CN102798611B - 利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，包括步骤：1）在预先给定频率范围的电磁波内确定待测介质折射率的实部，并把该待测介质定义为光疏介质；2）寻找折射率已知并且折射率实部大于待测介质的光密介质，并把光密介质和待测介质构成全反射系统；3）用预先给定频率范围的电磁波从光密介质向待测介质入射，并调节入射角度，使电磁波在光密介质和待测介质的界面处发生全反射，并在待测介质内部产生倏逝波；4）调节上述入射电磁波的功率，使之产生很小的脉冲，同时测量倏逝波的辐照度对该脉冲的响应时间；根据该脉冲响应时间来计算待测介质折射率的虚部。该测量方法不仅能无损反复进行，还可实现超高精度的测量。

Description

利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法

技术领域

本发明涉及一种利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，特别涉及利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量稀薄气体的弱损耗的方法。

背景技术

设某一介质的折射率为n＝n′+n″，其中n′和n″分别为介质折射率的实部和虚部，我们的目标是测量n′和n″。

我们已经知道，对传输波而言，n′和n″分别决定了传输波波矢的实部和虚部，所以当传输波在介质中传播一段距离后，n′和n″则分别决定了传输波的相位变化和振幅的变化。由于相位变化是比较明显且容易通过干涉仪等仪器进行精确测量，所以许多测量n′的方法都是利用传输波进行的。但是，当介质的吸收很微弱，即n″很微小时，传输波振幅的变化也将非常微小，所以利用传输波测量n″存在很大困难，甚至不可能精确测量。所以我们需要新的方法来测量n″。

跟传输波不同，倏逝波对n″是很敏感的。在弱损耗的待测介质中(即n″＜＜1)，对倏逝波而言，n″和能量的传播速度v成正比，即v∝n″；因此，当电磁波能量以倏逝波的形式传播时，传播一段距离L所需的时间为τ即为倏逝波辐照度的脉冲响应时间。显然，倏逝波辐照度的脉冲响应时间τ跟n″成反比，也就是说，n″决定了倏逝波辐照度的脉冲响应时间。因此，我们可以通过测量倏逝波辐照度的脉冲响应时间来获得n″的值；而在一般情况下，该响应时间是可以比较方便的测量的，比如我们可以采用光学多道分析仪、辐照度光谱仪等辐照度测量装置测量该响应时间。这就是我们通过测量倏逝波辐照度的脉冲响应时间来测量介质损耗的基本思想。

此处特别强调，我们提供的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法不同于以往的方法，比如文献(C.Carniglia and L.Mandel，J.Opt.Soc.Am.61，1035(1971).)中所述的方法。在以往的利用倏逝波进行探测的方法中，其系统至少有两个界面，而倏逝波正处于这两个界面之间。事实上，在这样的系统中，即使没有介质的损耗，由于隧穿效应，倏逝波仍然具有脉冲的响应。而在我们提供的方法中，待测介质和光密介质是“单界面”的，倏逝波辐照度的脉冲响应时间由介质损耗决定。故两者有本质不同。

发明内容

本发明涉及一种利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法用于实现无损反复地、超高精度的测量。

为了达到上述目的及其他目的，本发明采用如下技术方案：一种利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，包括步骤：

1)在预先给定频率范围的电磁波内确定待测介质折射率的实部，并把该待测介质定义为光疏介质；

2)寻找一个折射率已知并且折射率实部大于待测介质的折射率实部的光密介质，并把光密介质和待测介质的位置排列构成“光密介质-光疏介质”全反射系统；

3)用预先给定频率范围的电磁波从光密介质向待测介质入射，并调节入射角度，使电磁波在光密介质和待测介质的界面处发生全反射，并在待测介质内部产生倏逝波；

4)调节上述入射电磁波的功率，使之产生一个很小的脉冲，同时测量倏逝波的辐照度对该脉冲的响应时间；根据倏逝波辐照度的脉冲响应时间来计算待测介质折射率的虚部，即获得介质损耗。

优选地，所述步骤4)计算待测介质折射率虚部n₂″的表达式为：

其中，τ为倏逝波辐照度对所述脉冲的响应时间，L为在待测介质中测量点到“光密介质-光疏介质界面”的距离，c为真空中的光速，n₁和n′₂分别为光密介质和待测介质的折射率实部，θ为电磁波的入射角度。

优选地，所述电磁波的入射角度θ满足全反射条件：θ＞arcsin(n′₂/n₁)，其中，n₁和n′₂分别为光密介质和待测介质的折射率实部。

优选地，所述待测介质为无色散介质或色散介质。

优选地，所述待测介质具有弱损耗的介质。

优选地，所述具有弱损耗的介质包括为气体、液体或胶体中的一种。

优选地，所述预先给定频率范围的电磁波包括可见光、红外光及微波中的一种。

优选地，所述步骤4)中所述辐照度测量装置包括但不限于光学多道分析仪或者辐照度光谱仪。

综上所述，本发明的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法根据电磁倏逝波对介质损耗的高敏感性，通过测量在待测介质中的倏逝波辐照度的脉冲响应时间，可以精确测量介质的损耗。

附图说明

图1为本发明的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法的操作流程示意图。

图2为本发明的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法测量介质损耗的实验模型示意图。

图3a-b为本发明的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法中，在弱损耗待测介质中不同位置倏逝波辐照度的脉冲响应时间的示意图。

图4a-4c为本发明的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法测量两种典型气体(色散介质)的弱损耗的示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法至少包括以下步骤：

首先，在预先设定的频率范围内确定待测介质折射率的实部n′₂，并把该待测介质定义为光疏介质。我们需要测量的是该待测介质的折射率虚部n″₂。若待测介质是色散介质，那么n′₂和n″₂是跟电磁波的频率有关的。通常，预先设定的电磁波频率范围可以是可见光、红外光或微波等。

接着，寻找一个光密介质(该介质的折射率n₁为已知，并大于待测介质的折射率实部n′₂)，并把光密介质和待测介质按特定的位置排列，构成“光密介质-光疏介质”全反射系统。如图2所示。

然后，用预先设定的调节光密介质中电磁波的入射角度θ，使之在光密介质和待测介质的边界处发生全反射，从而在待测介质内部产生倏逝波。发生全反射时，由于待测介质有损耗，所以倏逝波在垂直于界面的方向上可以传播能量，其能量的传播速度为：

其中，c为真空中的光速。那么，在待测介质中距离界面L处，当入射电磁波的辐射功率有一个小的改变，即在原来单色电磁波辐射功率的基础上叠加了一个小脉冲(该脉冲很小，几乎不改变入射电磁波的功率频谱)，倏逝波的辐照度对该脉冲的响应时间为τ，它满足：

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{v_z}=\frac{L}{{n_2}^{\′\′}}\frac{{\left(n_1\sin \mathrm{\θ}\right)}^2\sqrt{{\left(n_1\sin \mathrm{\θ}\right)}^2-{n_2}^{\′2}}}{c}---\left(1\right)$

那么，对不同的距离L，待测介质中倏逝波的辐照度有不同的脉冲响应时间，如图3所示。其中，图3(a)为入射电磁波的辐照度随时间的关系，它可以由一个单色平面波叠加上一个小脉冲构成；图3(b)所示不同L处(L分别等于d₁，d₂和d₃，其中d₁＜d₂＜d₃)倏逝波的辐照度随时间的变化，它表示了倏逝波的辐照度对脉冲的响应时间。

最后，在某个给定的测量点，在待测介质中测量点到“光密介质-光疏介质界面”的距离L处，通过测量倏逝波辐照度的脉冲响应时间τ，我们可以由(1)式求得n″₂，它满足：其中，τ为倏逝波辐照度对所述脉冲的响应时间，L为在待测介质中测量点到“光密介质-光疏介质界面”的距离，c为真空中的光速，n₁和n′₂分别为光密介质和待测介质的折射率实部，θ为电磁波的入射角度。

这样，我们通过采用包括但不限于光学多道分析仪、辐照度光谱仪等光谱辐照度测量装置测量倏逝波辐照度的脉冲响应时间，获得了待测介质的折射率虚部的值。采用光学多道分析仪、辐照度光谱仪等光谱辐照度测量装置测量倏逝波辐照度的脉冲响应时间为本领域公知常识，在此不再赘述。

最后，改变入射电磁波的频率，重复上述操作步骤，可以求得不同频率下，待测介质折射率虚部的值。作为例子，两种气体介质折射率虚部和频率的关系如图4所示，其中，图4(a)为待测介质折射率实部随频率变化的关系，图4(b)为倏逝波相位变化随频率变化的关系，图4(c)为待测介质的折射率虚部跟频率的关系。

综上所述，本发明的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，通过一个已知的光密介质和待测介质按特定的位置排列，构成“光密介质-光疏介质”全反射系统，并测量待测介质内部倏逝波辐照度的脉冲响应时间，实现介质损耗(折射率虚部)的测量。此调控方法的优点包括：(1)该测量方法可以方便的进行调整和反复的调整；(2)能对不同频率下色散介质的折射率虚部进行测量，而不必重新更改测量系统的实验结构；(3)由于倏逝波辐照度的脉冲响应时间对介质损耗很敏感，同时对电磁波的脉冲响应时间测量比较方便和精确，所以本发明的测量方法能具有高精确性。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，其特征在于，包括步骤：

1）在预先给定频率范围的电磁波内确定待测介质折射率的实部，并把该待测介质定义为光疏介质；

2）寻找一个折射率已知并且折射率实部大于待测介质的折射率实部的光密介质，并把光密介质和待测介质的位置排列构成“光密介质-光疏介质”全反射系统；

3）用预先给定频率范围的电磁波从光密介质向待测介质入射，并调节入射角度，使电磁波在光密介质和待测介质的界面处发生全反射，并在待测介质内部产生倏逝波；

4）调节上述入射电磁波的功率，使之产生一个很小的脉冲，同时采用辐照度测量装置测量倏逝波的辐照度对该脉冲的响应时间；根据倏逝波辐照度的脉冲响应时间来计算待测介质折射率的虚部，即获得介质损耗；

所述步骤4）计算待测介质折射率虚部n₂''的表达式为：

$n_2\′\′=\frac{L}{\mathrm{\τ}}\frac{{\left(n_1\sin \mathrm{\θ}\right)}^2\sqrt{{\left(n_1\sin \mathrm{\θ}\right)}^2-{n_2}^{\′2}}}{c},$ 其中，τ为倏逝波辐照度对所述脉冲的响应时间，L为在待测介质中测量点到“光密介质-光疏介质界面”的距离，c为真空中的光速，n₁和n'₂分别为光密介质和待测介质的折射率实部，θ为电磁波的入射角度。

2.如权利要求1所述的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，其特征在于：所述电磁波的入射角度θ满足全反射条件：θ>arcsin(n'₂/n₁)，其中，n₁和n'₂分别为光密介质和待测介质的折射率实部。

3.如权利要求1所述的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，其特征在于：所述待测介质为无色散介质或色散介质。

4.如权利要求1所述的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，其特征在于：所述待测介质具有弱损耗的介质。

5.如权利要求4所述的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，其特征在于：所述具有弱损耗的介质包括为气体、液体或胶体中的一种。

6.如权利要求1所述的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，其特征在于：所述预先给定频率范围的电磁波包括可见光、红外光及微波中的一种。

7.如权利要求1所述的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，其特征在于：所述步骤4）中所述辐照度测量装置包括但不限于光学多道分析仪或者辐照度光谱仪。