一種光纖干涉法測折射率的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖干涉測量折射率的裝置，包括激光器光源，環(huán)形器，樣品池，光電探測器，解調(diào)模塊，準(zhǔn)直器。樣品池的一端裝有準(zhǔn)直儀，準(zhǔn)直器中有10％反射90％透射式透鏡，樣品池的后端為法拉第旋鏡。激光器發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直器后變成平行光入射進(jìn)樣品池，并且在后端被法拉第旋鏡反射回來。法拉第旋鏡避免了樣品池內(nèi)入射光和反射光之間的干涉。準(zhǔn)直器的反射光和法拉第旋鏡的反射光兩路光會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。本發(fā)明測量精度高，結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)小型化，可以對(duì)氣體、液體多種樣本進(jìn)行測量，測量折射率的范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動(dòng)測量。
【專利說明】
一種光纖干涉法測折射率的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖干涉法測折射率的裝置，通過光纖干涉測量原理對(duì)于氣體、 液體的折射率進(jìn)行高精度數(shù)字化的測量。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，傳統(tǒng)的測定折射率的方法主要是通過阿貝折射率測量儀，阿貝折射率測量 儀主要是通過光的全反射原理，在被測液體和棱鏡的表面形成全發(fā)射現(xiàn)象，從而以臨界角 的位置為軸線形成明暗分界的區(qū)域，通過探測明暗分界區(qū)域的位置來實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本的折射率 的測量。由于運(yùn)用全反射的原理，測量折射率的范圍受到一定的限制，對(duì)于折射率較高或者 較低的樣品不能夠測量。阿貝折射率測量儀由純物理光學(xué)器件搭建，光路搭建和調(diào)校困難， 儀器整體操作復(fù)雜，體積大，不便于實(shí)現(xiàn)小型化和數(shù)字化測量。阿貝折射率測量儀多用于液 體的折射率的測量，對(duì)于氣體折射率的測量有一定的局限性。
[0003] 辛督強(qiáng)等人（一種基于光纖干涉的液體折射率測量裝置，專利號(hào)： 201520180701.5)報(bào)道了一種光纖干涉的液體折射率測量裝置，光纖干涉兩臂之間沒有補(bǔ) 償，外界振動(dòng)和溫度影響會(huì)帶來附加的光程差，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確，裝置整體抗干擾能力差， 準(zhǔn)確度和精確度下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服傳統(tǒng)折射率測量儀光路搭建困難，使用操作復(fù)雜，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動(dòng) 測量，測量的折射率范圍較小等不足，本發(fā)明提供一種光纖干涉測量折射率的儀器，通過光 纖干涉測量技術(shù)對(duì)樣本的折射率進(jìn)行高精度測量，抗干擾能力強(qiáng)，折射率測量范圍寬，探測 樣本種類多樣，儀器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)時(shí)測量功能。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:環(huán)形器的三端分別與激光器，樣品 池和光電探測器連接。激光器發(fā)出的激光經(jīng)過環(huán)形器到達(dá)樣品池，樣品池是一個(gè)透明的玻 璃空倉，有進(jìn)樣口和出樣口，不同的樣品可以通過進(jìn)樣口進(jìn)行注入，探測完成的樣品可以通 過出樣口進(jìn)行排出。樣品池的前端裝有光纖準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器內(nèi)裝有10%反射90%透射的透 鏡，透鏡可以將一部分入射光反射回光纖內(nèi)，一部分光經(jīng)過準(zhǔn)直器射入到樣品池內(nèi)。另外， 準(zhǔn)直器可以將光纖的入射光轉(zhuǎn)換成平行光射出，在樣品池的后端裝有法拉第旋鏡，鏡面上 有防腐蝕的鍍膜，可以防止樣品對(duì)法拉第旋鏡的腐蝕。由準(zhǔn)直器出射的平行光經(jīng)過樣品池 后，在后端的法拉第旋鏡上發(fā)生反射，樣品池的反射光和準(zhǔn)直器中的反射光會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn) 象。法拉第旋鏡可以將入射光的偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，這樣在樣品池中的入射光和法拉第旋鏡 的反射光就不會(huì)發(fā)生干涉，避免了由干涉引起的附加條紋的變化。當(dāng)樣本池中為真空狀態(tài) 的時(shí)候，前端準(zhǔn)直器的反射光和后端法拉第旋鏡的反射光之間光程差恒定，干涉條紋穩(wěn)定。 當(dāng)充入樣本時(shí)，樣本池內(nèi)折射率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，兩路反射光之間會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光程差， 干涉條紋也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。裝置本身為全光纖結(jié)構(gòu)，測量精度高，相應(yīng)速度快，避免了 傳統(tǒng)光路搭建的復(fù)雜程序。
[0006] 在使用時(shí)，對(duì)于氣體和液體樣本，可以先將樣品池抽成真空，這時(shí)樣本池中的折射 率為η = 1，再將被測氣體或液體樣本注入到樣本池中，相應(yīng)的折射率發(fā)生變化，光程差就會(huì) 發(fā)生相應(yīng)的改變，同時(shí)干涉條紋就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，環(huán)形器的另一端接在光電探測器上 面，可以探測干涉條紋相應(yīng)的相位變化，之后解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)可以得出相應(yīng)的干涉信息， 進(jìn)一步得出待測樣品的折射率。
[0007] 與現(xiàn)有折射率測量裝置相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢：
[0008] (1)全光纖結(jié)構(gòu)，代替了傳統(tǒng)的光路的搭建，避免了復(fù)雜的光路搭建和調(diào)校過程， 并且可以抗電磁干擾，穩(wěn)定性增加。
[0009] (2)運(yùn)用光纖干涉測量原理，測量精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大。
[0010] (3)該光路設(shè)計(jì)可以抵消外接環(huán)境溫度和振動(dòng)的影響，提高了測量精度和抗干擾 能力。
[0011] (4)可以對(duì)液體和氣體樣本的折射率進(jìn)行測量，測量樣本種類多，折射率測量范圍 大。
【附圖說明】
[0012] 圖1是光纖干涉測量折射率裝置系統(tǒng)圖。
[0013] 圖2是樣品池剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 如圖1和圖2所示，一種光纖干涉法測折射率的裝置有激光器(1)、環(huán)形器(2)、光纖 準(zhǔn)直器(3)、進(jìn)樣口（4)、法拉第旋鏡(5)、出樣口（6)、樣品池(7)、光電探測器(8)和解調(diào)模塊 (9)組成。
[0015] -種光纖干涉折射率測量裝置，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光 經(jīng)過光纖入射到環(huán)形器中，環(huán)形器又通過光纖將激光照射到樣品池里面。樣品池的前端是 光纖準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器內(nèi)有10%反射90%透射的透鏡。透鏡可以將一部分入射光反射回光纖 內(nèi)，一部分光經(jīng)過準(zhǔn)直器射入到樣品池內(nèi)。另外，準(zhǔn)直器可以將光纖的入射光轉(zhuǎn)換成平行光 射出，在樣品池的后端裝有法拉第旋鏡。由準(zhǔn)直器出射的平行光經(jīng)過樣品池后，在后端的法 拉第旋鏡上發(fā)生反射。法拉第旋鏡將入射光的偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90°出射，避免了在樣品池內(nèi)入 射光和反射光之間的干涉。使用時(shí)，首先將準(zhǔn)直器調(diào)成水平，那么由準(zhǔn)直器透射進(jìn)入樣品池 中的光經(jīng)過后端的法拉第旋鏡反射和又可以耦合到準(zhǔn)直器中，樣品池的反射光和準(zhǔn)直器中 的反射光就會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。
[0016] 這里令連接環(huán)形器光纖的長度為h，樣品池的長度為12。光纖折射率為m，樣品池
內(nèi)樣品的折射率為n2對(duì)于準(zhǔn)直器反射光的光程為 對(duì)于樣品池反射光的光程為 I.

兩路干涉光的光程差為 ， 涉的光程差只是和樣品的折射率樣品池的長度有關(guān)，和入射光纖的長度無關(guān)。那么對(duì)于外 界的振動(dòng)干擾，溫度變化都不會(huì)影響光程差的變化，使得裝置整體穩(wěn)定性提高，抗干擾能力 強(qiáng)。
[0017]使用時(shí)可以通過排樣孔將樣品池抽成真空，這時(shí)形成穩(wěn)定的干涉條紋。之后將樣 品通過注樣孔注入到樣品池中，注入樣品后樣品池中的折射率發(fā)生相應(yīng)的變化，折射率從
真空n = l變化到n = n2,光程差也會(huì)有相應(yīng)的變化 干涉條紋會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)。環(huán)形 '
器的另一端還接上了光電探測器，光電探測器可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給解調(diào)模塊， 進(jìn)行解調(diào)算法運(yùn)算，得出條紋變化的數(shù)量，通過公式： 得出相應(yīng)樣本的折射率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖干涉法測折射率的裝置，包括激光器（1)、環(huán)形器(2)、光纖準(zhǔn)直器(3)、進(jìn)樣 口（4)、法拉第旋鏡(5)、出樣口（6)、樣品池(7)、光電探測器(8)和解調(diào)模塊(9)，激光器輸出 的激光經(jīng)過環(huán)形器入射進(jìn)樣品池，樣品池的前端有準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器中有反射/透射式透鏡， 樣品池的后端有法拉第旋鏡，準(zhǔn)直器的反射光和法拉第旋鏡的反射光會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，環(huán) 形器的另一端接有光電探測器，可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再傳到解調(diào)模塊，進(jìn)行解調(diào)后 得到相應(yīng)的折射率數(shù)值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖干涉法測折射率的裝置，其特征在于:激光器用于單 色性好的激光器，選擇1550nm的半導(dǎo)體激光器。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光纖干涉法測折射率的裝置，其特征在于:激光器的波長 可以選擇131〇11111、106411111、78〇111]1或65〇11111，還可以根據(jù)樣品折射率的大小來選擇合適波長范 圍的激光器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖干涉法測折射率的裝置，其特征在于:所述的樣品池 (7)是由透明玻璃制成，長度為250mm，內(nèi)徑為10mm，外徑20mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖干涉法測折射率的裝置，其特征在于:樣品池可以根 據(jù)實(shí)際情況改為其他形狀，如長方體。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖干涉法測折射率的裝置，其特征在于:樣品池前端裝 有準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直儀中裝有10%反射90%透射的透鏡，樣品池后端裝有全反射鏡。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種光纖干涉法測折射率的裝置，其特征在于:準(zhǔn)直器中的透 鏡可以選擇20%反射80%透射的透鏡、30%反射70%透射的透鏡，透光率可由不同的折射 率樣品來進(jìn)行選擇。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖干涉法測折射率的裝置，其特征在于:樣品池的后端 裝有法拉第旋鏡，可以將入射光的偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90°。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖干涉法測折射率的裝置，其特征在于:上位機(jī)應(yīng)當(dāng)采 用相關(guān)的解調(diào)算法，來得出相應(yīng)的折射率的值。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖干涉法測折射率的裝置，其特征在于:解調(diào)模塊可 以連接PC機(jī)終端也可以連接嵌入式系統(tǒng)，作為便攜式測量裝置。
【文檔編號(hào)】G01N21/45GK105866071SQ201610383317
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月2日
【發(fā)明人】陳建東, 高文智, 崔洪亮, 李亞
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)