光学参数法测定折射率

光学参数法测定折射率

1合理界定介质内治疗前后合理折射线的方法物质的折射是反映物质内部信息的基本物理参数。同时,折射率与其他的一些参量如温度、浓度、密度、色散、应力等密切相关。在生产实践中通过测定介质内折射率的空间分布,进而定性分析或定量确定其他各种相关物理量,已有许多重要的实际应用。因此,对折射率测量方法的研究具有重要意义。目前,折射率的测量方法很多,根据测量原理可以归纳为三类,即几何光学法、波动光学法、光纤传感法等。2测量灵敏度低几何光学法主要有临界角法、成像法、分光仪法、阿贝折射仪法等。其测量原理是根据折射定律、反射定律通过测量有关角度来求出待测物折射率。分光仪法虽然测量精度很高(一般能测到5位有效数字),但是对待测样品的要求也高,除了需将样品加工成三棱镜外,还对所加工成的三棱镜顶角及其中两个平面的平面度有较高的精度要求,增加了测量成本;而阿贝折射仪法由于设计上的原因,测量范围受到仪器中折射棱镜自身的折射率和顶角的限制,不能测量折射率较大和较小的物质,对测量范围有一定的限制。3干涉光程差法测量原理波动光学法又分为干涉法和偏振法。干涉法的测量原理是当入射光的一部分通过介质后,引起光程改变,从而使这部分光与参考光有一定的光程差。当光程差满足一定的条件后这两束光就发生相消干涉或相长干涉。而光程的改变与介质折射率有直接关系。这样,就可以通过测量干涉条纹的间距来测量介质的折射率。较常用的方法有劈尖干涉、迈克尔逊干涉、法布里-珀罗(F-P)干涉、瑞利干涉仪等。偏振法是根据光在介质表面反射时光的偏振态的变化从而测定折射率。下面介绍劈尖干涉法,它是利用干涉条纹的间距来测量液体的折射率。3.1拉拔剂为空气和待测液体的间距的确定劈尖干涉法原理如图1所示。两块平面玻璃片,一端互相叠合,另一端夹一头发丝粗细的铜制细丝,因此在玻璃片间形成一空气劈尖,两玻璃片的交线称为棱边,在平行棱边的同一直线劈尖的厚度是相等的。在两玻璃片间的空隙中充有折射率为n的透明介质,用平行单色光垂直入射于这样的两玻璃片时,在劈尖上下两表面反射的光波将互相干涉,这种干涉是一种等厚干涉,产生的是明暗相间的干涉条纹。劈尖上下两表面的反射光的光程差为:W=2nem+λ/2(1)λ为入射光的波长,λ/2为光从光疏到光密媒质交界面反射时的附加光程差。em为m级劈尖薄膜的厚度。根据干涉条件,当光程差等于λ/2奇数倍时,发生相消干涉,也就是产生暗条纹,由上式可得相邻暗纹的间距Δl=em+1-em=λ/2n(2)用劈尖测液体的折射率时,首先劈尖为空气膜时,测量从左到右N个暗纹的间距ΔL空。然后在劈尖的空隙中充入待测液体,再测出从左到右N个暗纹的间距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)这样通过实验分别测出劈尖膜为空气和待测液体时对应的N个暗纹的间距,由式(3)就可计算出待测液体的折射率n。干涉条纹如图1所示。3.2空气难度大时长为6个月时的视频检测为了实现对折射率的自动检测,花世群等人研究了基于CCD技术的自动测试系统。该系统的测量原理是利用一元线性回归方法对CCD的像元序号与所接收到的干涉条纹光强极大值序号之间的线性关系进行拟合,进而由拟合系数与待测液体折射率之间的关系计算出液体的折射率。该测试系统具有光路调节简单、操作容易、自动化程度高,精度高等特点,测量结果的相对误差为0.09%。是一种具有实际应用价值的液体折射率测量方法。但缺陷是仅陷于透明液体折射率的测量。测量原理如下:如图2所示,用两块光学平板玻璃M1和M2构成一个劈尖角为θ(很小)的空气劈尖,从He-Ne激光器发出的激光束经扩束、滤波后,被准直成沿水平方向传播的平行光,再经分光镜(BS)后在空气劈尖的前表面入射,从而在劈尖表面附近形成一系列明暗相间、平行等间距的直条纹,干涉条纹经显微镜放大后,由线阵CCD检测。当CCD接收到光信号时,它就在驱动脉冲的作用下,形成对应于干涉条纹的视频信号。视频信号的一路经图像采集卡直接送入视频监视器,供光路调节使用;另外一路经由滤波放大器进行预处理,再通过A/D转换器转换成电信号,送计算机进行后续处理。当入射角为γ时,则在劈尖中空气层厚度d处,两条相干光的光程差为:Δ=2dcosγ+λ/2=2(e+yWθR)cosγ+λ/2Δ=2dcosγ+λ/2=2(e+yWθR)cosγ+λ/2(4)其中e为常量,λ为He-Ne激光器的波长,y为CCD上的像元序号,W为CCD上相邻两个光敏元中心的间距,R为显微镜放大倍数。当入射角γ=0时,线阵CCD上接收到的干涉条纹的光强分布为Ι=Ι0(1+cos2πλΔ)=Ι0[1+cos(ωy+ϕ)]I=I0(1+cos2πλΔ)=I0[1+cos(ωy+ϕ)](5)其中ω=4πWθRλ‚ϕ=4πeλ+πω=4πWθRλ‚ϕ=4πeλ+π(6)从式(5)可见,线阵CCD上所接收到的光强分布为其像元序号y的余弦函数,由式(5)可得干涉条纹光强取极大值条件ωy+ϕ=2xπ(7)其中x(取整数)为光强极大值序号,把式(6)代入式(7)整理得y=kx+a(8)其中k=Rλ2ωθk=Rλ2ωθ(9)现保持空气劈尖的劈尖角θ不变,在两块光学平板玻璃M1和M2之间注入折射率为n的待测液体,则式(8)式相应变成y=k′x+b,k′=Rλ2nωθ(10)由式(6)、式(7)可得待测液体折射率n=kk′(11)由此可见,利用式(8)y和x之间的线性关系,只要先后对M1和M2之间为空气薄膜与液体薄膜两种情形下y和x的测量数据分别进行一元线性回归处理,再把得到的回归系数代入式(11),即可求得待测液体折射率n。4多种物理性质的测量光纤传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰等一系列优点,可以实现对多种物理量的测量,并且具有较高的精度。将光纤传感器应用于物质折射率的测量,不仅可以达到较高精度,而且操作简单,可实现实时在线检测。目前较常用的方法有光纤光栅法、光纤端面回波法、光纤表面等离子体共振波法等。4.1包层中损耗解决的传感测量光纤光栅可分为布喇格光纤光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPG)。FBG的周期约为几百纳米,主要特性是将某一频段的光反射回去,形成以谐振波长为中心的窄带光学滤波器。LPG的周期通常为几十到几百微米,主要特性是将导波中某频段的光耦合到光纤包层中损耗掉,是一种透射型光纤器件。研究表明:LPG对于温度、应力、外界折射率、光栅弯曲等参数的变化都有很高的响应灵敏度。当这些因素改变将引起纤芯和包层折射率以及纤芯和包层半径的变化,从而给光纤中的传输模式(导模和包层模的传播常数和模场分布)带来影响,从而也将改变光栅的周期。这将导致导模和包层模之间耦合的相位匹配波长及耦合系数改变,并终将表现为光栅吸收峰中心波长和强度的变化。因此,利用外界折射率变化与谐振峰中心波长移动量的对应关系,在未知环境中,就可以通过观察光栅谐振峰中心波长的移动来确定该环境折射率的改变,达到传感测量的目的。李志全等人将长周期光纤光栅传感器浸入蔗糖溶液,溶液浓度变化时导致折射率变化,使光栅谱特性出现谐振双峰分离,通过测量谐振双峰分离的宽度,获得相应光栅外部溶液的折射率,从而获得蔗糖溶液的浓度。4.2纤回波强度调制原理苏辉等人研制了基于光纤端面回波的流体折射率传感器。该传感器采用光纤回波强度调制原理,根据回波损耗随界面物质折射率不同而发生变化的机制得出相对回波强度与折射率之间的对应关系。对于具有0.01dBm的仪器测量精度,相应的折射率分辨力可达2×10-4折射率单位。4.3光纤spr传感器Matthias和Jorgenson等人利用光纤表面等离子体共振波法测出液体的折射率,达到了较高的精度。表面等离子体波共振(SPR)效应作为一种发生在金属与电介质界面的物理化学现象,它对环境介质折射率变化非常敏感,目前在国外基于SPR原理的传感器研究已在免疫特异识辨、膜层特性分析、蛋白质等生物大分子测定等领域取得较大进展。光纤SPR传感器是一种将光纤技术和SPR效应巧妙结合在一起的新型光化学传感器。具有抗电磁干扰、SPR传感探头尺寸小以及响应快等诸多优点。1993年Jorgenson等人提出了两种基于光纤表面等离子体(SPR)传感装置,使得光纤表面等离子体传感技术得以实际应用。目前该技术在化学、生物、环境及医药等领域已展现出了广阔的应用前景。溶液折射率测定是光纤表面等离子体传感器最基本的应用。4.3.1共振波长的确定存在于金属或半导体表面的自由电子的行为类似于自由电子气,当这些表面自由电子与特定的电磁波相互作用时,将吸收电磁波的能量,从而产生表面等离子体共振。由图3所示的光纤表面等离子体波传感器结构可知,当一束经过P型偏振片处理的宽带光耦合进入光纤后,将会发生色散形成若干以不同全反射角θi传播的单色P光。由于金属本身的复介电性,故导致该入射光在到达纤芯/银层界面后将部分渗透入金属内部形成倏逝波。当其水平波矢与金属膜内表面电子波(称为等离子体激元)的波矢ksp相匹配时,电子吸收了一定频率光子的能量,产生了等离子体波共振效应,从而导致反射光强在这一时刻达到最小,形成SPR效应。根据Maxwell方程和金属的复介电性,可得表面等离子体波的波矢为ksp=ωc√εmn21/(εm+n21)(12)入射光波矢K在x方向上的分量为kx=ωcn0sinθSΡR(13)当发生等离子体波共振时有kx=ksp(14)由式(12)～式(14)可得sinθSΡR=√εmn21/(εm+n21)n0(15)式中θSPR为产生SPR效应时的共振角度;n0,n1分别表示纤芯和液体介质的折射率;εm表示金属的复介电常数。由对式(15)分析可知,共振角θSPR仅与纤芯、金属和液体介质三者的折射率有关。当SPR光纤探头的结构一定时,SPR光谱的共振波长λSPR和液体介质的折射率存在确定关系,而与液体的类型无关。因为只有那些全反射角θi刚好等于共振角θSPR的单色光波λSPR才能激发表面等离子体波共振,所以共振时刻的光波长即共振波长λSPR直接和液体介质的折射率相关。图4给出液体折射率与其所对应的SPR光谱共振波长关系曲线。从图4中可发现两者间呈现近似线性关系,其线性拟合度为0.9809。只要通过检测共振波长的变化,就可以实现对液体折射率的检测。图5是实验装置。4.3.2基于spr的检测能力理论上说,液体折射率的任何细微变化都将导致共振波长的偏移,这势必对光谱仪的波长分辨力提出较高要求。选择高分辨力的光谱分析仪将进一步提高测量精度和灵敏度。上面介绍的这种基于共振波长测量的SPR光纤探头结构,不仅克服由光源不稳带来的误差源,而且具有传感部分尺寸小,结构简单,适合远距离遥测等优点,因此在许多特殊场合可以发挥重要作用。顾铮先等人利用表面等离子体波传感器对折射率在1.36～1.43范围的液体进行测试发现表面等离子波传感探头对外界环境折射率变化异常敏感,其分辨力达到3.5×10-5折射率单位。另外,在已知两种液体介质折射率的情况下,通过对SPR光谱共振波长的测量,可实现对两种液体混合比例的测定。这个性质可被用于对酒类食品中的乙醇含量、污水中有害液体含量等相关领域的检测。但该方法的缺陷是仅限于直接测量,易受环境介质腐蚀,影响测量稳定性和重复性。5光纤传感检测原理及设计以上介绍的液体折射率测定方法各有特点。几何光学法主要用于学生实验,测量精度不够高。光学干涉法相对测量精度比较高,若能结合CCD、计算机等现代化技术可以实现液体折射率在线实时测量。但由于CCD上接收到的干涉条纹,受到来自CCD器件自身及其输出电路的噪声、光源的不稳定性以及实验