CN107436293A - 一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置 - Google Patents

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刘丽炜
秦沛
李野
房文汇
邹鹏
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
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Abstract

本发明提供了一种基于瞬态马赫‑曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，属于探测技术领域，采用飞秒激光作为相干光源，结合高精度延迟系统，实现对物质折射率快速、无干扰、高精度、低误差的测量。本发明结构设计简单、巧妙，待测透明物体折射率不受限制，可广泛应用于食品、化工、制药等生产工业的检验方面。

Description

一种基于瞬态马赫 - 曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置
技术领域
本发明设计一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，属于探测技术领域。
背景技术
折射率是物质的一个重要光学参数，对物质折射率的测量已成为研究其光学特性的重要技术。目前人们已利用几何光学法和波动光学法对物体的折射率进行了测量，测量装置也朝着结构简单、测量精度高、测量时间短的方向不断发展，但传统的测量系统仍存在很多弊端。例如基于全反射原理的阿贝折射仪虽然测量精度较高、可靠性强，但折射率测量范围受到限制[谢克诚,刘光耀,罗康俊. 晶体折射率测试方法[J]. 压电与声光,1996,18（1）:62-66.]；而干涉法是根据两束光的相位变化获得介质的折射率，其中牛顿环、劈尖等干涉法更适合对折射率较小的液体进行测量[郭军. 基于等厚干涉液体折射率的测量装置[J]. 大学物理,2010,29（4）:46-48. 李义宝. 干涉法测透明液体折射率的研究[J]. 安徽建筑工业学院学报（自然科学版）,2008,16（6）:76-79.]，而迈克尔逊干涉仪则对系统的稳定性要求较高[柯金瑞. 利用迈克尔孙干涉仪测定液体折射率[J]. 物理实验,2000,20(2):10-11]。若要实现物质折射率测量系统精度高、测量范围广、结构简单便携、测量速度快以及物质结构不受测试系统干扰或损坏，新型的非接触式折射率探测装置成为发展趋势。
本发明提出一种基于马赫-曾德尔干涉系统测量透明物质折射率的方法，结合相干长度在μm量级且波长可变的飞秒激光相干光源，以及精度在<5nm的延迟系统，可获得物质折射率测量精度在10-6，测量结果的相对误差在10nm范围内，因此基于飞秒激光的瞬态马赫-曾德尔干涉系统测量精度远高于传统干涉测量系统；另外由于飞秒激光的脉冲宽度窄（50fs），该干涉仪属于瞬态测量系统，因此在测量过程中无需读出条纹变化数目即可获得待测物体的折射率，并避免了因为条纹数目变化过快给测量结果带来的误差；另外物质的折射率是光源波长的函数，本发明装置中飞秒激光的波长可变，因此可获得更准确、更科学的折射率数值。
发明内容
为实现高精度、非接触式的物质折射率的测量，本发明提供了一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，利用飞秒激光作为光源获得加入样品前后的干涉光斑的条纹变化，计算得到具有低误差的样品折射率。本发明之一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，其由飞秒激光器1、光学参量放大器2、马赫-曾德尔干涉系统3、数字延迟发生器4、待测透明物体5、CCD相机6构成；其中，飞秒激光器1分别与光学参量放大器2和数字延迟发生器4依次连接；光学参量放大器2与马赫-曾德尔干涉系统3连接；马赫-曾德尔干涉系统3与待测透明物体5连接；CCD相机6分别与待测透明物体5和数字延迟发生器4依次连接；
飞秒激光器1为Ti蓝宝石飞秒激光系统，输出中心波长为800nm、脉宽50fs、重复频率为1kHz、脉冲能量为2μJ的脉冲激光，光学参量放大器2将其波长调制为240nm~2600nm的飞秒激光，由光学参量放大器2调制后出射的飞秒激光经过马赫-曾德尔干涉系统3形成两条光束20和21，其中马赫-曾德尔干涉系统3包括分光镜13和18、保护金反射镜（可见光区的反射率>95%，2~12μm红外区的反射率为>98%）14~17、BBO倍频晶体（偏硼酸钡晶体）19和光屏24，分光镜13将飞秒激光光束分为反射光束20和透射光束21，反射光束20作为参考光，透射光束21作为探测光，保护金反射镜14和15置于一维压电陶瓷平移台上构成延迟系统23，改变延迟系统23使反射光束20和透射光束21等光程，可获得基频波的干涉光斑，当基频波的波长处于红外范围时，再经BBO倍频晶体19倍频后在光屏24上产生可见光22的干涉光斑；
飞秒激光器1触发数字延迟发生器4，数字延迟发生器4调节CCD相机（Princeton Instruments Pixis 1024B Detector）6与激光产生干涉光斑的延时；
在保护金反射镜16和17之间加入待测透明物体5，使光斑中心在待测透明物体5与空气的交界面上，通过改变延迟系统23的相对位置获得交界面上下出现相似的干涉光斑，利用CCD相机6获取干涉光斑图样，再根据延迟系统23的相对位置计算得到待测透明物体5的折射率；所述的操作流程如图2所示：
执行步骤7，开始，装置自检；自检正常，执行步骤8；
执行步骤8，开启飞秒激光器1，基频光经过光学参量放大器2产生所需波长的飞秒激光脉冲，本发明装置进入预热工作状态；
执行步骤9，飞秒激光脉冲经过马赫-曾德尔干涉系统3，在保护金反射镜16和17之间放入待测透明物体5，使光斑中心处于空气与样品的交界面上，调节延迟系统23，直至在交界面上下产生清晰的干涉光斑，记录延迟系统23的相对位置，基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置进入工作状态；
执行步骤10，利用CCD相机6采集干涉光斑，确保待测透明物体5与空气交界面上下产生的干涉光斑相类似；
执行步骤11，根据延迟系统23的相对位置计算样品的折射率；
执行步骤12，结束。
有益效果：本发明提供一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，其折射率测量范围不受限制，并可通过调整飞秒激光光源波长，获得不同波长下透明介质的折射率。本发明利用飞秒激光脉冲作为干涉系统的光源，具有微米量级的相干长度，且延迟系统的精度在纳米量级，可获得物质…精度的折射率，测量误差小。由于测量系统无需读取干涉条纹数，操作简便、测量速度快，并且不干扰或损坏物质内部结构，该测量系统在化工、生物、医药、食品、石油等领域将发挥重要的作用。
附图说明
图1是一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置的示意框图。
图2是一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置的流程图。
图3是瞬态马赫-曾德尔干涉系统结构图。
图4是CCD相机采集的干涉光斑图，（a）为激光通过比色皿内空气部分的干涉光斑，（b）为激光通过比色皿内蒸馏水部分的干涉光斑。
具体实施方式
实施例 1
本发明的一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，其包括飞秒激光器1、光学参量放大器2、马赫-曾德尔干涉系统3、数字延迟发生器4、待测透明物体5、CCD相机6构成；其中，飞秒激光器1分别与光学参量放大器2和数字延迟发生器4依次连接；光学参量放大器2与马赫-曾德尔干涉系统3连接；马赫-曾德尔干涉系统3与待测透明物体5连接；CCD相机6分别与待测透明物体5和数字延迟发生器4依次连接；
飞秒激光器1为Ti蓝宝石飞秒激光系统，输出中心波长为800nm、脉宽50fs、重复频率为1kHz、脉冲能量为2μJ的脉冲激光，光学参量放大器2将其波长调制为1300nm的飞秒激光，其脉宽仍为50fs，脉冲能量为0.4μJ，该飞秒激光经过马赫-曾德尔干涉系统3形成两条光束20和21，其中马赫-曾德尔干涉系统3包括分光镜13和18（T：R=50:50+/-5%）、保护金反射镜（反射率为>98%）14~17、BBO倍频晶体19和光屏24，分光镜13将飞秒激光光束分为反射光束20（脉冲能量为0.1μJ）和透射光束21（脉冲能量为0.1μJ），反射光束20作为参考光，透射光束21作为探测光，保护金反射镜14和15置于一维压电陶瓷平移台上构成延迟系统23，压电陶瓷平移台精度为2nm，改变延迟系统23使反射光束20和透射光束21等光程，可获得1000nm飞秒激光的干涉光斑，再经BBO倍频晶体19倍频后在光屏24上产生500nm的绿光干涉光斑；
飞秒激光器1触发数字延迟发生器4，数字延迟发生器4调节CCD相机6与激光产生干涉光斑的延时，在保护金反射镜16和17之间放入内有蒸馏水的比色皿，使光斑中心在蒸馏水与空气的交界面上（这里的空气是指比色皿中蒸馏水以上的空间），通过改变延迟系统23的相对位置获得交界面上下出现相似的干涉光斑，利用CCD相机6获取干涉光斑图样，再根据延迟系统23的相对位置计算得到待测透明物体5的折射率；所述的操作流程如图2所示：
执行步骤7，开始，装置自检；自检正常，执行步骤8；
执行步骤8，开启飞秒激光器1，基频光经过光学参量放大器2产生波长为1000nm的飞秒激光脉冲，本发明装置进入预热工作状态；
执行步骤9，1000nm的飞秒激光脉冲经过马赫-曾德尔干涉系统3，在保护金反射镜16和17之间放入盛有蒸馏水的比色皿，使光斑中心处于空气与蒸馏水的交界面上，调节延迟系统23，直至在交界面上下产生清晰的干涉光斑，记录延迟系统23的相对位置，基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置进入工作状态；
执行步骤10，利用CCD相机6采集干涉光斑，确保蒸馏水与空气交界面上下产生的干涉光斑相类似，其干涉光斑如图4所示；
执行步骤11，根据延迟系统23的相对位置计算样品的折射率为1.32645；
执行步骤12，结束。
实施例 2
改变比色皿中的溶液为金纳米溶液，其浓度为1M，其余的同实施例1。
实施例 3
改变比色皿中的溶液为金纳米棒溶液，其浓度为1M，其余的同实施例1。
实施例 4
调节光学参量放大器2，使出射飞秒激光波长为800nm；其余的同实施例1。
实施例 5
调节光学参量放大器2，使出射飞秒激光波长为1200nm；其余的同实施例1。

Claims (7)

1. 一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，其特征在于，包括飞秒激光器（1）、光学参量放大器（2）、马赫-曾德尔干涉系统（3）、数字延迟发生器（4）、待测透明物体（5）、CCD相机（6）构成；其中，飞秒激光器（1）分别与光学参量放大器（2）和数字延迟发生器（4）依次连接；光学参量放大器（2）与马赫-曾德尔干涉系统（3）连接；马赫-曾德尔干涉系统（3）与待测透明物体（5）连接；CCD相机（6）分别与待测透明物体（5）和数字延迟发生器（4）依次连接；
飞秒激光器（1）输出的基频光经过光学参量放大器（2）调频，出射激光经过马赫-曾德尔干涉系统（3）形成两条相干光束（20）和（21），将待测透明物体（5）置于马赫-曾德尔干涉系统（3）中保护金反射镜（16）和（17）之间，令透过待测透明物体（5）的光斑中心置于待测透明物体（5）与空气的交界面上，通过调节延迟系统（23）的相对位置，获得交界面上下清晰且相似的干涉光斑，此时受飞秒激光器（1）触发的数字延迟发生器（4）调节CCD相机（6）与光屏（24）上产生干涉光斑的延时，利用CCD相机（6）获取干涉光斑图样，再根据延迟系统（23）的相对位置计算得到待测透明物体（5）的折射率。
2. 如权利要求1所述的一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，其特征在于，所述的飞秒激光器（1）采用的是中心波长800nm、脉宽50fs、脉冲能量2μJ、重复频率1kHz的Ti蓝宝石飞秒激光系统，飞秒激光经光学参量放大器（2）调制后将产生240nm~2600nm的飞秒激光，其脉宽仍为50fs，相干长度为30μm。
3. 如权利要求1所述的一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，其特征在于，所述的马赫-曾德尔干涉系统（3）是由分光镜（13）和（18）、保护金反射镜（可见光区的反射率>95%，2~12μm红外区的反射率为>98%）（14）~（17）、BBO倍频晶体（偏硼酸钡晶体）（19）和光屏（24）构成，分光镜（13）将飞秒激光光束分为反射光束（20）和透射光束（21），改变延迟系统（23）使反射光束（20）和透射光束（21）等光程。
4. 如权利要求1所述的一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，其特征在于，所述的待测透明物体（5）为透明液体时，将透明液体置于石英比色皿中，将光斑中心置于液体与空气（比色皿中液体以上的空气）的交界面上，再改变延迟系统（23）获得交界面上下的干涉光斑。
5. 如权利要求1所述的一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，其特征在于，所述的待测透明物体（5）为透明液体时，其石英比色皿宽度选为5cm，溶液折射率的测量精度提高到10-6。
6. 如权利要求1所述的一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，其特征在于，所述的BBO倍频晶体（19）可将红外波段的激光倍频至可见光范围内，使CCD相机（6）更易获得可见光范围的、清晰的干涉光斑。
7. 如权利要求1所述的一种基于瞬态马赫-曾德尔干涉技术的非接触式折射率探测装置，其特征在于，所述的延迟系统（23）由保护金反射镜（14）和（15）置于一维压电陶瓷平移台上构成，且一维压电陶瓷平移台的移动精度为2nm，延迟系统（23）的精度为4nm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110068552A (zh) * 2019-05-14 2019-07-30 哈尔滨工业大学 基于2.02μm单纵模激光器的分振幅型干涉仪
CN110132851A (zh) * 2019-06-20 2019-08-16 合肥工业大学 一种基于飞秒单脉冲干涉的瞬时二维光声波测量方法

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