CN109709072B - 一种液体折射率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量系统领域，公开一种液体折射率测量方法，包括如下步骤：1）首先建立单光路双重外腔激光回馈效应的理论模型，并分析折射率在设定范围内的双重外腔回馈激光功率调谐曲线；2）搭建单光源双外腔回馈系统，再将一束激光同时入射液体表面和液体底部，并使液体外表面和液体底部的反射光沿原路返回激光谐振腔，构成单光源双外腔回馈系统；3）当入射液体表面升高时，液面高度变化和液面底部光程变化引起的自混合干涉信号叠加在激光器的光强调谐曲线上，通过解调波动曲线频率以获得待测液体的折射率。具有结构简单易调谐、精度高、测量范围大、可溯源等优点。

Description

一种液体折射率测量方法

技术领域

本发明属于光学测量系统领域，具体涉及一种液体折射率测量方法。

背景技术

折射率作为液体最重要的光学参数之一，在浓度、纯度鉴定，医药，化工等领域都具有重要的应用。随着现代科技的发展，新材料不断研制成功，对折射率的测量精度和测量范围都提出了更高的要求。目前折射率测量技术主要基于折射定律和干涉法两大类。基于折射定理的测量方法包括最小偏小角法、V棱镜法、全反射法等，其中最小偏向角法精度最高，原理是通过测量光线从棱镜出射后的最小偏向角获得折射率，精度可以达到目前折射率测量国家标准为10^-6；但是，该方法需要将待测样品加工成精密棱镜，难度较大且不适用于液体折射率测量。V棱镜法和全反射法分别通过测量出射光线的偏折角或全反射的临界角得折射率大小，待测样品可为固体和液体，应用较为广泛。但是受限于测量机理，这两种方法可测试的折射率范围仅为1.3-1.7，无法满足大折射率新材料的发展需求。

采用干涉仪同时测量光程nL和几何长度L的变化，根据其比值得到折射率n的大小是干涉法的基本思路。对于液体折射率，现有文献中是通过迈克尔逊干涉仪记录浸泡在液体中的镜子的光程变化，并通过电脉冲方式获得镜子的位移，从而得到液体的折射率。镜子位移变化和光程变化分别依靠电学方法和光学方法获得，因此精度较低，且测量结果不可溯源。徐玲等提出通过两个准共路式激光回馈干涉仪，同时以液体底部和液体表面作为外部反射面，测量液面升高时底部的光程变化和表面高度变化,并根据比例关系获得液体折射率的大小。这种方法精度虽高，但光路复杂调谐难度大，并且由于采用了两路干涉仪，两个光源的波长不完全同步，离真正可溯源测量还有技术需要改进。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，以单光路双重外腔激光回馈效应为基础，提供一种基于单光路双重外腔激光回馈效应的液体折射率测量方法。该方法具有结构简单易调谐、精度高、测量范围大、可溯源等优点，为液体折射率测量提供了一种全新的思路，具有广阔的应用前景。

首先建立了单光路双重外腔激光回馈效应的理论模型，并分析了折射率在1.11-1.88范围内的双重外腔回馈激光功率调谐曲线，以自来水为样品搭建了单光路双外腔回馈液体折射率测量系统，实验结果曲线与理论取得良好一致。为液体折射率测量提供了一种全新的思路，具有广阔的应用前景。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种基于单光路双重外腔激光回馈效应的液体折射率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1)首先建立单光路双重外腔激光回馈效应的理论模型，并分析折射率在设定范围内的双重外腔回馈激光功率调谐曲线；2)搭建单光源双外腔回馈系统，再将一束激光同时入射液体表面和液体底部，并使液体外表面和液体底部的反射光沿原路返回激光谐振腔，构成单光源双外腔回馈系统；3)当入射液体表面升高时，液面高度变化和液面底部光程变化引起的自混合干涉信号叠加在激光器的光强调谐曲线上，通过解调波动曲线频率以获得待测液体的折射率。

优选地，步骤二，以自来水为样品搭建双重回馈系统，在腔镜M₂上固定锆钛酸铅压电陶瓷PZT₁，用以微调谐振腔使激光器维持在单纵模状态；通过水平仪调整光源，使出射光束平行于光学平台；在光学平台上静止时，容器C₂水面在重力作用下平行于光学平台；输出光经光束扩展器扩束后，由平面反射镜M₃反射，垂直入射水面；待测液体通过输液器从容器C₁注入容器C₂中；

之后，在容器底部放置将底面反射镜作为外腔d₂的反射面，其与激光器、液体表面一起构成单光源双重外腔回馈系统；容器去掉反射镜M₅容器为单外腔状态，外腔d₂由于底面散射无法产生回馈光，此时回馈系统仅有液体表面反射回到谐振腔内的光。

优选地，步骤三，打开输液器的控制阀，调整灌滴速度，得到的单外腔回馈曲线。

优选地，光源为波长632.8nm的半外腔氦氖激光器，输出单纵模、线偏振光。

优选地，盛放水的容器C₂底面为半径5cm的磨砂玻璃，底面反射镜M₅为K9玻璃。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本发明在验证理论可行性的基础上进行了折射率测量实验，理论分析与实验结果曲线取得了很好的一致。该方法具有1.结构简单易调谐、精度高，测量范围大，理论上除了空气折射率2倍的数值，均在测量范围内；2.可溯源，由于采用同一光源同步监测两个外腔的变化，整个过程消除了波长波动带来的影响，原理上无误差；3.波长和激光器的选择不影响测量结果，激光回馈效应普遍存在于所有类型的激光器中，因此该方法不受激光器的种类和波长的限制。实验结果与理论取得良好一致。该研究为液体折射率测量提供了全新的思路，具有广阔的应用前景。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明液体折射率测量方法的双外腔激光回馈系统的模型构建图。

图2为本发明液体折射率测量方法的不同折射率液体的双重回馈理论曲线示意图。

图3为本发明液体折射率测量方法的不同折射率液体的双重回馈理论曲线另一示意图。

图4为液体底部的反射镜和光斑的位置示意图。

图5为本发明液体折射率测量方法的底面反射耦合系数的示意图。

图6为本发明液体折射率测量方法的示意图。

图7为本发明液体折射率测量方法的液体表面反射单重回馈条纹图。

图8为本发明液体折射率测量方法的光强调谐曲线幅频特性图。

图9为本发明液体折射率测量方法的双重回馈曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-9所示，一种基于单光路双重外腔激光回馈效应的液体折射率测量方法，包括如下步骤：1)首先建立单光路双重外腔激光回馈效应的理论模型，并分析折射率在设定范围内的双重外腔回馈激光功率调谐曲线；

步骤一，以反射率分别为r₁,r₂的高反镜M₁,M₂构成激光器的谐振腔，腔长为L；待测液体的上表面S₁反射率为r_s,液体底部反射镜S₂的反射率为r_u；激光器的出射光分别被S₁和S₂沿原路反射回谐振腔内，构成双外腔激光回馈系统，双外腔的腔长分别为d₁和d₂。

待测液体的折射率设为n_x，反射镜S₂的折射率为n₂,空气折射率为n_a，根据菲涅尔定律，两外部反射面的反射率分别为

根据激光自洽条件，光波在谐振腔内往返一周后需要有相同的相位和幅值才能激发，该条件同样适用于激光回馈系统。理论推导得双重回馈光引起的激光光强相对变化量为

由式(1)可知，双外腔的长度变化都将引起激光功率的波动，波动周期均为为λ/2。假设液面以速度v(t)升高x(t)时，光强的变化可以改写为

I(t)＝acos[2k(d₁+△L₁(t))]+bcos[2k(d₂+△L₂(t)],a＝A'/ln|r₁r₂|,b＝B'/ln|r₁r₂| (3)

其中，

根据波动频率和速度的关系得到

由式(5)可见，光程变化比值等于所引起的光强波动频率的比值，且在液面升高的过程中为一常数。计算过程中消掉了波长系数，因此激光器的波长漂移不影响最终结果。如图2、图3所示，设定空气折射率为1，液体折射率n_x分别为1.11、1.22、1.33、1.44、1.55、1.66、1.77和1.88时双外腔回馈激光器输出理论曲线。

由式(5)可知，单光路双重激光回馈的功率调谐曲线中包含两个频率分量，分别由两个外腔的变化引起。通过解调波动曲线的频域分量，即可通过式(5)得到待测液体折射率。

值得注意的是，当液体与空气的折射率相近时液面反射率很低，导致双重回馈曲线中外腔d₁产生的频率分量幅度较弱，参见Refractive index＝1.11的光强曲线(实际上，折射率与空气相近的液体尚未见报道)。为提高条纹的对比度，可采用调整液体底面耦合系数的方法。如图4所示为液体底部的反射镜和光斑的位置示意图，设光斑的面积为S，重叠部分的面积为S’，则耦合系数ζ＝S’/S。

将底面反射耦合系数降低为0.5，重新计算折射率为1.11时的激光器输出曲线，并同时对耦合系数为1和0.5的光强调谐曲线进行傅里叶变换，得到的结果分别如图5(a)和图5(b)所示。频域曲线上两个峰值分别代表f₁和f₂。可见改变液面底部的回馈率并不影响最终折射率计算结果，但是可以提高测量曲线的对比度。

优选的，采用调整液体底面放射镜和光斑的位置耦合系数的方法改变液面底部的回馈率，以提高测量曲线的对比度。

2)搭建单光源双外腔回馈系统，再将一束激光同时入射液体表面和液体底部，并使液体外表面和液体底部的反射光沿原路返回激光谐振腔，构成单光源双外腔回馈系统；

3)当入射液体表面升高时，液面高度变化和液面底部光程变化引起的自混合干涉信号叠加在激光器的光强调谐曲线上，通过解调波动曲线频率以获得待测液体的折射率。

如图6所示，以自来水为样品搭建双重回馈系统，在腔镜M₂上固定锆钛酸铅压电陶瓷PZT₁，用以微调谐振腔使激光器维持在单纵模状态；通过水平仪调整光源，使出射光束平行于光学平台；在光学平台上静止时，容器C₂水面在重力作用下平行于光学平台；输出光经光束扩展器扩束后，由平面反射镜M₃反射，垂直入射水面；待测液体通过输液器从容器C₁注入容器C₂中。

首先，如图7所示，容器去掉反射镜M₅容器为单外腔状态，外腔d₂由于底面散射无法产生回馈光，此时回馈系统仅有液体表面反射回到谐振腔内的光；打开输液器的控制阀，调整灌滴速度约1滴/秒，得到的单外腔回馈曲线。可见水面作为反射平面与激光器构成的回馈系统，当液面升高时激光器的输出光呈类似余弦方式波动。

光源为波长632.8nm的半外腔氦氖激光器，输出单纵模、线偏振光。盛放水的容器C₂底面为半径5cm的磨砂玻璃，底面反射镜M₅为K9玻璃。

之后，如图8(a)所示，在容器底部放置将底面反射镜作为外腔d₂的反射面，其与激光器、液体表面一起构成单光源双重外腔回馈系统；打开控制阀使液面上升，得到回馈曲线。

如图8(b)所示，K9玻璃的折射率取1.52，水的折射率近似取1.3，空气折射率近似取1，分别计算回馈外腔d₁和d₂的耦合系数，并得到理论曲线。

1滴水的体积约为0.05ml，则水面上升的平均速度估算为

光源的波长为0.6328μm,则水面回馈产生的波动条纹频率平均约为20.13Hz。如图9所示，根据估算结果，频率分量中超过100Hz的部分为环境的扰动产生，因此滤去高频噪声分量和直流分量，得到的光强调谐曲线幅频特性。

由图9可见，波动频率在100Hz以内有4个峰值，分别为30Hz,10Hz,18Hz,6Hz。由于液面反射率大于底部，因此幅度较大的频率分量是由液面升高产生，10Hz，6Hz为液面底部光程变化产生的频率信号。将频率信息代入式(5)可得

测量环境空气温度、气压和相对湿度分别为23℃、100.75kPa、30％，空气折射率na为1.00026代入式(21)，得到待测自来水的折射率为1.33368。

以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种液体折射率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1)首先建立单光路双重外腔激光回馈效应的理论模型，并分析折射率在设定范围内的双重外腔回馈激光功率调谐曲线；

单光路双重外腔激光回馈效应的理论模型的具体内容为：

以反射率分别为r₁、r₂的高反镜M₁、M₂构成激光器的谐振腔，腔长为L；待测液体的上表面S₁反射率为r_s,液体底部反射镜S₂的反射率为r_u；激光器的出射光分别被S₁和S₂沿原路反射回谐振腔内，构成单光路双重外腔激光回馈效应的理论模型，双重外腔的腔长分别为d₁和d₂；

折射率在设定范围内的双重外腔回馈激光功率调谐曲线的分析过程为：

设待测液体的折射率设为n_x，反射镜S₂的折射率为n₂,空气折射率为n_a，根据菲涅尔定律，液面反射率、液底反射率分别为

根据激光自洽条件，光波在谐振腔内往返一周后需要有相同的相位和幅值才能激发，该条件同样适用于激光回馈系统，理论推导得双重回馈光引起的激光光强相对变化量为

由式(1)可知，双外腔的长度变化都将引起激光功率的波动，波动周期均为为λ/2，假设液面以速度v(t)升高x(t)时，光强的变化可以改写为

I(t)＝acos[2k(d₁+△L₁(t))]+bcos[2k(d₂+△L₂(t)],a＝A'/ln|r₁r₂|,b＝B'/ln|r₁r₂| (3)

其中，

根据波动频率和速度的关系得到

由式(5)可见，光程变化比值等于所引起的光强波动频率的比值，且在液面升高的过程中为一常数，计算过程中消掉了波长系数，因此激光器的波长漂移不影响最终结果；

2)搭建单光源双外腔回馈系统，再将一束激光同时入射液体表面和液体底部，并使液体外表面和液体底部的反射光沿原路返回激光谐振腔，构成单光源双外腔回馈系统；

单光源双外腔回馈系统具体为：

以自来水为样品搭建双重回馈系统，在腔镜M₂上固定锆钛酸铅压电陶瓷PZT₁，用以微调谐振腔使激光器维持在单纵模状态；通过水平仪调整光源，使出射光束平行于光学平台；在光学平台上静止时，容器C₂水面在重力作用下平行于光学平台；输出光经光束扩展器扩束后，由平面反射镜M₃反射，垂直入射水面；待测液体通过输液器从容器C₁注入容器C₂中；

之后，在容器底部放置将底面反射镜作为外腔d₂的反射面，其与激光器、液体表面一起构成单光源双重外腔回馈系统；容器去掉反射镜M₅容器为单外腔状态，外腔d₂由于底面散射无法产生回馈光，此时回馈系统仅有液体表面反射回到谐振腔内的光；

3)当入射液体表面升高时，液面高度变化和液面底部光程变化引起的自混合干涉信号叠加在激光器的光强调谐曲线上，通过解调波动曲线频率以获得待测液体的折射率。

2.根据权利要求1所述一种液体折射率测量方法，其特征在于，步骤3)，打开输液器的控制阀，调整灌滴速度，得到的单外腔回馈曲线。

3.根据权利要求1所述一种液体折射率测量方法，其特征在于，盛放水的容器C₂底面为磨砂玻璃，底面反射镜M₅为K9玻璃。

4.根据权利要求1所述一种液体折射率测量方法，其特征在于，光源为波长632.8nm的半外腔氦氖激光器，输出单纵模、线偏振光。

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