CN104359843A - 一种基于Airy光束的水质分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Airy光束的水质分析装置，基于Airy光束弯曲传播特性能够实现光束发射端和接收端均在设置待测区域一侧，即可以设置在光学通光一侧，便于实现探头原位检测和探头式结构，具有原位检测、探头式结构、结构简单、易于实现、机械定位要求低、水质信息丰富、使用灵活、功能易于扩充等特点。

Description

一种基于Airy光束的水质分析装置

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种光电检测装置，特别是一种基于Airy光束的水质分析装置，主要用于环境检测、生态监控、食品安全、质量控制、生化分析、生命科学、医学医药、节能减排、过程控制、风险评估等领域中的水质检测。

背景技术

水质检测广泛存在于环境检测、生态监控、食品安全、质量控制、生化分析、生命科学、医学医药、节能减排、过程控制、风险评估等领域，检测参数包括浊度、悬浮物、化学需氧量、生物需氧量、硝酸盐、硫化氢等。每个参数都有其特定的定义和应用，例如，由于流体中含有悬浮物或胶体状微粒使原来透明的流体产生浑浊现象，其浑浊的程度为浊度；水中的硫化氢检测存在于水产养殖水质检测领域。

在先技术中，存在水质检测装置，参见德国WTW公司水质在线检测仪器系列中的VisoTurb型号的水质检测装置，采用激光二极管光源照射被检测区域水，在90度夹角方向上设置有一个单传感元的光电传感器探测这个方向上的散射光，通过标准液定标得到被检测水的浊度值；美国HACH公司的SOLITAX型号水质分析仪同样采用照射方向和散光光探测方向成90度角的结构进行水中浊度检测，在先技术具有一定优点，但是，仍然存在本质不足，在检测原理中均采用在某一个角度进行散射光测量，所得到的水质参数信息量小，不能很好地反映本检测参数信息，限制了应用范围，影响检测装置的功能拓展。

Airy光束简介：自由空间中光束弯曲传播现象及其应用引起了广泛的关注，被研究较多的弯曲传播光束是Airy光束。Airy光束在自由空间中会发生弯曲传播现象，突破了自由空间中光线直线传播的常理，光线未受到外界干扰情况下，可以存在速度变化，具有加速度。因此，有学者称弯曲传播光束为具有加速度的光束，这类光束是近轴波动方程在Cartesian坐标中的有限能量解。Airy光束可以保持无衍射自由空间中长距离传播，并且具有横向偏移。至目前，自由空间中光束弯曲传播现象不仅在实验上得到了验证，还被应用于其它领域中，展现了其独特的性质和巨大的应用前景。Airy光束已经被国外学者应用到光学微操纵实验中。K.Dholakia等人利用Airy光束产生颗粒清扫效应，将微小颗粒从一个区域清扫到另一个区域。P.Polynkin等人利用飞秒Airy光束实验上实现了弯曲的等离子体通道。M.A.Bandres等人理论研究了Airy光束在近轴光学系统中的传播特性。I.Dolev等人利用非线性光学过程可以控制艾理光束的弯曲方向。Kim等人研究了基于波导Airy光束的光束分束功能。Hwang等人探索了多个Airy光束相加产生类贝塞尔光束的光束产生方法。Zhang等研究人员利用光栅耦合将Airy光束直接耦合到表面等离子体激元，发现通过机械方法或空间光调制器可以调节等离子体Airy光束的弯曲特性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题提出了一种基于Airy光束的水质分析装置，具体方案如下：

一种基于Airy光束的水质分析装置，包括一侧设有光学通光窗口的外壳，所述的外壳内设有朝向所述光学通光窗口发光的光源，在所述光源光束出射方向上依次设有空间光调制器和傅里叶透镜，所述光源出射光束经所述空间光调制器和所述傅里叶透镜后形成Airy光束，所述Airy光束经所述光学通光窗口入射至待测水质，所述Airy光束经待测水质后光路发生弯曲并再次经过所述光学通光窗口返回至所述外壳内部；在所述外壳内部、所述Airy光束的返回光路上设置有用于吸收检测所述Airy光束的透射光电探测器。

上述方案中，光源出射光束依次经空间光调制器、傅里叶透镜后形成Airy光束，并经位于外壳一侧的光学通光窗口出射至位于外壳外部的待测水质中，Airy光束在透射待测水质后传播方向发生弯曲并再次经光学通光窗口返回至外壳内部，返回至外壳内部的Airy光束经过了待测水质的光学吸收，即返回后的Airy光束中包含了待测水质的相关信息，该加载信息的Airy光束入射至设置在外壳内部的透射光电探测器，并被透射光电探测器吸收转化为电信号输出至后续处理单元，从而实现对待测水质的分析。整个方案中，光源、空间光调制器、傅里叶透镜以及透射光电探测器均设置在光学通光窗口的一侧(外壳内部)，利用Airy光束的弯曲传播特性实现对待测水质的非接触式原位检测，省去了对待测水质水样的提取、配置步骤，简化了检测过程、提供了检测精度。

作为优选，所述的Airy光束的返回光路上、所述的光学通光窗口和所述的透射光电探测器之间设置有透射光聚焦透镜。透镜光聚焦透镜用于将带有待测物质信息的Airy光束汇聚至透射光聚焦透镜。

作为优选，所述的外壳内还设有用于探测所述Airy光束入射至待测水质后产生的散射光束的散射光电探测器。Airy光束入射至待测物质并弯曲传播返回后不仅在待测物质中发射光学透射被待测物质吸收，同时也在待测物质中发生散射、产生了散射光，散射光中同样包含了待测物质信息，所以对散射光的提取探测同样有助于对待测水质的分析，进一步提高检测精度。

作为优选，所述的散射光电探测器之前设有散射光聚焦透镜。Airy光束经待测物质后所产生的散射光强度较小，经散射光聚焦透镜汇聚有可增强光强度，提高检测灵敏度。

作为优选，所述的光学通光窗口设有对于所述Airy光束的透过率大于90％的可透光介质。光学通光窗口用于透过Airy光束，所以要求光学通光窗口材质对Airy光束的透过率高，减小光学通光窗口对Airy光束的吸收、散射从而减小整个检测过程误差引入；同时，光学通光窗口采用可透光介质可起到对外壳的密封，保证外壳内部器件免受污染。

与现在技术相比，本发明的有益效果如下：

现有技术中的检测原理，是采用在某一个角度进行散射光测量，所得到的水质信息量小，不能很好地反映水质信息，在先技术限制了应用方法，影响检测装置的功能拓展。本发明基于光学吸收和光学散射光电检测原理，利用Airy光束弯曲传播特性，光源通过波前调制和聚焦后转化成为Airy光束，Airy光束传播路径经过被检测区域，通过检测被检测区域中水的散射光和透射光场，分析光电信号得到被检测区域的水质信息，本发明基于Airy光束弯曲传播特性能够实现光束发射和接收端均在被检测区域一侧，既可以设置在光学窗口片一侧，便于实现探头原位检测和探头式结构，具有原位检测、探头式结构、结构简单、易于实现、机械定位要求低、水质信息丰富、使用灵活、功能易于扩充等特点。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于Airy光束的水质分析装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1所示为本发明实施例的一种基于Airy光束的水质分析装置的结构示意图。一种基于Airy光束的水质分析装置，包括一个圆柱体外壳1，圆柱体外壳1的一端为光学通光窗口2，外壳1内设置有光源3，光源3出射光束光路上依次设置有空间光调制器4和傅里叶透镜5，光源3出射光束经过空间光调制器4和傅里叶透镜5后转换成Airy光束6，透过光学通光窗口2照射在待测区域7，Airy光束6弯曲传播进经过被检测区域7后再次经过光学通光窗口2返回外壳1内部，在返回Airy光束6光路上依次设置有透射光聚焦透镜8和透射光电探测器9，返回到外壳1内的Airy光束6经透射光聚焦透镜8汇聚至透射光电传感器9上，透射光电传感器9将光信号转化为电信号并传输至后续分析设备10中。

在Airy光束6入射至待测区域7中时不仅因弯曲传播发生了光学透射，而且还发生了光学散射并输出了散射光，在外壳1内部还设置有用于提取、探测该散射光的散射光聚焦透镜11和散射光电探测器12，待测区域7因Airy光束经过所产生的散射光透过光学通光窗口2进入外壳1内，并经外壳1内的散射光聚焦透镜11汇聚至散射光电探测器12，散射光电探测器12将该散射光信号转化为电信号传输至后续分析设备10中。后续分析设备10根据输入的透射光和散射光分析得到待测区域7水质情况。

本发明基于Airy光束弯曲传播特性能够实现光束发射端和接收端均在设置待测区域一侧，即可以设置在光学通光一侧，便于实现探头原位检测和探头式结构，具有原位检测、探头式结构、结构简单、易于实现、机械定位要求低、水质信息丰富、使用灵活、功能易于扩充等特点。

本发明实施例中，外壳1采用不锈钢材料的圆柱壳体，光学通光窗口2采用蓝宝石光学窗口，空间光调制器4采用振幅型空间光调制器，傅里叶透镜5采用双胶合透镜，透射光电探测器9和散射光电探测器12采用线阵电荷耦合器件。其中，本发明实施例中的Airy光束产生技术、线阵光电探测器使用、散射光分析技术、吸收光谱分析技术、光电信号与水质参数对应关系等均为现有成熟技术。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于Airy光束的水质分析装置，包括一侧设有光学通光窗口的外壳，其特征在于，所述的外壳内设有朝向所述光学通光窗口发光的光源，在所述光源光束出射方向上依次设有空间光调制器和傅里叶透镜，所述光源出射光束经所述空间光调制器和所述傅里叶透镜后形成Airy光束，所述Airy光束经所述光学通光窗口入射至待测水质，所述Airy光束经待测水质后光路发生弯曲并再次经过所述光学通光窗口返回至所述外壳内部；在所述外壳内部、所述Airy光束的返回光路上设置有用于吸收检测所述Airy光束的透射光电探测器。

2.根据权利要求1所述的一种基于Airy光束的水质分析装置，其特征在于，所述的Airy光束的返回光路上、所述的光学通光窗口和所述的透射光电探测器之间设置有透射光聚焦透镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于Airy光束的水质分析装置，其特征在于，所述的外壳内还设有用于探测所述Airy光束入射至待测水质后产生的散射光束的散射光电探测器。

4.根据权利要求1所述的一种基于Airy光束的水质分析装置，其特征在于，所述的散射光电探测器之前设有散射光聚焦透镜。

5.根据权利要求1所述的一种基于Airy光束的水质分析装置，其特征在于，所述的光学通光窗口设有对于所述Airy光束的透过率大于90％的可透光介质。