專利名稱：一種基于光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種快速檢測溶液濃度的檢測器，特別涉及一種基于二維光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器。
背景技術(shù)：
光子晶體的概念最早是在1987年提出的。光子晶體是一種按照晶體的結(jié)構(gòu)對稱性制備的周期性微介電結(jié)構(gòu)材料，其最基本的特性就是具有光子帶隙。頻率處在光子帶隙內(nèi)的光不能在光子晶體中傳播。負折射現(xiàn)象是俄國科學(xué)家Veselago在1968年提出的:當(dāng)光波從具有正折射率的材料入射到具有負折射率材料的界面時，光波的折射與常規(guī)折射相反，入射波和折射波處于界面法線方向同一側(cè)。直到本世紀(jì)初這種具有負折射率的材料才被制備出來。光在光子晶體中傳播時會出現(xiàn)負折射現(xiàn)象，而光子晶體的負折射效應(yīng)會受某些特征參數(shù)影響?；诠庾泳w的光電器件最近得到了廣泛的研究開發(fā)，相較于其他的光電器件，光子晶體器件具有體積小，易于集成以及器件不受外界電磁環(huán)境影響等優(yōu)點。這些特點為光電子器件向高度集成化發(fā)展提供了新的應(yīng)用前景。對溶液濃度的測量與控制在造紙、化工、制糖、乳制品、制藥、飲料等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，它是保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)手段。目前在溶液濃度的檢測方面，在化學(xué)方法中用滲透壓法，在物理方法中有旋光計方法；也有用浮球法測液體的比重然后換算成溶液濃度，或者用基于朗伯定律的光吸收原理測量溶液濃度的方法，但前者需要合適的浮球和高精度重量傳感器，并且測量時需要浮球相對穩(wěn)定，測量裝置體積大，操作不方便，后者僅適合于測量透明或者半透明的溶液，測量局限性大.隨著物理光學(xué)一系列理論和實驗研究的不斷完善和光纖技術(shù)、棱鏡鍍膜技術(shù)以及光電檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，目前高精度測量溶液濃度的方法有:棱鏡表面等離子體共振技術(shù)、光纖表面等離子體共振傳感技術(shù)和電介質(zhì)薄膜增強古斯?jié)h欣位移技術(shù).但這些技術(shù)和方法是以棱鏡反射光為測量基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大，不利于集成化發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有溶液濃度檢測裝置的諸多缺陷，提供了一種新穎、易于集成化的基于二維光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器，其特征在于:所述溶液濃度檢測器包括激光器、光子晶體、光功率探測頭以及與之相連的計算部，其中，所述激光器發(fā)射探測光的波長為0.8 μ m 1.8 μ m,所述光子晶體由圓柱娃體和娃基板組成，圓柱娃體有序排列在光子晶體中，其直徑為0.2 μ m 0.35 μ m，六邊形晶格的晶格常數(shù)為0.22 μ m
0.54 μ m0另外，所述激光器(10)發(fā)射探測光的波長為1.55μπι。所述光子晶體(5)為梯形柱狀結(jié)構(gòu)。所述圓柱硅體(7)按照六邊形晶格周期性排列在光子晶體(5)中，其直徑為
0.2852 μ m0所述溶液濃度檢測器的檢測范圍為O 100% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))。所述光功率探測頭
(4)為半導(dǎo)體光功率探測頭。所述六邊形晶格的晶格常數(shù)為0.46 μ m。[0006]進一步，當(dāng)探測光的波長為1.55 μ m,圓形硅柱的直徑為0.2852 μ m時，可出現(xiàn)線性擬合度最高的實驗曲線。本實用新型的有益效果:本實用新型提供的溶液濃度檢測器結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、測量精度高、響應(yīng)速度快、操作方便，性能穩(wěn)定可靠，適合大規(guī)模集成，大規(guī)?？焖贉y量，另外，該溶液濃度檢測器無需花費精力去調(diào)整復(fù)雜的探測光路，整個測量過程中也不需要人為調(diào)整任何部件，只要打開光源開關(guān)即可，而且，基于負折射的原理，該溶液濃度檢測器的折射光的方向與入射光的方向相反，能夠有效地減小雜散光的干擾問題。
以下結(jié)合附圖對本實用新型一種基于光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器作進一步說明

圖1為實施方式中的溶液濃度檢測器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實施方式中的光子晶體的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為實施方式中的折射光的相對功率與待測溶液折射率的關(guān)系曲線。圖4為實施方式中的折射光的相對功率與待測溶液濃度的關(guān)系曲線。
具體實施方式
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以下結(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進一步詳細描述:為了使檢測器能夠快速檢測待測溶液的濃度，本實用新型采用了以下結(jié)構(gòu):如圖1、2所示，本實用新型溶液濃度檢測器包括:包括激光器10、光子晶體5、光功率探測頭4以及與之相連的計算部9。其中，激光器10能夠發(fā)射波長為1.55 μ m的探測光。光子晶體5呈梯形柱體結(jié)構(gòu)，是將直徑為0.2852 μ m的圓柱硅體7按照六邊形晶格周期性排列在其中，晶格常數(shù)為0.46 μ m,整個硅圓柱體群由硅基板8作為基底承載。該光子晶體5能夠使所述探測光經(jīng)過其所承載的待測溶液而只發(fā)生一次負折射效應(yīng)在其外表面上產(chǎn)生負折射光。半導(dǎo)體光功率探測頭4能夠接收所有所述負折射光，并據(jù)此得到所述負折射光的相對功率(相于激光器10的發(fā)出的入射光)。計算部9能夠根據(jù)所得到的相對功率計算出對應(yīng)待測溶液的濃度。本實用新型的操作步驟如下:首先，向光子晶體中注入蔗糖溶液6并使得蔗糖溶液完全浸沒圓柱硅體7。應(yīng)注意，蔗糖溶液必須完全浸沒圓柱硅體7，這樣得到的結(jié)果比較準(zhǔn)確。然后，激光器10向光子晶體5的入射面上垂直發(fā)射探測光1，探測光I在以原始入射方向經(jīng)過待測蔗糖溶液到達光子晶體5的左斜側(cè)層面上時，發(fā)射光I的部分光發(fā)生反射成為反射光2遠離入射光I,部分光發(fā)生負折射并折射出該層面成為折射光3,位于上述左斜側(cè)層面的左端的半導(dǎo)體光功率探測頭4完全接收折射光3并測定出該折射光3相對于入射光I的功率。最后，計算部9再根據(jù)所測定的折射光3的相對于激光器10發(fā)出的入射光的相對光功率計算出待測蔗糖溶液的濃度。如文獻 1:BAI Ze-sheng, LIU Zhu-qin, XU Hong.An experienced formulaabout the connection of refraction index and consistence of several liquid [J].Journal of Yanan University, 2004, 23 (I):33-34.中公開了的 0-60%濃度的鹿糖溶液的折射率與其濃度關(guān)系的經(jīng)驗公式。再又由RSOFT軟件，用時域有限差分(FTDT)的方法得出本實用新型中待測蔗糖溶液折射率與功率探測頭4接收到的相對功率的關(guān)系。對應(yīng)曲線如圖3所示，X軸為待測蔗糖溶液的折射率，y軸為半導(dǎo)體光功率探測頭4探測到的折射光的相對功率。由上述兩個關(guān)系，可以得到本實用新型在實施例中的折射光功率與待測蔗糖溶液濃度的關(guān)系圖:如圖4所示，在探測光的波長為1.55 μ m，圓形硅柱的直徑為0.2852 μ m的情況下，待測蔗糖溶液的濃度與折射光的相對功率有對應(yīng)的關(guān)系曲線圖，其中，y軸為待測溶液的濃度，X軸為半導(dǎo)體光功率探測頭4探測到的折射光的相對功率。計算部9根據(jù)該對應(yīng)關(guān)系計算出待測溶液的濃度。圖4表明，隨著待測溶液濃度的增大，發(fā)生負折射而產(chǎn)生的折射光的相對功率會顯現(xiàn)單調(diào)遞增的變化趨勢。本實用新型提供的溶液濃度檢測器在本實施例中能夠較精確地測定濃度O 60%范圍內(nèi)的蔗糖溶液濃度。以上實施例僅用予說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳的實例進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)工人應(yīng)當(dāng)理解，對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍中。
權(quán)利要求1.一種基于光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器，其特征在于:所述溶液濃度檢測器包括激光器(10)、光子晶體(5)、光功率探測頭(4)以及與之相連的計算部(9)，其中，所述激光器(10)發(fā)射探測光的波長為0.8μπι 1.8μπι，所述光子晶體(5)由圓柱硅體(7)和硅基板(8)組成，圓柱硅體(7)有序排列在光子晶體(5)中，其圓柱硅體(7)直徑為0.2μ ~ 0.35 μ m，六邊形晶格的晶格常數(shù)為0.22 μ m 0.54 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器，其特征在于:所述激光器(10)發(fā)射探測光的波長為1.55 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器，其特征在于:所述光子晶體(5)為梯形柱狀結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器，其特征在于:所述圓柱硅體(7)按照六邊形晶格周期性排列在光子晶體(5)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器，其特征在于:所述圓柱硅體(7)的直徑為0.2852 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器，其特征在于:所述溶液濃度檢測器的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的檢測范圍為O 100%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器，其特征在于:所述光功率探測頭(4)為半導(dǎo)體光功率探測頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子晶體負折射效應(yīng)的溶液濃度檢測器，其特征在于:所述六邊 形晶格的晶格常數(shù)為0.46 μ m。
專利摘要本實用新型涉及一種基于光子晶體負折射效應(yīng)的溶液檢測器，包括發(fā)射探測光的激光器，使探測光經(jīng)過檢測器所承載的待測溶液而只發(fā)生一次負折射效應(yīng)在其外表面上產(chǎn)生負折射光的光子晶體，接收所有負折射光并測定負折射光功率的光功率探頭以及根據(jù)所測定的負折射光的相對于激光器發(fā)出的入射光的相對功率計算出待測溶液的折射率的計算部。本實用新型提供的溶液檢測器結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、測量精度高、響應(yīng)速度快、操作方便，性能穩(wěn)定可靠，能夠有效的減小雜散光的干擾問題。
文檔編號G01N21/41GK202956340SQ20122065560
公開日2013年5月29日 申請日期2012年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月2日
發(fā)明者胡艾青, 梁斌明, 蔣強 申請人:上海理工大學(xué)