CN103983610B - 基于光谱干涉的微量液体折射率测量装置和测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学材料测量技术领域，具体为一种基于光谱干涉的微量液体折射率测量装置和测量方法。本发明测量装置包括：一低相干度光源、Michelson 干涉系统,二维样品台，容积可调样品池、聚焦透镜、耦合光纤、光谱仪和计算机；测量时,先将样品池容积(面积和厚度)调至适当,测量参考臂和样品臂的干涉光谱,得出空样品池的厚度；然后再将微量待测液体滴入样品池隙口,并使光束垂直入射样品池表面,测量干涉光谱,并得到对光谱进行Fourier变换，可得到待测量液体样品的群折射率。本发明测量装置结构简单，测量方法操作简便，测量精度高。

Description

基于光谱干涉的微量液体折射率测量装置和测量方法
技术领域
本发明属于光学材料测量技术领域，具体涉及一种微量液体材料的折射率测量装置和方法。
背景技术
液体材料的折射率是一个重要的参数, 如对水中的糖浓度准确测量,就可以通过对其折射率的测量来实现。这方面的研究, 也有一些方法提出, 如阿贝折射仪。虽然, 阿贝折射仪的测量界面只有0.1到0.15mm的厚度, 由于测量面积较大, 通常有1cm2, 因此要完成测量,阿贝折射仪所需要用的待测液体的量还是偏多。为此, 我们通过设计可调容积样品池, 可以把测量用量进一步减少。同时, 采用光谱干涉测量法, 系统可小型化, 并且测量速度快。
发明内容
本发明的目的在于提供一种只需微量样品即可进行液体折射率测量装置和方法。
本发明提供的测量液体折射率的方法和装置，是基于光谱干涉法。
本发明提供的测量装置，包括一低相干度光源1，Michelson 干涉系统，三维样品台4，厚度和大小可调样品池前后腔片5和６，聚焦透镜7，耦合光纤8，光谱仪9，计算机10；Michelson 干涉系统由非偏振分光棱镜2、参考臂反射镜3和样品池组成；其中，低相干度光源1、非偏振分光棱镜2、 参考臂反射镜3、聚焦透镜7分别固定在工作台面上, 相对独立；三维样品台4、耦合光纤8直接与光谱仪9连接，光谱仪9与计算机10通过数据总线连接以进行数据传输。
本发明中，样品池可以调节到很薄的厚度(几十个微米), 因而该测量装置只需要微量样品即可完成测量。
本发明中，所述低相干度光源1可以采用白光LED，或采用可见及近红外宽带激光二极管(LD)。
本发明中，所述样品池容积(厚度和大小) 均可调，样品池由两块透明固体材料构成， 两块腔片分别固定于三维调节座上，后一块可沿光束轴向前后移动以控制样品池厚度。与此同时，腔体由两腔片的相对重合面积决定，相对重合面可调。
本发明中，所述样品池的前后腔片材料，其内表面可以不镀膜，或镀反射率小于50%的增反膜。
本发明中，所述样品池的材料, 其折射率可选1.4-1.7的固体透明材料, 如玻璃或晶体材料。
本发明中，所述聚焦透镜7 可以采用消色差透镜。
本发明中，所述耦合光纤8可以采用单模光纤。
本发明中，所述光谱仪9可采用可见-近红外波段光谱测量仪。
本发明提出的测量光学材料厚度和折射率的方法，具体步骤为：
先将样品池容积调至适当大小(如厚度30微米, 重合面积5×5mm2)，使光束垂直入射样品池前后表面，测量参考臂和样品臂的干涉光谱，得出空样品池的厚度(光程) Δ1。然后再将微量待测液体滴入样品池隙口，使液体由虹吸进入池内。测量干涉光谱，对光谱进行Fourier变换，可得到样品池加入待测量液体后的光程Δ2 。设空气的折射率为1.0。则待测量液体样品的群折射率 ng=Δ2/Δ1。
本发明优点：
1、测量速度快: 本发明基于频域光谱测量系统, 测量中不需要机械扫描,因而测量速度快。
2. 样品池容积可调：池腔厚度和面积均可调，可以有效控制样品用量在500微克以下。
3. 系统简单, 系统只有参考臂有反射镜, 没有样品臂的反射镜。
4. 易进行波段拓展。本发明光源可采用不同波段的LED或半导体激光器, 因而可以进行不同波段的参数测量。
附图说明
图1为测量装置图示。
图中标号：1为低相干度光源， 2为非偏振分光棱镜，3为参考臂反射镜， 4为三维样品台，5为样品池前腔片，6为样品池后腔片，7为聚焦透镜，8为耦合光纤，9为光谱仪，10为计算机。
图2 为可调样品池示意图。其中， (a) 侧视图, (b)正视图。
图3为空池时两臂的干涉光谱及其Fourier变换图。
图4为加入样品两臂的干涉光谱及其Fourier变换图。
图5为样品池加入待测样品前后的光程对比。
具体实施方式
下面以去离子水为样品测量其折射率。
光源为一半导体GaAs激光器, 工作于亚阈值下, 在可见光633-688nm波段。
样品池由两片镀有ITO 的玻璃构成, ITO表面反射率约为5%。
测量前先调节两ITO 玻璃, 使其表面重合面积约5×5mm2, 且使之垂直于入射光束, 测量两臂的干涉光谱如图3(a)所示；从干涉谱的Fourier变换图3(b)中, Δ1=34.4±0.3 μm。
然后, 用注射器抽取少量去离子水, 推出一滴, 附在样品池的隙口处,让水自动渗入池内。注意液膜面积应大于光斑面积。此时, 测量两臂的干涉光谱, 并作Fourier变换, 如图4所示。
图5为将图3(b) 和图4(b)放在一张图内的样品加入池内前后的光程变化对比。
从图4(b)中读出此时样品池的光程 Δ2=45.7±0.8μm。
于是, 样品的折射率即为: ng=Δ2/Δ1 =1.3305。
上述结果采用空气折射率为1.0的假设。另外,上述折射率结果是群折射率结果, 即为峰值为658nm 带宽为10nm 的光波的平均折射率。
上述结果与水的折射率1.3325的相对误差为0.001。可见本发明的方法是可行的。
测量中, 光束直径约2mm， 以30μm池厚而言, 体积为V=5×5mm2×30μm=750×10-6cm3， 以水的比重取1.0g/ cm3 计算, 可得所需要样品的量约为:750微克。
测量中所需的池腔面积还可以近一步缩小, 实际样品用量可小于500微克。

Claims (8)

1. 一种基于光谱干涉的微量液体折射率测量装置，其特征在于：包括一低相干度光源(1)，Michelson 干涉系统，三维样品台(4)，容积可调样品池前后腔片(5)和(6)，聚焦透镜(7)，耦合光纤(8)，光谱仪(9)，计算机(10)；Michelson 干涉系统由非偏振分光棱镜(2)、参考臂反射镜(3)组成；其中，低相干度光源(1)、非偏振分光棱镜(2)、 参考臂反射镜(3)， 聚焦透镜(7)分别固定在工作台面上, 相对独立；三维样品台(4)、耦合光纤(8)直接与光谱仪(9)连接，光谱仪(9)与计算机(10)通过数据总线连接以进行数据传输；构成样品池的两块腔片分别固定于三维调节座上，后一块可沿光束轴向前后移动以控制样品池厚度；与此同时， 腔体由两腔片的相对重合面积决定。
2. 根据权利要求1所述的基于光谱干涉的微量液体折射率测量装置，其特征在于：所述低相干度光源(1)为白光LED，或为可见及近红外宽带激光二极管。
3. 根据权利要求1所述的基于光谱干涉的微量液体折射率测量装置，其特征在于：样品池内表面不镀膜，或镀反射率小于50%的增反膜。
4. 根据权利要求1 或3 所述的基于光谱干涉的微量液体折射率测量装置，其特征在于：构成样品池的材料选用折射率为1.4-1.7的固体透明材料。
5. 根据权利要求1所述的基于光谱干涉的微量液体折射率测量装置，其特征在于：所述聚焦透镜(7)为消色差透镜。
6. 根据权利要求1所述的基于光谱干涉的微量液体折射率测量装置，其特征在于：所述耦合光纤(8)为单模光纤。
7. 根据权利要求1所述的基于光谱干涉的微量液体折射率测量装置，其特征在于：所述光谱仪(9) 为可见-近红外波段光谱测量仪。
8. 一种基于权利要求1所述的测量装置的微量液体折射率测量方法，其特征在于具体步骤为：
测量时, 先将样品池容积调至适当值，使光束垂直入射样品池前后表面，测量参考臂和样品臂的干涉光谱；得出空样品池的厚度即光程 Δ1；然后再将微量待测液体滴入样品池隙口，使液体由虹吸进入池内；测量干涉光谱，对光谱的Fourier变换，得到样品池加入待测量液体后的光程Δ2；设空气的折射率为1.0，则待测量液体样品的群折射率 ng=Δ2/Δ1。
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