一种光学劈尖装置

本实用新型属于光学测量技术领域，尤其涉及一种光学劈尖装置。

背景技术：

物质对光的吸收系数是一个十分重要的物理量，它被广泛地应用于基于吸收光谱的物质浓度和温度测量、信号传输与衰减控制、定向能量传输等多个领域。具体来说，当某一波长的光在一均匀物质中传播时，光的强度会由于该物质对光的吸收而随光程长度不断衰减，这种光的吸收服从比尔-朗伯定律(beer-lambert’slaw)：

其中，λ为所述光的波长，l为所述光在该物质中的光程长度，i0和it分别为入射光和出射光的光强，τ(λ)为所述光穿过该物质后的透射率，k(λ)即为该物质针对于所述波长的光的吸收系数。目前绝大多数基于吸收光谱的应用都是针对波长在红外波段的光波，此时k(λ)被称为红外吸收系数。物质的吸收系数的大小取决于该物质的种类、浓度、温度、压强以及被吸收光的波长等多种影响因素。对于气体的红外吸收系数，在气体密度较低的情况下，存在相关的理论公式可以进行较为精确的计算。但对于较稠密的气体，理论计算变得复杂而且准确度降低。对于液体而言，由于液体分子间距较小，分子间相互作用强烈，目前对液体(尤其是复杂组分溶液)的红外吸收系数进行准确的理论计算尚不可行，因此通常需要采用实验的方法进行测定。

傅里叶变换红外光谱仪(ftir)是一种目前最常被用来测定物质红外吸收系数的仪器，但是傅里叶变换红外光谱仪通常只能给出定性的红外吸收系数的变化，而非定量的吸收系数值。如果想利用傅里叶变换红外光谱仪定量测量液体的红外吸收系数，则必须具备一组已知精确光程长度的液体样品池。通过上述的比尔-朗伯定律可以看出，如果想要通过高数据质量(也即不是非常大或是非常小)的光强透射率来准确测量出溶液的红外吸收系数，那么液体池的光程长度就需要与此时的红外吸收系数相互匹配。具体来说，如果此时溶液的红外吸收系数较小，那么液体池的光程长度就需要较大；如果此时溶液的红外吸收系数较大，那么液体池的光程长度就需要较小。当待测溶液在待测红外波长下的红外吸收系数非常强，那么此时甚至需要具备一组微米量级(小于10微米)的已知精确光程长度的液体池，这显然是非常难做到的。因此傅里叶变换红外光谱仪很难满足准确测定溶液的强红外吸收系数的目标。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种光学劈尖装置，对已有技术中测量溶液强红外吸收系数时需要具备一组微米量级(小于10微米)的已知精确光程长度液体池的不足进行改进，以实现仅通过对注有待测溶液的光学劈尖进行红外激光空间扫描的方式便可测量出溶液红外吸收系数的目的，尤其适用于红外吸收系数很强的波段的测量。

本实用新型提出的光学劈尖装置，包括上板、中板、下板、上层玻璃和下层玻璃；所述的上板的一侧开有凹槽，所述的上层玻璃插入上板的凹槽内，所述的下板的与上板的相同侧开有凹槽，所述的下层玻璃插入下板的凹槽内；所述的上板、中板和下板自上而下相互排列，上板与中板之间通过紧固弹簧相互紧固；中板与下板之间通过紧固螺栓相对固定，上板与中板通过三组高精度螺纹副调节上板与中板之间的距离，使上板的上层玻璃与下板的下层玻璃形成劈尖。

本实用新型提出的光学劈尖装置，其优点是：

利用本实用新型的光学劈尖装置，通过对注有待测溶液的光学劈尖进行红外激光空间扫描的方式，来测量出待测溶液的红外吸收系数,尤其适用于红外吸收系数很强的波段的测量。本实用新型克服了传统中利用傅里叶变换红外光谱仪(ftir)测量溶液强红外吸收系数时需要具备一组微米量级(小于10微米)的已知精确光程长度液体池的难点与不足，不必知道红外激光穿过所述光学劈尖中楔形液膜的绝对厚度，进而提高了对溶液强红外吸收系数进行测量的易操作性和准确性。在本实用新型方法的操作过程中，都无需确定该光学劈尖端点的准确位置、该光学劈尖的绝对空间坐标以及该光学劈尖中楔形液膜的绝对厚度大小，本实用新型只需关注该光学劈尖的相对坐标，即可完成对光学劈尖角度的标定和待测溶液红外吸收系数的测量。本实用新型提出的光学劈尖装置为分体式设计，可以方便进行上层玻璃和下层玻璃的填装、调整与清洗，所以可以极大地提高光学劈尖装置在实际使用中的灵活性。

附图说明

图1是本实用新型提出的光学劈尖装置的结构示意图。

图2是图1所示的光学劈尖装置的剖视图。

图3是图1所示的光学劈尖装置的中板的俯视图。

图4是图1所示的光学劈尖装置的下板的结构示意图，其中(a)为下板俯视图，(b)为(a)的a-a剖视图。

图5是利用本实用新型的光学劈尖装置的测试过程角度标定示意图。

图6是本实用新型的光学劈尖装置的测试过程示意图。

图7是本实用新型的光学劈尖装置的测试原理示意图。

图1-图7中，1是上板，2是高精度螺纹副，3是中板，4是下板，5是上层玻璃，6是下层玻璃，7是上板弹簧安装孔，8是紧固螺栓，9是注液槽，10是中板弹簧安装孔，11是紧固弹簧，12是下板螺纹孔，13是可见光激光器，14是可见光激光，15是凹透镜，16是凸透镜，17是反射镜，18是毛玻璃，19是相机，20是红外激光器，21是红外激光，22是反射镜，23是反射镜，24是红外探测器，25是待测溶液。

具体实施方式

本实用新型提出的光学劈尖装置，其结构如图1所示，包括上板1、中板3、下板4、上层玻璃5和下层玻璃6；所述的上板1的一侧开有凹槽，所述的上层玻璃5插入上板1的凹槽内，所述的下板4的与上板1的相同侧开有凹槽，所述的下层玻璃6插入下板4的凹槽内；所述的上板1、中板3和下板4自上而下相互排列，上板1与中板3之间通过紧固弹簧11相互紧固；中板3与下板4之间通过紧固螺栓8相对固定，上板1与中板3通过三组高精度螺纹副2调节上板1与中板3之间的距离，使上板的上层玻璃5与下板的下层玻璃6形成劈尖。

上述光学劈尖装置中，上层玻璃5和下层玻璃6可以采用氟化钙晶体玻璃。中板上的紧固螺栓8用于中板和下板通过螺栓进行连接，下板上的螺纹孔12用于与紧固螺栓8相互配合，从而使中板和下板通过螺栓进行连接。

利用本实用新型提出的光学劈尖装置，测量溶液红外吸收系数的方法，包括以下步骤：

(1)在光学劈尖装置的正上方放置一块毛玻璃18，该毛玻璃18与下层玻璃6相互平行，如图5中所示；

(2)将一束可见光激光经扩束后从下层玻璃6的下方垂直于下层玻璃6入射到光学劈尖装置中；

(3)利用光学劈尖装置上的三组高精度螺纹副2，调节上层玻璃5与下层玻璃6形成的光学劈尖的角度，直至从光学劈尖上观测到沿光学劈尖开口方向平行排列的明暗相间的干涉条纹，利用下式计算得到光学劈尖角度θ：

其中，λ0为可见光激光的波长，i与j为干涉明条纹的标号，xi与xj为干涉明条纹的位置；

在以下的溶液红外吸收系数测量步骤中，保持所述光学劈尖角度θ不变。

(4)向由上层玻璃5与下层玻璃6形成的劈尖中注入待测溶液，本实用新型的一个实施例中，从上板1上加工出的注液槽9注入待测溶液，使得上层玻璃5与下层玻璃6之间形成极薄的楔形溶液薄膜；

(5)在设定波长下测量溶液的红外吸收系数，将一束波长与该设定波长相同的红外激光垂直于下层氟化钙晶体玻璃6入射至步骤(5)的光学劈尖装置，使得红外激光依次穿过光学劈尖装置的上层的氟化钙晶体玻璃5、中间溶液薄膜25以及下层的氟化钙晶体玻璃6；

(6)使得红外激光扫描光学劈尖装置，红外探测器实时接收穿过步骤(6)的光学劈尖装置后的不同位置的红外激光，得到红外激光从不同位置穿过光学劈尖装置后的出射光强，利用下式，计算得到在设定波长下待测溶液的红外吸收系数ks：

其中，m和n分别为红外激光在光学劈尖装置上扫描位置的编号，y′n和y′m分别为红外激光从光学劈尖装置上射出的位置，it,m和it,n分别为红外激光从不同位置穿过光学劈尖装置后的出射光强，θ为光学劈尖角度，下标t表示出射红外激光，ln(·)为自然对数运算符。

以下结合附图，详细介绍本实用新型的内容：

本实用新型提出了如图1、图2所示的一种光学劈尖装置以及利用该光学劈尖装置所实现的测量溶液红外吸收系数的方法，该装置包含上板1、中板3和下板4三个部分。其中光学劈尖的上层玻璃5和下层玻璃6由对待测波段红外光以及可见光不吸收的材料制成，本实用新型的一个实施例中，上层玻璃5和下层玻璃6为氟化钙(caf2)晶体玻璃。上板1的一侧开有凹槽，所述的上层玻璃5插入上板1的凹槽内，并且上板1上有紧固弹簧安装孔7。如图3所示，中板3的结构为“7”字形，中板3上有用于将中板3和下板4通过螺栓进行连接的紧固螺栓8，并且有紧固弹簧安装孔10。如图4所示，下板4的与上板1的相同侧开有凹槽，下层玻璃6插入下板4的凹槽内，并且下板4上有用于和中板3通过螺栓进行连接的螺纹孔12。上板1、中板3和下板4自上而下相互排列，上板1与中板3之间通过紧固弹簧11相互紧固，中板3与下板4之间通过紧固螺栓8相对固定，上板1与中板3通过三组高精度螺纹副2调节上板1与中板3之间的距离，使上板1的上层玻璃5与下板4的下层玻璃6形成光学劈尖，并且该光学劈尖角度可调。同时，上板1上加工有注液槽9，在本实用新型的一个实施例中，从上板1上加工出的所述注液槽9向所述光学劈尖中注入待测溶液，使得上层玻璃5与下层玻璃6之间形成极薄的楔形溶液薄膜25。本实用新型的所述光学劈尖装置的分体式设计可以方便上层玻璃5和下层玻璃6的填装、调整与清洗，可以极大地提高该光学劈尖装置在实际使用中的灵活性。

利用本实用新型的光学劈尖装置测量溶液的红外吸收系数，具体包括如下两个步骤：

第一个步骤是确定光学劈尖装置中劈尖的角度θ：

如图5所示，本实用新型通过一台可见光激光器13发射出一束可见光激光14，本实用新型的一个实施例中，以532nm波长的绿光激光器，并利用凹透镜15和凸透镜16将这束可见光激光14进行扩束，然后通过反射镜17将扩束后的可见光激光从下层玻璃6的下方垂直于下层玻璃6入射到所述光学劈尖装置中。为方便从所述光学劈尖上观测并拍摄到清晰的干涉条纹，该光学劈尖装置的正上方放置有一块毛玻璃18，该毛玻璃18与下层玻璃6相互平行。

本实用新型利用所述光学劈尖装置上的三组高精度螺纹副2，调节上层玻璃5与下层玻璃6所形成的光学劈尖的角度，直至从所述光学劈尖上观测到沿所述光学劈尖开口方向平行排列的明暗相间的干涉条纹。相机19用于将该光学劈尖上的干涉条纹拍摄下来，结合下式可以计算得到光学劈尖角度θ：

其中，λ0为所述可见光激光的波长，i与j为干涉明条纹的标号，xi与xj为干涉明条纹的位置；在接下来的测量环节中，本实用新型通过拧紧三组高精度螺纹副2上的锁定螺母将所述光学劈尖角度θ固定下来。

第二个步骤是测定待测溶液在设定波长下的红外吸收系数ks：

在通过所述测量环节1确定了所述光学劈尖的角度θ之后，本实用新型向由上层玻璃5与下层玻璃6形成的光学劈尖中注入待测溶液，本实用新型的一个实施例中，从上板1上加工出的注液槽9向光学劈尖中注入待测溶液，使得上层玻璃5与下层玻璃6之间形成极薄的楔形溶液薄膜25(厚度一般小于10微米)。

本实用新型在设定波长下测量溶液的红外吸收系数，如图6所示，本实用新型通过一台红外激光器20发射出一束波长与该设定波长相同的红外激光21，并利用反射镜22使所述红外激光21垂直于下层氟化钙晶体玻璃6入射至所述光学劈尖，所述红外激光依次穿过光学劈尖装置的上层的氟化钙晶体玻璃5、中间溶液薄膜25以及下层的氟化钙晶体玻璃6。所以，所述红外激光21穿过光学劈尖装置时的光强损失可以总共分为三个部分：穿过上层玻璃5时的反射损失、穿过下层玻璃6时的反射损失以及穿过所述光学劈尖中楔形溶液薄膜25时的吸收损失。所述红外激光21穿过所述光学劈尖后的出射光强由一台红外探测器24进行实时测量。

如图6所示，使红外激光21扫描所述光学劈尖。如图7所示，为测量环节2中对注有待测溶液25的光学劈尖进行红外激光空间扫描的光路图，红外激光从不同位置穿过所述光学劈尖后的总透射率tm为：

其中，m为所述红外激光21在所述光学劈尖上扫描位置的编号，it,m为红外激光21从不同位置穿过光学劈尖后的出射光强，下标t表示出射红外激光，lm为红外激光21从不同位置穿过所述光学劈尖时所穿过楔形溶液薄膜25的厚度，i0为红外激光21在穿过所述光学劈尖之前的初始光强，tr为红外激光21穿过上层玻璃5或下层玻璃6时的透射率(考虑了红外激光21穿过上层玻璃5或下层玻璃6时的反射损失)，ks为在设定波长下待测溶液的红外吸收系数，exp(·)为以自然常数e为底的指数函数运算符。

红外探测器24实时接收从不同位置穿过所述光学劈尖后的红外激光，得到所述红外激光21从不同位置穿过所述光学劈尖后的出射光强。利用下式，可以计算得到在设定波长下待测溶液的红外吸收系数ks：

其中，m和n分别为所述红外激光21在所述光学劈尖上扫描位置的编号，y′m和y′n分别为所述红外激光21从所述光学劈尖上射出的位置，it,m和it,n分别为所述红外激光21从不同位置穿过所述光学劈尖后的出射光强，下标t表示出射红外激光，θ为所述光学劈尖角度，ln(·)为自然对数运算符。

在本实用新型的一个实施例中，使用的红外探测器由波兰vigo公司生产，产品型号为pvi-4te-4-t08-1*1。

利用本实用新型提出的光学劈尖装置对溶液的红外吸收系数进行测量，尤其适用于对有较强吸收的谱线段的吸收系数的测量。本实用新型可以通过对注有待测溶液的光学劈尖进行红外激光空间扫描的方式，测量出待测溶液的红外吸收系数。

傅里叶变换红外光谱仪(ftir)作为测量溶液红外吸收系数的已有技术，其存在的问题在于，利用傅里叶变换红外光谱仪(ftir)测量溶液的强红外吸收系数时需要具备一组微米量级(小于10微米)的已知精确光程长度的液体池。本实用新型提出的光学劈尖装置可以克服已有技术的上述不足，可以通过简便的操作环节实现对溶液红外吸收系数(尤其是强红外吸收系数)的精确测量。

值得强调的是，不管是在测量环节1中通过分析干涉条纹来确定光学劈尖的角度，还是在测量环节2中通过红外激光的空间扫描来确定待测溶液在设定红外波长下的吸收系数，本实用新型都不需要去确定所述光学劈尖端点的准确位置、所述光学劈尖的绝对空间坐标以及所述红外激光21从不同位置穿过所述光学劈尖时所穿过楔形溶液薄膜25的绝对厚度。本实用新型只需关注所述光学劈尖的相对坐标，可以从任意一个位置开始分析干涉条纹和开始红外激光21的空间扫描，以完成对光学劈尖角度的标定和待测溶液红外吸收系数的测量。这一优点得益于本方法的理论设计，并且可以极大地提高该测量过程的易操作性以及测量结果的准确性。

此外，本实用新型在进行溶液的红外吸收系数测量时，无需知道设定波长下的红外激光在各光学介质(空气、劈尖玻璃、待测溶液)中的折射率或者介面处的反射损失系数。并且在本实用新型的整个实施过程中，都无需测量红外激光21在穿过所述光学劈尖之前的初始光强i0的大小，因为这些物理量均不会影响本实用新型对溶液红外吸收系数的测量结果，这可以进一步提高该测量过程的易操作性以及测量结果的准确性。

同时，本实用新型的光学劈尖装置的分体式设计可以方便上层玻璃5和下层玻璃6的填装、调整与清洗，可以极大地提高该光学劈尖装置在实际使用中的灵活性。

本实用新型可以为溶液的吸收光谱及其应用等多个领域带来帮助，可以很大程度上帮助针对微米量级溶液液膜的厚度、温度、浓度等物理量的红外吸收光谱法测量。