導(dǎo)模和包層模之間耦合的相位匹配波長(zhǎng)及耦合系數(shù)改變,并終將表現(xiàn)為光柵吸收峰中心波長(zhǎng)和強(qiáng)度的變化。因此,利用外界折射率變化與諧振峰中心波長(zhǎng)移動(dòng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在未知環(huán)境中,就可以通過觀察光柵諧振峰中心波長(zhǎng)的移動(dòng)來確定該環(huán)境折射率的改變,達(dá)到傳感測(cè)量的目的。李志全等人將長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器浸入蔗糖溶液,溶液濃度變化時(shí)導(dǎo)致折射率變化,使光柵譜特性出現(xiàn)諧振雙峰分離,通過測(cè)量諧振雙峰分離的寬度,獲得相應(yīng)光柵外部溶液的折射率,從而獲得蔗糖溶液的濃度。4.2纖回波強(qiáng)度調(diào)制原理蘇輝等人研制了基于光纖端面回波的流體折射率傳感器。該傳感器采用光纖回波強(qiáng)度調(diào)制原理,根據(jù)回波損耗隨界面物質(zhì)折射率不同而發(fā)生變化的機(jī)制得出相對(duì)回波強(qiáng)度與折射率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于具有0.01dBm的儀器測(cè)量精度,相應(yīng)的折射率分辨力可達(dá)2×10-4折射率單位。4.3光纖spr傳感器Matthias和Jorgenson等人利用光纖表面等離子體共振波法測(cè)出液體的折射率,達(dá)到了較高的精度。表面等離子體波共振(SPR)效應(yīng)作為一種發(fā)生在金屬與電介質(zhì)界面的物理化學(xué)現(xiàn)象,它對(duì)環(huán)境介質(zhì)折射率變化非常敏感,目前在國外基于SPR原理的傳感器研究已在免疫特異識(shí)辨、膜層特性分析、蛋白質(zhì)等生物大分子測(cè)定等領(lǐng)域取得較大進(jìn)展。光纖SPR傳感器是一種將光纖技術(shù)和SPR效應(yīng)巧妙結(jié)合在一起的新型光化學(xué)傳感器。具有抗電磁干擾、SPR傳感探頭尺寸小以及響應(yīng)快等諸多優(yōu)點(diǎn)。1993年Jorgenson等人提出了兩種基于光纖表面等離子體(SPR)傳感裝置,使得光纖表面等離子體傳感技術(shù)得以實(shí)際應(yīng)用。目前該技術(shù)在化學(xué)、生物、環(huán)境及醫(yī)藥等領(lǐng)域已展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。溶液折射率測(cè)定是光纖表面等離子體傳感器最基本的應(yīng)用。4.3.1共振波長(zhǎng)的確定存在于金屬或半導(dǎo)體表面的自由電子的行為類似于自由電子氣,當(dāng)這些表面自由電子與特定的電磁波相互作用時(shí),將吸收電磁波的能量,從而產(chǎn)生表面等離子體共振。由圖3所示的光纖表面等離子體波傳感器結(jié)構(gòu)可知,當(dāng)一束經(jīng)過P型偏振片處理的寬帶光耦合進(jìn)入光纖后,將會(huì)發(fā)生色散形成若干以不同全反射角θi傳播的單色P光。由于金屬本身的復(fù)介電性,故導(dǎo)致該入射光在到達(dá)纖芯/銀層界面后將部分滲透入金屬內(nèi)部形成倏逝波。當(dāng)其水平波矢與金屬膜內(nèi)表面電子波(稱為等離子體激元)的波矢ksp相匹配時(shí),電子吸收了一定頻率光子的能量,產(chǎn)生了等離子體波共振效應(yīng),從而導(dǎo)致反射光強(qiáng)在這一時(shí)刻達(dá)到最小,形成SPR效應(yīng)。根據(jù)Maxwell方程和金屬的復(fù)介電性,可得表面等離子體波的波矢為ksp=ωc√εmn21/(εm+n21)(12)入射光波矢K在x方向上的分量為kx=ωcn0sinθSΡR(13)當(dāng)發(fā)生等離子體波共振時(shí)有kx=ksp(14)由式(12)～式(14)可得sinθSΡR=√εmn21/(εm+n21)n0(15)式中θSPR為產(chǎn)生SPR效應(yīng)時(shí)的共振角度;n0,n1分別表示纖芯和液體介質(zhì)的折射率;εm表示金屬的復(fù)介電常數(shù)。由對(duì)式(15)分析可知,共振角θSPR僅與纖芯、金屬和液體介質(zhì)三者的折射率有關(guān)。當(dāng)SPR光纖探頭的結(jié)構(gòu)一定時(shí),SPR光譜的共振波長(zhǎng)λSPR和液體介質(zhì)的折射率存在確定關(guān)系,而與液體的類型無關(guān)。因?yàn)橹挥心切┤瓷浣铅萯剛好等于共振角θSPR的單色光波λSPR才能激發(fā)表面等離子體波共振,所以共振時(shí)刻的光波長(zhǎng)即共振波長(zhǎng)λSPR直接和液體介質(zhì)的折射率相關(guān)。圖4給出液體折射率與其所對(duì)應(yīng)的SPR光譜共振波長(zhǎng)關(guān)系曲線。從圖4中可發(fā)現(xiàn)兩者間呈現(xiàn)近似線性關(guān)系,其線性擬合度為0.9809。只要通過檢測(cè)共振波長(zhǎng)的變化,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體折射率的檢測(cè)。圖5是實(shí)驗(yàn)裝置。4.3.2基于spr的檢測(cè)能力理論上說,液體折射率的任何細(xì)微變化都將導(dǎo)致共振波長(zhǎng)的偏移,這勢(shì)必對(duì)光譜儀的波長(zhǎng)分辨力提出較高要求。選擇高分辨力的光譜分析儀將進(jìn)一步提高測(cè)量精度和靈敏度。上面介紹的這種基于共振波長(zhǎng)測(cè)量的SPR光纖探頭結(jié)構(gòu),不僅克服由光源不穩(wěn)帶來的誤差源,而且具有傳感部分尺寸小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適合遠(yuǎn)距離遙測(cè)等優(yōu)點(diǎn),因此在許多特殊場(chǎng)合可以發(fā)揮重要作用。顧錚先等人利用表面等離子體波傳感器對(duì)折射率在1.36～1.43范圍的液體進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)表面等離子波傳感探頭對(duì)外界環(huán)境折射率變化異常敏感,其分辨力達(dá)到3.5×10-5折射率單位。另外,在已知兩種液體介質(zhì)折射率的情況下,通過對(duì)SPR光譜共振波長(zhǎng)的測(cè)量,可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種液體混合比例的測(cè)定。這個(gè)性質(zhì)可被用于對(duì)酒類食品中的乙醇含量、污水中有害液體含量等相關(guān)領(lǐng)域的檢測(cè)。但該方法的缺陷是僅限于直接測(cè)量,易受環(huán)境介質(zhì)腐蝕,影響測(cè)量穩(wěn)定性和重復(fù)性。5光纖傳感檢測(cè)原理及設(shè)計(jì)以上介紹的液體折射率測(cè)定方法各有特點(diǎn)。幾何光學(xué)法主要用于學(xué)生實(shí)驗(yàn),測(cè)量精度不夠高。光學(xué)干涉法相對(duì)測(cè)量精度比較高,若能結(jié)合CCD、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)液體折射率在線實(shí)時(shí)測(cè)量。但由于CCD上接收到的干涉條紋,受到來自CCD器件自身及其輸出電路的噪聲、光源的不穩(wěn)定性以及實(shí)驗(yàn)