专利名称:激光束自校准自补偿式折射仪的制作方法
本发明属于一种折射仪。特别是一种激光束自校准自补偿式折射仪。它能广泛地应用于自然科学和国民经济各领域中，例如物理学、化学、生物学、医学和光学工业、电子工业、石油化工工业、轻工业、商业中。
现有的折射仪，可分为两大类。一类用目测法，读出样品的全反射角，根据Snell定律计算出折射率。GB2034914便是用目测法。这类仪器有活动部件，不能实时测量。另一类用光电法，测反射光强，根据Fresnel公式确定全反射角。EP71143便是用光电二极管阵列作探测器。这类仪器仍是测量角度，也不能实时测量。上述两类仪器测量范围较窄，对样品要求较高，结构复杂，使用不便。
本发明的目的是，设计和制造出一种不做角度测量，无活动部件，结构简单，测量范围宽，对样品要求不高，使用方便，实时测量的一种折射仪。
本发明的内容是由激光器、棱镜、探测器、电路和测量系统所构成的激光束自校准自补偿式折射仪。
在本发明中，用激光器做光源，它可以是波长从紫外到红外的气体、固体、可调谐染料、半导体和金属蒸气激光器，特别是各种气体激光器，如氦-氖、氩离子、氪离子、氮分子、二氧化碳激光器。激光束可以是单光束，也可以是多光束。为使激光束的平行度更好，也可以附加光阑、准直透镜。
在本发明中，用棱镜做全反射体，它可以是由玻璃、晶体制作的固体棱镜;也可以是由带用两个透明通光口和一个水平样品台的棱镜形状的金属容器内盛液体所构成的液体棱镜;也可以是气体棱镜，它由密封容器和高压气体构成。可以使用一个棱镜，也可以使用多个棱镜。棱镜的形状可以是等腰三角形、等腰梯形、多边形。
本发明中，探测器可以是光电器件，也可以是热电器件。
本发明中，测量系统可以是直读仪表、数字电压表、计算机。
附图。图1，“γ”形曲线;图2，单光束自校准式折射仪;图3，双光束自校准自补偿式折射仪。
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以下结合附图对发明做进一步描述。以一非偏振的平行光束，垂直入射到一块折射率为n0(已知)的双45°全反射直角棱镜的一个直角面上，在其弦面上密合地放置一个被测样品，当样品的折射率从1改变到无穷大时，从棱镜的另一个直角面出射的反射光强将如何变化呢？图1是根据Snell定律Sinφn0＝SinXn (1)(式中φ为入射角，X为折射角)，和Fresnel公式I= 1/2 I0〔 (Sin2(φ-X))/(Sin2(φ+X)) + (tg2(φ-X))/(tg2(φ+X)) 〕(2)(式中I0为如射光强，I为反射光强)，以某一n0为例，计算出的“γ”行曲线的示意图。纵座标是反射光强与入射光强之比(%)。横座标是折射率n。曲线从n＝1开始的“平直段”表示全反射状态，I/I0＝100%;n增大到某一数值时全反射状态被破坏，出现“陡降段”，到n＝n0时降为零时;n再增大时，出现“缓降段”，当n＝∞时，又回到100%。
在满足起始时(n＝1)为全反射状态，即n0＞(Sinφ)-1的前提下，再做下列一系列计算仍取φ＝45°，改变n0值时，会得到一组γ形曲线，它们的平直段长度不同，降升速度不同;选定n0值，改变φ，即改用其它形状的棱镜，入各种非双45°直角棱镜及其变形、等腰梯形棱镜及其变形，也会得到一组γ形曲线，它们平直段长度不同，降升速度不同;选定n0值，对任何一种形状的按不同排列组合的多个棱镜做多次全反射计算，也得到一组γ形曲线，与各自的一次反射曲线对比，平直段长度不变，反射次数愈多陡降段愈陡，而缓升段愈缓;选定n0和φ值，以线偏振光做入射光，得到的曲线与非偏振时同样的n0和φ值的曲线相比，平直段长度不变，当电矢量垂直于入射面时(S分量)，陡降段降得慢、缓升段升得快，当电矢量平行于入射面时(P分量)，陡降段降得快，缓升段升得慢。
上式计算所得到的每一条γ形曲线在n方向上的三个长度，均由下列三个公式给出平直段长度＝n0Sinφ-1(3)陡降段长度＝n0(1-Sinφ) (4)缓升段长度＝n0～∞ (5)这三个公式揭示了从全反射状态到全反射状态的被破坏这一“临界过程”中的所有内在规律。它们是本发明的理论依据。
根据Fresnel公式，可以推导出采用m次全反射起始状态时，在它们被破坏状态下的反射光强的表达式。对非偏振光I= 1/2 I0〔 (Sin2(φ-X))/(Sin2(φ+X)) + (tg2m(φ-X))/(tg2m(φ+X)) 〕(6)对电矢量垂直于入射面的线偏振光I=IS0(Sin2m(φ-X))/(Sin2m(φ+X)) (7)对电矢量平行于入射面的线偏振光
I=IP0(Sin2m(φ-X))/(Sin2m(φ+X)) (8)在本发明中，利用γ形曲线的平直段，对仪器的光强进行自校准，称它为“校准段”;利用陡降段，精确测量n小于n0而大于n0Sinφ这一范围内物质的折射率，称它为“精测段”;利用缓升段，粗略测量n大于n0直到无穷大这一极宽范围内的物质的折射率，称它为“粗测段”。
图2是由激光器[1]的一个光束、棱镜[2]、探测器[3]、电路[4]、测量系统[5]组成的一个结构简单的折射仪。在测量前的全反射状态下，以到达探测器[3]的光强(功率)为100%计，这就消除了棱镜材料吸收的影响;在样品[6]加上后，将立即读出反射光强的数值，并可从γ曲线上查出样品[6]的折射率。这类仪器，可称为“单光束自校准式折射仪”。
图3是将激光器[1]的另一端面的光束也加以利用，第二光束的强度由同型号的另一个探测器[3′]探测，两个信号(直流的或交流的或脉冲的)分别送入电路[4]的两个通道中。测量前，调整对两个探测器信号的放大倍数，使两个信号放大后相等，在每次测量中，测量系统[5]都将探测器[3]的信号除以探测器[3′]的信号，这样，就补偿了由于电源电压、温度等外界条件的变化所引起的光源输出功率的波动。因此，称它为“双光束自校准自补偿式折射仪”。此外，也可以采用三、四或更多光束的形式进行更好的补偿或者做更精密的比较测量。
从图1可以看到，对应同一个反射光强，γ曲线上有两个n值，哪一个是真值呢？在n0左方的，记为n1，在n0右方的记为nr。在被测样品的折射率的大概值已知时，因二者相差很大，当然很容易判断。但当对被测样品的折射率一无所知时，如何判断呢？实际上，有许多判断方法，这里仅给出下列六种判别规则对固体样品当用其折射率稍低于n1的已知固体样品替换时，若读数增大，则n＝n1;若读数减小，则n＝nr。或者，当用其折射率稍高于nr的已知样品替换时，若读数减小，则n＝n1;若读数增大，则n＝nr。
对液体样品当用少量的已知的折射率稍低于n1的液体稀释被测样品时，若读数增大，则n＝n1;若读数减小，则n＝nr。或者，当用少量的已知的折射率稍高于nr的液体“加稠”被测样品时，若读数减小，则n＝n1;若读数增大，则n＝nr。
对气体样品当气体的浓度(或压力)减小时，若读数增大，则n＝n1;若读数减小，则n＝nr。或者，当气体的浓度增大时，若读数减小，则n＝n1;若读数增大，则n＝nr。
实施例1。如图2所示的一个单光束自校准式折射仪。激光器[1]是氦-氖激光器，棱镜[2]是玻璃双45°直角棱镜，探测器[3]是硅PIN光电二极管，电路[4]是放大电路，测量系统[5]是数字电压表。根据计算，折射率测量精度可达10-4。
实施例2。如图2所示的单光束自校准式折射仪。激光器[1]是可调谐染料激光器，其它与例1同。
实施例3。如图3所示的一个双光束自校准自补偿式折射仪。探测器[3][3′]是硅PIN光电二极管+FET组件，测量系统[5]是计算机，其它与例1同。根据计算，折射率测量精度可达10-5∽10-6。
用激光做光源比普通光源好得多，激光单色性好，可以省去滤光片，激光的平行性好，可以大大地简化光学系统。激光束可以做成很细的“光笔”，用于描绘物质中的折射率分布，例如用来测量光纤予制棒的折射率的径向分布。
本发明的折射仪可用做探测凡与物质折射率有关的各种物理量的各种类型的光学传感器。例如，浓度传感器，用于测量各种气体、液体的浓度(如化学试剂、糖、酒、药、血液等);压力传感器，用于测量各种状态下气体的压力;纯度和杂质含量(如各种溶剂、饮用水的纯度和杂质含量。各种油中水的含量等)。这些传感器均具有快速、实时测量的特点。
上述各种折射仪和传感器的输出信号送给各种仪表时，便可方便快速的测量、读数和显示。使用计算机时，根据Fresnel公式先由计算机计算出所使用的γ形曲线，并将全部有关数据贮存起来，根据予先编好的程序，便可方便地对折射率或所测量的物理量进行自动化连续、实时测量，并进行数据处理、数据显示、存贮和打印。
综上所述，利用γ形曲线的三段长度公式，通过对棱镜个数、材料和入射角的选择，便可以设计和制造出满足不同使用要求的能够精密、快速、实时测量各种物质在不同波段、波长上的不同范围的折射率的一系列的新型折射仪，以及测量与物质折射率有关的各种物理量的新型传感器。
本发明在自然科学中，例如物理学、化学、生物学、医学等的研究和实验工作中，在光学工业、电子工业、石油化工工业、轻工业、商业乃至国民经济各个领域中，将会得到广泛的应用。
本发明的优点是，仪器不做角度测量，无活动部件，用激光做光源，结构简单，自校准、自补偿，测量精度高，对被测样品的加工要求低，对透明度无任何要求，测量范围极宽，可进行快速、实时测量，使用方便，应用面广，利用本发明可以容易地设计和制造出各种折射仪和传感器。
权利要求
1.一种由光源、棱镜、探测器、电路和测量系统所构成的折射仪，其特征在于所使用的光源是激光器。
2.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的激光器是气体激光器。
3.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的激光器是固体激光器。
4.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的激光器是可调谐激光器。
5.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的激光器是半导体激光器。
6.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的激光器是金属蒸气激光器。
7.按照权利要求
2所述的折射仪，其特征在于所用的气体激光器是氦-氖激光器。
8.按照权利要求
2所述的折射仪，其特征在于所用的气体激光器是氩离子激光器。
9.按照权利要求
2所述的折射仪，其特征在于所用的气体激光器是氪离子激光器。
10.按照权利要求
2所述的折射仪，其特征在于所用的气体激光器是氮分子激光器。
11.按照权利要求
2所述的折射仪，其特征在于所用的气体激光器是二氧化碳激光器。
12.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的激光器的光束是一个以上的激光束。
13.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的棱镜是玻璃棱镜。
14.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的棱镜是晶体棱镜。
15.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的棱镜是液体棱镜。
16.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的棱镜是气体棱镜。
17.按照权利要求
1、13、14所述的折射仪，其特征在于所用的棱镜是一个以上的棱镜。
18.按照权利要求
17所述的折射仪，其特征在于所用的棱镜是多边形棱镜。
19.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的探测器是硅PIN光电二极管。
20.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的探测器是硅PIN光电二极管+FET组件。
21.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的测量系统是数字电压表。
22.按照权利要求
1所述的折射仪，其特征在于所用的测量系统是计算机。
23.按照权利要求
1所述的折射仪的应用，其特征在于测量物质的折射率。
24.按照权利要求
23所述的折射仪的应用，其特征在于测量物质的折射率分布。
25.按照权利要求
23所述的折射仪的应用，其特征在于测量光纤预制棒的折射率。
26.按照权利要求
24所述的折射仪的应用，其特征在于测量光纤预制棒的折射率分布。
27.按照权利要求
23所述的折射仪的应用，其特征在于测量与物质折射率有关的物理量。
专利摘要
本发明提出了由激光器、全反射镜、探测器、电 路和测量系统所构成的折射仪。它利用“γ”形曲线 的“平直段”、“陡降段”和“缓升段”分别做校准、精测 和粗测，双光束做自补偿。特点是不做角度测量、无 活动部件、结构简单、实时测量。通过对棱镜材料和 入射角的选择，可设计制造出折射率测量范围为大 于1直到无穷大的一系列精密仪器。它也极适于用做 探测与物质折射率有关的各种物理量的实时传感 器。
文档编号G01N21/55GK85102907SQ85102907
公开日1987年2月18日 申请日期1985年7月16日
发明者冷长庚 申请人:冷长庚导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan