基于光譜干涉的微量液體折射率測量裝置和測量方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學(xué)材料測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種基于光譜干涉的微量液體折射率測量裝置和測量方法。本發(fā)明測量裝置包括：一低相干度光源、Michelson干涉系統(tǒng),二維樣品臺，容積可調(diào)樣品池、聚焦透鏡、耦合光纖、光譜儀和計(jì)算機(jī)；測量時(shí),先將樣品池容積(面積和厚度)調(diào)至適當(dāng),測量參考臂和樣品臂的干涉光譜,得出空樣品池的厚度；然后再將微量待測液體滴入樣品池隙口,并使光束垂直入射樣品池表面,測量干涉光譜,并得到對光譜進(jìn)行Fourier變換，可得到待測量液體樣品的群折射率。本發(fā)明測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量方法操作簡便，測量精度高。
【專利說明】基于光譜干涉的微量液體折射率測量裝置和測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)材料測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種微量液體材料的折射率測量裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]液體材料的折射率是一個(gè)重要的參數(shù)，如對水中的糖濃度準(zhǔn)確測量，就可以通過對其折射率的測量來實(shí)現(xiàn)。這方面的研究，也有一些方法提出，如阿貝折射儀。雖然，阿貝折射儀的測量界面只有0.1到0.15_的厚度，由于測量面積較大，通常有l(wèi)cm2，因此要完成測量，阿貝折射儀所需要用的待測液體的量還是偏多。為此，我們通過設(shè)計(jì)可調(diào)容積樣品池，可以把測量用量進(jìn)一步減少。同時(shí)，采用光譜干涉測量法，系統(tǒng)可小型化，并且測量速度快。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種只需微量樣品即可進(jìn)行液體折射率測量裝置和方法。
[0004]本發(fā)明提供的測量液體折射率的方法和裝置，是基于光譜干涉法。
[0005]本發(fā)明提供的測量裝置，包括一低相干度光源1，Michelson干涉系統(tǒng)，三維樣品臺4，厚度和大小可調(diào)樣品池前后腔片5和6，聚焦透鏡7，耦合光纖8，光譜儀9，計(jì)算機(jī)10 ；Michelson干涉系統(tǒng)由非偏振分光棱鏡2、參考臂反射鏡3和樣品池組成；其中，低相干度光源1、非偏振分光棱鏡2、參考臂反射鏡3、聚焦透鏡7分別固定在工作臺面上，相對獨(dú)立；三維樣品臺4、耦合光纖8直接與光譜儀9連接，光譜儀9與計(jì)算機(jī)10通過數(shù)據(jù)總線連接以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0006]本發(fā)明中，樣品池可以調(diào)節(jié)到很薄的厚度(幾十個(gè)微米)，因而該測量裝置只需要微量樣品即可完成測量。
[0007]本發(fā)明中，所述低相干度光源I可以采用白光LED，或采用可見及近紅外寬帶激光二極管(LD)。
[0008]本發(fā)明中，所述樣品池容積(厚度和大小均)可調(diào)，樣品池由兩塊透明固體材料構(gòu)成，兩塊腔片分別固定于三維調(diào)節(jié)座上，后一塊可沿光束軸向前后移動(dòng)以控制樣品池厚度。與此同時(shí)，腔體由兩腔片的相對重合面積決定，相對重合面可調(diào)。
[0009]本發(fā)明中，所述樣品池的前后腔片材料，其內(nèi)表面可以不鍍膜，或鍍反射率小于50%的增反膜。
[0010]本發(fā)明中，所述樣品池的材料，其折射率可選1.4-1.7的固體透明材料，如玻璃或晶體材料。
[0011]本發(fā)明中，所述聚光透鏡7可以采用消色差透鏡。
[0012]本發(fā)明中，所述耦合光纖8可以采用單模光纖。
[0013]本發(fā)明中，所述譜儀9可采用可見-近紅外波段光譜測量儀。
[0014]本發(fā)明提出的測量光學(xué)材料厚度和折射率的方法，具體步驟為: 先將樣品池容積調(diào)至適當(dāng)大小(如厚度30微米，重合面積5 X 5mm2)，使光束垂直入射樣品池前后表面，測量參考臂和樣品臂的干涉光譜，得出空樣品池的厚度(光程)、然后再將微量待測液體滴入樣品池隙口，使液體由虹吸進(jìn)入池內(nèi)。測量干涉光譜，對光譜進(jìn)行Fourier變換，可得到樣品池加入待測量液體后的光程A2。設(shè)空氣的折射率為1.0。則待測量液體樣品的群折射率ng= Λ 2/ Λ工。
[0015]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn):
1、測量速度快:本發(fā)明基于頻域光譜測量系統(tǒng)，測量中不需要機(jī)械掃描，因而測量速度快。
[0016]2.樣品池容積可調(diào):池腔厚度和面積均可調(diào)，可以有效控制樣品用量在500微克以下。
[0017]3.系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)只有參考臂有反射鏡，沒有樣品臂的反射鏡。
[0018]4.易進(jìn)行波段拓展。本發(fā)明光源可采用不同波段的LED或半導(dǎo)體激光器，因而可以進(jìn)行不同波段的參數(shù)測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為測量裝置圖示。
[0020]圖中標(biāo)號:1為低相干度光源，2為非偏振分光棱鏡,3為參考臂反射鏡，4為三維樣品臺，5為樣品池前腔片，6為樣品池后腔片，7為聚焦透鏡，8為耦合光纖，9為光譜儀，10為計(jì)算機(jī)。
[0021]圖2為可調(diào)樣品池示意圖。其中，(a)側(cè)視圖，(b)正視圖。
[0022]圖3為空池時(shí)兩臂的干涉光譜及其Fourier變換圖。
[0023]圖4為加入樣品兩臂的干涉光譜及其Fourier變換圖。
[0024]圖5為樣品池加入待測樣品前后的光程對比。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面以去離子水為樣品測量其折射率。
[0026]光源為一半導(dǎo)體GaAs激光器，工作于亞閾值下，在可見光633_688nm波段。
[0027]樣品池由兩片鍍有ITO的玻璃構(gòu)成，ITO表面反射率約為5%。
[0028]測量前先調(diào)節(jié)兩ITO玻璃，使其表面重合面積約5X5mm2，且使之垂直于入射光束，測量兩臂的干涉光譜如圖3(a)所示；從干涉譜的Fourier變換圖3(b)中，Δ i=34.4±0.3 μ m。
[0029]然后，用注射器抽取少量去離子水，推出一滴，附在樣品池的隙口處，讓水自動(dòng)滲入池內(nèi)。注意液膜面積應(yīng)大于光斑面積。此時(shí)，測量兩臂的干涉光譜，并作Fourier變換，如圖4所示。
[0030]圖5為將圖3(b)和圖4(b)放在一張圖內(nèi)的樣品加入池內(nèi)前后的光程變化對比。
[0031]從圖4(b)中讀出此時(shí)樣品池的光程Λ2=45.7±0.8μπι。
[0032]于是，樣品的折射率即為:Iig=A2M1 =1.3305。
[0033]上述結(jié)果采用空氣折射率為1.0的假設(shè)。另外，上述折射率結(jié)果是群折射率結(jié)果，即為峰值為658nm帶寬為IOnm的光波的平均折射率。[0034]上述結(jié)果與水的折射率1.3325的相對誤差為0.001。可見本發(fā)明的方法是可行的。
[0035]測量中，光束直徑約2mm， 以30 μ m池厚而言，體積為V=5X 5mm2X30 μ m=750X 10_6cm3,以水的比重取1.0g/ cm3計(jì)算，可得所需要樣品的量約為:750微克。
[0036]測量中所需的池腔面積還可以近一步縮小，實(shí)際樣品用量可小于500微克。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光譜干涉的微量液體折射率測量裝置，其特征在于:包括一低相干度光源(I) ,Michelson干涉系統(tǒng)，二維樣品臺(4)，容積可調(diào)樣品池前后腔片(5)和(6)，聚焦透鏡(7)，耦合光纖(8)，光譜儀(9)，計(jì)算機(jī)(10) ；Michelson干涉系統(tǒng)由非偏振分光棱鏡(2)、參考臂反射鏡(3)組成；其中，低相干度光源(I)、非偏振分光棱鏡(2)、參考臂反射鏡(3)，聚焦透鏡(7)分別固定在工作臺面上，相對獨(dú)立；二維樣品臺耦合光纖(8)直接與光譜儀(9)連接，光譜儀(9)與計(jì)算機(jī)(10)通過數(shù)據(jù)總線連接以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜干涉的微量液體折射率測量裝置，其特征在于:所述低相干度光源(I)為白光LED，或?yàn)榭梢娂敖t外寬帶激光二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜干涉的微量液體折射率測量裝置，其特征在于:所樣述品池由兩塊透明固體材料構(gòu)成，兩塊腔片分別固定于三維調(diào)節(jié)座上，后一塊可沿光束軸向前后移動(dòng)以控制樣品池厚度；與此同時(shí)，腔體由兩腔片的相對重合面積決定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜干涉的微量液體折射率測量裝置，其特征在于:樣品池內(nèi)表面不鍍膜，或鍍反射率小于50%的增反膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜干涉的微量液體折射率測量裝置，其特征在于:構(gòu)成樣品池的材料選用折射率為1.4-1.7的固體透明材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜干涉的微量液體折射率測量裝置，其特征在于:所述聚光透鏡(7)為消色差透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜干涉的微量液體折射率測量裝置，其特征在于:所述耦合光纖(8)為單模光纖。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜干涉的微量液體折射率測量裝置，其特征在于:所述光譜測量儀(9)為可見-近紅外波段光譜測量儀。
9.一種基于權(quán)利要求1所述的測量裝置的微量液體折射率測量方法，其特征在于具體步驟為: 測量時(shí)，先將樣品池容積調(diào)至適當(dāng)值，使光束垂直入射樣品池前后表面，測量參考臂和樣品臂的干涉光譜；得出空樣品池的厚度即光程A1 ;然后再將微量待測液體滴入樣品池隙口，使液體由虹吸進(jìn)入池內(nèi)；測量干涉光譜，對光譜的Fourier變換，得到樣品池加入待測量液體后的光程A2 ;設(shè)空氣的折射率為1.0，則待測量液體樣品的群折射率ng=A2/Δ 10
【文檔編號】G01N21/45GK103983610SQ201410197332
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】劉建華, 張克, 陶李, 程文凱, 陳忠平 申請人:復(fù)旦大學(xué)