一种利用光纤白光干涉原理实现的高精度液体折射率测量仪及其测量方法
【专利摘要】本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种可广泛应用于科学研究、工业计量和生物医学检测，也可以应用于食品安全领域的利用光纤白光干涉原理实现的高精度液体折射率测量仪及其测量方法。本发明由光源1，光电探测器2，光谱仪3，耦合器，PZT调制器6，光纤端反射镜7，光纤准直器8，液体皿9，扫描动镜10和扫描位移台11构成。解决在一个较宽的光谱范围内，快速的通过一次测量就完成宽谱光源波长范围内对应的每个波长的折射率的问题，不需要待测材料进行样品加工、测量系统调整方便、能够实现液体材料折射率测量。
【专利说明】
-种利用光纤白光干溃原理实现的高精度液体折射率测量仪 及其测量方法
技术领域
[0001 ]本发明属于光纤技术领域，具体设及的是一种可广泛应用于科学研究、工业计量 和生物医学检测，也可W应用于食品安全领域的利用光纤白光干设原理实现的高精度液体 折射率测量仪及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 折射率测量对于各种光学材料的特性和应用十分重要。折射率是反映透明介质材 料光学性质的一个重要参数。在生产和科学研究中往往需要测定一些固体和液体的折射 率。测定透明材料折射率的方法很多，最小偏向角法和全反射法(折射极限法)是比较常用 的两种方法。借助于分光计就可W实现折射率的测量，最小偏向角法具有测量精度高、所测 折射率的大小不受限制等优点。但是，被测材料要制成棱镜，而且对棱镜的技术条件要求 高、不便快速测量。全反射法属于比较测量，虽然测量精度较底、被测折射率的大小受到限 审IJ，对于固体材料，也需要制成试件。阿贝折射仪就是依据运个原理制成的。具有操作方便 迅速、环境条件要求底等优点。
[0003] 但是，无论固体材料和液体材料其折射率也与材料的物性联系紧密。折射率除了 与材料本身的成份有关外，还与材料所处的溫度和波长有关(苑立波，溫度和应变对光纤折 射率的影响，光学学报，17( 12)，1713-1717，1997)。而上述方法所测得的折射率都是针对某 一选定的波长而得到的测量结果。
[0004] 为了解决在一个较宽的光谱范围内，快速的通过一次测量就完成宽谱光源波长范 围内对应的每个波长的折射率的问题，S.H.Him等人采用将固体材料制备成光学平板，借助 于光纤白光干设Mach-Zehnder干设仪实现了宽谱范围固体材料绝对折射率的测量 (S.H.Kim,S.H.Lee,et.al..Absolute refractive index measurement method over a broad wavelength region based on white-light interferometry.Applied Optics,49
[5] ，910-914,2010)。
[0005] 但是，该技术在实施测量过程中，存在需要对待测材料进行样品加工、测量系统调 整不便、不能实现液体材料折射率测量的等问题，为了克服在先技术的不足，本发明给出了 一种基于可调整的光纤白光迈克尔逊干设仪实现透明或半透明液体物质材料绝对折射率 高精度测量的装置并公布了其测试实施方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种具有仪器调整方便、对于各种液体材料可实现一次性 就能完成宽谱范围内材料对应的每一个波长的绝对折射率的测量的利用光纤白光干设原 理实现的高精度液体折射率测量仪。
[0007] 本发明的目的还在于提供一种一种利用光纤白光干设原理实现的高精度液体折 射率测量方法。
[000引本发明的目的是运样实现的：
[0009] -种利用光纤白光干设原理实现的高精度液体折射率测量仪，由光源1，光电探测 器2，光谱仪3，禪合器，PZT调制器6，光纤端反射镜7，光纤准直器8，液体皿9，扫描动镜10和 扫描位移台11构成，光源与第一禪合器4的端口 a相连接;光电探测器与第二禪合器5的端口 b连接;光谱仪与第二禪合器的C端口连接;而第二禪合器的另一端口则与第一禪合器的端 口 d相连;第一禪合器的端口 e与施加微小光程扫描的PZT光纤拉伸器相连，其另一个光纤端 锻有反射镜;第一禪合器的另一端口 f则直接连接了 一个光纤自聚焦透镜准直器8;正对着 光纤自聚焦透镜准直器分别装有可旋转的液体皿和扫描镜10,该扫描镜被固定在一个精密 扫描位移台11的基座上。
[0010] 所述宽谱光源是L邸光源、SLD光源、ASE光源中的一种。
[0011] 所述液体皿是矩形或方形的结构，其材料使用石英玻璃或有机玻璃。
[0012] -种基于高精度液体折射率测量仪实现液体的宽谱范围折射率高精度测量方法， 包括如下步骤：
[0013] 1系统初始化；
[0014] 2采用光程扫描的方法，通过时域白光干设信号，精确调整干设仪两臂，使其处于 两臂光程相等的状态；
[0015] 3采用谱域白光干设方法对空的透明液体皿实施初态转角θι光谱和末态转角02的 干设光谱测量，具体为:将空的液体皿置于测试系统中，使其处于转角θι的位置，调整扫描 镜的初始位置，使其处于两臂光程相等的位置;读取此时光谱仪中干设光谱，记为补偿干设 谱1;转动液体皿，使其从转角θι转倒θ2的位置，读取此时光谱仪中干设光谱，记为补偿干设 谱2;4将所测得的补偿干设谱1和测试干设谱2分别进行数据提取，分别获得液体皿在处于 转角θι和θ2状态下波长与相位的关系曲线，获得两个状态下的相位差；
[0016] 5将盛满待测液体的液体皿至于测试系统中，使其处于转角θι的位置，调整扫描镜 的初始位置，使干设仪两臂光程相等;读取此时光谱仪中的干设光谱，记为样品测试谱1;使 其处于转角θ2的位置，读取此时光谱仪中干设光谱，记为样品测试谱2;
[0017] 6将所测得干设光谱分别进行数据提取，该干设光谱不仅具有待测液体折射率信 息，而且还包含了液体皿自身折射率信息;通过对运两组干设光谱进行分析，可W分别获得 盛有待测液体样品的液体皿在处于转角θι和02状态下波长与相位的关系曲线，从而进一步 获得两个状态下的相位差；
[0018] 7按照光谱相位差分析程序实施分析与计算，剔除液体皿本身相位差的影响，最终 得到待测液体的关于波长的相位差曲线，并进一步解算出关于波长的折射率曲线。
[0019] 本发明的有益效果在于:解决在一个较宽的光谱范围内，快速的通过一次测量就 完成宽谱光源波长范围内对应的每个波长的折射率的问题，不需要待测材料进行样品加 工、测量系统调整方便、能够实现液体材料折射率测量。
【附图说明】
[0020] 图1是利用光纤白光干设原理实现高精度液体折射率测量仪的结构示意图。
[0021] 图2是借助于高精度液体折射率测量仪实现液体的宽谱范围折射率高精度测量的 方法与流程框图。
[0022] 图3是光束通过盛有待测液体的液体皿时，对应的实际光程示意图。
[0023] 图4是光束通过空的液体皿时，对应的实际光程示意图。等效于折射率为"Γ的特 殊液体。
[0024] 图5是来自同一宽谱光源，分束后通过干设仪的两束光进行干设后得到的干设光 谱。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图给出的实施例对本发明做更详细地描述：
[0026] 本发明克服了在先技术的缺点和不足，构造了一种利用光纤白光干设原理实现的 高精度液体折射率测量仪。该技术的主要特征在于:该测量仪是由光源1，光电探测器2,光 谱仪3，禪合器4、5，PZT调制器6，光纤端反射镜7，光纤准直器8，液体皿9，扫描动镜10和扫描 位移台11等部件构成，如图1所示。
[0027] 对于透明液体折射率则可W通过将液体倒入一个长方形的透明玻璃皿9中，然后 通过该高精度液体折射率测量仪测得相应材料的折射率。我们知道，折射率对波长有一定 的依索负关系（G.Ghosh,M.Endo,and Τ . Iwasaki , Temperature-dependent Sellmeier coefficients and chromatic dispersions for some optical fiber glasses, J丄i曲twave Technol. 12，1338-1342(1994))，为了获得更为准确的绝对折射率，图1给出 了一种基于宽谱光源的光纤Michelson干设测量装置。
[0028] 该测量系统由光源1与禪合器4的端口 a相连接;光电探测器2与禪合器5的端口 b连 接;光谱仪与禪合器5的C端口连接;而禪合器5的另一端口则与禪合器4的端口 d相连;禪合 器4的端口 e与施加微小光程扫描的PZT光纤拉伸器6相连，其另一个光纤端锻有反射镜7;禪 合器4的另一端口 f则直接连接了 一个光纤自聚焦透镜准直器8，正对着光纤准直器8，分别 装有可旋转的液体皿9和可施加较大范围调整的扫描镜10,该扫描镜被固定在一个精密扫 描位移台11的基座上，构成了一个高精度液体折射率测量仪。
[0029] -种基于高精度液体折射率测量仪实现液体的宽谱范围折射率高精度测量的方 法，该方法是由（1)系统初始化；（2)采用光程扫描的方法，通过时域白光干设信号，精确调 整干设仪两臂，使其处于两臂光程相等的状态；（3)采用谱域白光干设方法对空的透明液体 皿实施初态转角θι光谱和末态转角02的干设光谱测量，具体为:将空的液体皿置于测试系统 中，使其处于转角θι的位置，调整扫描镜的初始位置，使其处于两臂光程相等的位置。读取 此时光谱仪中干设光谱，记为补偿干设谱1;转动液体皿，使其从转角9i转倒92的位置，读取 此时光谱仪中干设光谱，记为补偿干设谱2; (4)将所测得的补偿干设谱1和测试干设谱2分 别进行数据提取，分别获得液体皿在处于转角01和02状态下波长与相位的关系曲线，获得两 个状态下的相位差；（5)将盛满待测液体的液体皿至于测试系统中，使其处于转角θι的位 置，调整扫描镜的初始位置，使干设仪两臂光程相等。读取此时光谱仪中的干设光谱，记为 样品测试谱1;使其处于转角θ2的位置，读取此时光谱仪中干设光谱，记为样品测试谱2; (6) 将所测得干设光谱分别进行数据提取，该干设光谱不仅具有待测液体折射率信息，而且还 包含了液体皿自身折射率信息。通过对运两组干设光谱进行分析，可W分别获得盛有待测 液体样品的液体皿在处于转角θι和02状态下波长与相位的关系曲线，从而进一步获得两个 状态下的相位差；（7)按照光谱相位差分析程序实施分析与计算，剔除液体皿本身相位差的 影响，最终得到待测液体的关于波长的相位差曲线，并进一步解算出关于波长的折射率曲 线。其测试流程如图2所示。
[0030] 为了更好地理解该测量方法，我们下面给出详细的解释与说明。测量样品被置于 光纤Michelson干设仪的测量臂，调整参考臂使得两臂大致相等。于是在干设仪的出射端， 借助于光谱分析仪，就给出了被测试样品调制了的干设光谱。为了使测量系统的对比度较 高，试验系统中通过调节偏振控制器，可W使测量信号得到进一步改善。由于待测样品中的 绝对折射率信息包含在干设光谱中，因此，使样品分别处于θι和θ2状态，则可W分别获得两 个相位分布不同的干设光谱，通过对光谱进行分析，即可通过相移的计算来得到材料的绝 对折射率值。
[0031] 假设两光波电场幅值比为α且其中一个光波电场的幅值为Εο其干设光谱强度分布 为
[0032]
(1)
[0033] 式中Εα和Εβ分别为穿过参考光路和待测样品光路的光波电场。Δ Φ (λ)为两光场的 相位差。该相位差是由波长为λ的光波通过液体皿和待测液体时的光程由于旋转所导致的， 因而该光程差中包含有待测折射率的信息。我们就是通过对运个相位差的测量来实现液体 折射率测量的。
[0034] 首先来计算光程，如图3所示，当液体皿处于转角为Θ的状态下，光束通过放入盛有 液体的液体皿所在的样品臂的光程为：
[0035] sa，目）=η〇(λ)α-20(目）-Μ(目））+2ηι(λΜ'+η(λ)πι' (2)
[0036] 式中L表示为准直镜和反射镜之间的空间距离，D和Μ分别表示光束经过液体皿的 一壁和待测液体的实际光程对应的自由空间距离，cT和心分别表示光束经过液体皿和待测 液体的实际光程，η日(λ)表不波长为λ的光波在空气中的折射率，ni (λ)和η (λ)分别表不液体 皿固体材料和待测液体在波长为λ时的折射率。因为液体皿相对的两内壁是平行的，液体为 折射率均匀的介质，由几何关系可W看出，光束穿过盛有待测的液体皿时，经过液体皿两壁 的光束是平行的，则可W将液体皿的两壁等效成一个厚度为2倍液体皿壁厚的透明材料进 行计算，因此，借助于Sne 1Γ S定律，我们有
[0039] 其中，β为光束入射液体皿表面后的折射角，丫为光束进入待测液体的折射角，
[0040] 由图3,我们得到
[0041 ]
(5)
[004引当待测样品旋转角度从θι转到θ2时，光程将会发生变化，于是由依赖于相位变化的 光程变化导致干设条纹图将会发生移动。
[0049]光程变化量由下式给出
[(Κ)加 ]
[0051 ] 上式中液体皿的几何长度物理量d和m是已知得。
[0052]为了测得待测液体的折射率，首先，对空的液体皿进行测量，可W等效为液体皿中 装有折射率为η〇(λ) = 1的"液体"，如图4所示。令待测样品的转角分别处于θι和θ2时，由光谱 仪可W获得相对应的干设光谱，如图5所示。通过光谱可W则量光的相位为Φ谢Ψι，于是由 式(10)所给出的光程差导致的相位差可表示为
[0化3]
[0054] 然后，在液体皿中注入待测液体后分别旋转同样的角度θι和θ2进行测量，根据公式 (11)得到所给光程差导致的相位差为
[0060] 于是依据式（13)和（14)，待测液体样品的折射率可W通过W波长为函数的相位差 的测量而获得。对于处于不同角度的样品而言，可W分别得到类似于图5所示的不同的干设 光谱，通过两次光谱的比较和计算就可W获得不同波长所对应的相位差，通过式（14)和 (13)就能获得对应于各个波长的折射率。
[0061] 按照本发明技术专利的思想，该光纤白光干设高精度液体折射率测量仪中所采用 的宽谱光源可W是Lm)光源、SLD光源、ASE光源中的一种，也可W是任何其它类型的宽谱光 源。
[0062] 此外，不违背本发明专利的精神，在本专利所述的光纤白光干设高精度液体折射 率测量仪中，所采用的液体皿可W是矩形结构，也可W是方形的结构，其材料可使用石英玻 璃、有机玻璃，也可W是其他透明固体材料。
[0063] 图2是给出了借助于高精度液体折射率测量仪实现液体的宽谱范围折射率高精度 测量的方法，具体实施的测量过程是：
[0064] (1)系统初始化；
[0065] (2)采用光程扫描的方法，通过时域白光干设信号，精确调整干设仪两臂，使其处 于两臂光程相等的状态；
[0066] (3)采用谱域白光干设方法对空的透明液体皿实施初态转角Θ1光谱和末态转角02 的干设光谱测量，具体为:将空的液体皿置于测试系统中，使其处于转角θι的位置，调整扫 描镜的初始位置，使其处于两臂光程相等的位置。读取此时光谱仪中干设光谱，记为补偿干 设谱1;转动液体皿，使其从转角转倒92的位置，读取此时光谱仪中干设光谱，记为补偿干 设谱2;
[0067] (4)将所测得的补偿干设谱1和测试干设谱2分别进行数据提取，分别获得液体皿 在处于转角θι和02状态下波长与相位的关系曲线，获得两个状态下的相位差；
[0068] (5)将盛满待测液体的液体皿至于测试系统中，使其处于转角θι的位置，调整扫描 镜的初始位置，使干设仪两臂光程相等。读取此时光谱仪中的干设光谱，记为样品测试谱1; 使其处于转角θ2的位置，读取此时光谱仪中干设光谱，记为样品测试谱2;
[0069] (6)将所测得干设光谱分别进行数据提取，该干设光谱不仅具有待测液体折射率 信息，而且还包含了液体皿自身折射率信息。通过对运两组干设光谱进行分析，可W分别获 得盛有待测液体样品的液体皿在处于转角θ?和θ2状态下波长与相位的关系曲线，从而进一 步获得两个状态下的相位差；
[0070] (7)按照光谱相位差分析程序实施分析与计算，剔除液体皿本身相位差的影响，最 终得到待测液体的关于波长的相位差曲线，并进一步解算出关于波长的折射率曲线。其测 试流程如图2所示。
[0071] 本发明公布了一种利用光纤白光干设原理实现的高精度液体折射率测量仪及其 实现液体的宽谱范围折射率高精度测量的方法。该技术的主要在于：（一)一种高精度液体 折射率测量仪，该测量仪是由光源1，光电探测器2,光谱仪3,禪合器4、5，ΡΖΤ调制器6,光纤 端反射镜7，光纤准直器8，液体皿9，扫描动镜10和扫描位移台11等部件构成。（二)一种基于 高精度液体折射率测量仪实现液体的宽谱范围折射率高精度测量的方法，该方法是由（1) 初始光程调整；（2)对空的透明液体皿实施转角θι初始光谱和转角θ2的测量光谱的测试；（3) 对盛放有待测液体的液体皿实施转角θι初始光谱和转角θ2的测量光谱的测试；（4)按照光谱 相位差分析程序实施计算；（5)测量结果显示等步骤组成。该液体测量仪可广泛应用于科学 研究、工业计量和生物医学检测，也可W应用于食品安全领域，例如:各种酒、食用油和液体 饮品等的检测。
【主权项】
1. 一种利用光纤白光干涉原理实现的高精度液体折射率测量仪，由光源（1)，光电探测 器(2)，光谱仪(3)，耦合器，PZT调制器(6)，光纤端反射镜（7)，光纤准直器(8)，液体皿(9)， 扫描动镜（10)和扫描位移台（11)构成，其特征在于:光源与第一親合器(4)的端口 a相连接； 光电探测器与第二耦合器(5)的端口 b连接;光谱仪与第二耦合器的c端口连接;而第二耦合 器的另一端口则与第一親合器的端口 d相连;第一親合器的端口 e与施加微小光程扫描的 PZT光纤拉伸器相连，其另一个光纤端镀有反射镜;第一耦合器的另一端口 f则直接连接了 一个光纤自聚焦透镜准直器(8);正对着光纤自聚焦透镜准直器分别装有可旋转的液体皿 和扫描镜(10)，该扫描镜被固定在一个精密扫描位移台（11)的基座上。2. 根据权利要求1所述的一种利用光纤白光干涉原理实现的高精度液体折射率测量 仪，其特征在于:所述宽谱光源是LED光源、SLD光源、ASE光源中的一种。3. 根据权利要求1所述的一种利用光纤白光干涉原理实现的高精度液体折射率测量 仪，其特征在于:所述液体皿是矩形或方形的结构，其材料使用石英玻璃或有机玻璃。4. 一种基于高精度液体折射率测量仪实现液体的宽谱范围折射率高精度测量方法，其 特征在于:括如下步骤： (1) 系统初始化； (2) 采用光程扫描的方法，通过时域白光干涉信号，精确调整干涉仪两臂，使其处于两 臂光程相等的状态； (3) 采用谱域白光干涉方法对空的透明液体皿实施初态转角Θ:光谱和末态转角θ2的干 涉光谱测量，具体为:将空的液体皿置于测试系统中，使其处于转角9:的位置，调整扫描镜 的初始位置，使其处于两臂光程相等的位置;读取此时光谱仪中干涉光谱，记为补偿干涉谱 1;转动液体皿，使其从转角θι转倒的位置，读取此时光谱仪中干涉光谱，记为补偿干涉谱 2; (4)将所测得的补偿干涉谱1和测试干涉谱2分别进行数据提取，分别获得液体皿在处于 转角Θ#ΡΘ2*态下波长与相位的关系曲线，获得两个状态下的相位差； (5) 将盛满待测液体的液体皿至于测试系统中，使其处于转角0:的位置，调整扫描镜的 初始位置，使干涉仪两臂光程相等;读取此时光谱仪中的干涉光谱，记为样品测试谱1;使其 处于转角9 2的位置，读取此时光谱仪中干涉光谱，记为样品测试谱2; (6) 将所测得干涉光谱分别进行数据提取，该干涉光谱不仅具有待测液体折射率信息， 而且还包含了液体皿自身折射率信息；通过对这两组干涉光谱进行分析，可以分别获得盛 有待测液体样品的液体皿在处于转角9 1和02状态下波长与相位的关系曲线，从而进一步获 得两个状态下的相位差； (7) 按照光谱相位差分析程序实施分析与计算，剔除液体皿本身相位差的影响，最终得 到待测液体的关于波长的相位差曲线，并进一步解算出关于波长的折射率曲线。
【文档编号】G01N21/45GK105823757SQ201610136779
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月10日
【发明人】苑勇贵, 张晓彤, 杨军, 苑立波
【申请人】哈尔滨工程大学