CN110044847B - 一种不受光源漂移影响的全内反射式折射率传感方法 - Google Patents

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Abstract

一种不受光源漂移影响的全内反射式折射率传感方法。本发明首次提出一种可完全消除光源漂移影响的全内反射式折射率测量传感方法，降低了对光源稳定性的要求，提高了测量精度。其方法为在入射光进入传感器之前，使其通过光强调制器和一个1/4波片，测量传感器输出的光强差分信号，通过精确调整1/4波片的光轴角度，使差分信号中的交流信号最小或消失，当被测液体的折射率发生变化时，差分信号的交流信号会变大，通过精确调整1/4波片光轴的角度，使差分信号中的交流信号最小或消失时，根据1/4波片转过的角度与折射率变化的对应关系，确定被测介质的折射率。

Description

一种不受光源漂移影响的全内反射式折射率传感方法
技术领域
本发明涉及生物医学检测、材料性质检测等领域，主要应用于高精度地测量液体材料的折射率。
背景技术
光学生物折射率传感器广泛应用于生物样品的特异性、敏感性和稳定性的检测领域。基于石墨烯偏振选择吸收特性的折射率传感器一般采用全内反射的测量方法，通过测量石墨烯材料对P偏振光和S偏振光在全内反射后反射光强度的差分结果，来测量与石墨烯接触的介质的折射率。但由于目前采用的光强差分的测量方法中，光源强度的漂移会严重影响测量结果。
发明内容
本发明目的是解决光源强度的漂移会严重影响测量结果的问题，提供一种不受光源漂移影响的全内反射式折射率传感方法。本发明首次提出一种可完全消除光源漂移影响的全内反射式折射率测量传感方法，降低了对光源稳定性的要求，提高了测量精度。
本发明的技术方案
一种不受光源漂移影响的全内反射式折射率传感方法，该方法具体步骤如下：
第1步、由激光器输出的光束，经过一个光强调制器，使光强产生交流变化，然后光束继续传播，穿过一个1/4波片，该1/4波片可旋转，并可测量出旋转角度；
第2步、探测光束以全反射的方式对被测液体的折射率进行测量，被测液体被充入微流腔中，充分覆盖石墨烯表面，探测光束以大于临界角的方式入射到石墨烯表面后被反射；
第3步、反射光经过一个偏振分光棱镜后被分成两路，分别为P偏振光和S偏振光，P偏振光和S偏振光分别由平衡探测器接收，所获得的差分信号以电压信号形式输出，经过数据采集卡数值化，在计算机上进行显示；
第4步、通过计算机显示观察输出的差分信号，若差分信号显示为交流信号，旋转1/4波片使该交流信号的幅值减小，直到幅值减小到最小或完全消失，记录下该1/4波片旋转角度的数值；
第5、根据记录下的旋转角度的数值，利用1/4波片旋转角度与折射率的对应关系，确定被测液体材料的折射率。
其中，所述1/4波片旋转角度与折射率对应关系的确定过程如下：
第5.1步、配制一系列已知折射率的液体作为标定液，对传感系统进行标定；
配制液体的折射率范围根据所设计的上述传感装置的测量范围确定，数量根据标定精度确定。
第5.2步、依次将配制的标定液充入所述的微流腔中，重复实施上述方法中的第1步至第4步操作，得到不同折射率标定液对应的1/4波片的旋转角度数值；
第5.3、采用多项式拟合的方法获得拟合的1/4波片旋转角度与折射率的对应关系函数，并绘制折射率与1/4波片旋转角度的对应关系曲线图。
实现本发明上述方法的传感装置顺次包括激光器，光强调制器，可精确旋转的1/4波片，以及激光光路上设置的棱镜，棱镜的底面与充有被测介质的微流腔紧密贴合，微流腔内与棱镜底面的贴合面处放置有石墨烯，棱镜的另外两个面分别作为激光光路的入射面和出射面，且保证激光在石墨烯表面发生全反射，在激光的出射光路上设置有偏振分光棱镜，偏振分光棱镜的P偏振光和S偏振光分别由平衡探测器接收，平衡探测器的输出经过数据采集卡数值化送入计算机。
本发明的优点和有益效果：
本发明利用了基于石墨烯折射率传感的高灵敏度的优点，原理上消除了由于光源漂移对折射率测量的影响，提高了测量精度和稳定性。该技术的应用有助于石墨烯折射率传感技术的实用化和商用化。
附图说明
图1光学检测装置示意图。
图2采用NaCl溶液标定的关系曲线和一种未知折射率液体的测量结果。
其中，1-激光器；2-光强调制器；3-可精确旋转的1/4波片；4-第一反射镜；5-第二反射镜；6-棱镜；7-石墨烯；8-微流腔；9-被测介质；10-偏振分光棱镜；11-第三反射镜；12-平衡探测器；13-数据采集卡；14-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例1：
步骤1、首先搭建不受光源漂移影响的全内反射式折射率传感方法的实验装置
如附图1所示，激光器1采取波长为532nm激光器，输出功率为5mw，光强调制器2采用机械旋转斩波器，调制频率为2000转/分钟，1/4波片3安装在高精度的旋转平移台上(图中略)，旋转平移台的分辨率为1arcsec，双向重复率为10arcsec。生物折射率传感器由棱镜6、石墨烯7和微流腔8组成，棱镜的折射率为1.517，采用CVD法制备10层石墨烯，采用PDMS注塑方法制作微流腔，被测液体介质材料9通过导管连接微流泵注入到微流腔中。激光器输出的探测光顺次经过光强调制器和1/4波片后，先后经过第一反射镜4和第二反射镜5将探测光线以大于临界角入射到石墨烯界面。假设被测液体的折射率为1.33，则可以计算出临界角为
Figure GDA0003201646100000031
由石墨烯反射的探测光经过偏振分光棱镜10分成两路，一路经第三反射镜11射入平衡探测器12，另一路直接射入平衡探测器，两路偏振光(P偏振光和S偏振光)由平衡探测器接收，平衡探测器的输出经过数据采集卡13与计算机14连接。
步骤2、1/4波片旋转角度与折射率对应关系函数的获得以及关系曲线的绘制
配制5种已知折射率的液体作为标定液，采用浓度分别为0.1％、0.5％、1％、2％和5％的NaCl溶液，根据经验公式n＝1.3331+0.00185c，其中，n为折射率，c为NaCl溶液的浓度。可以计算出上述5种不同浓度的NaCl溶液的折射率分别为：1.333285、1.334025、1.33495、1.3368和1.34235。
依次将配制好的标定液充入传感器的微流腔8中，重复发明内容所述技术方案中的第1步至第4步操作，通过计算机显示观察输出的差分信号，若差分信号显示为交流信号，旋转1/4波片使该交流信号的幅值减小，直到幅值减小到最小或完全消失，分别记录下该1/4波片旋转角度的数值。得到上述5种不同折射率标定液对应的1/4波片的旋转角度数值分别为0.577246、0.577373、0.577531、0.577848、0.578796(单位：弧度)，采用最小二乘法的2次多项式拟合的方法(通过matlab软件)可获得1/4波片旋转角度与折射率的对应关系函数，其函数为：y＝8.811722x2-4.338291x+0.901366，其中：y为折射率，x为1/4波片的旋转角度，同时根据该函数绘制了关系曲线，如图2所示。
步骤3、被测液体的折射率测量。
将待测液体通过微流泵注入到微流腔8中，重复发明内容所述技术方案中的第1步至第4步操作，通过计算机显示观察输出的差分信号，若差分信号显示为交流信号，旋转1/4波片使该交流信号的幅值减小，直到幅值减小到最小或完全消失，记录下该1/4波片旋转角度的数值为0.577642。根据记录下的旋转角度的数值，利用上述步骤2获得的1/4波片旋转角度与折射率的对应关系函数，确定被测液体材料的折射率为1.335596(也可以根据图2中的关系曲线直接求得被测液体材料的折射率)。

Claims (2)

1.一种不受光源漂移影响的全内反射式折射率传感方法，该方法具体步骤如下：
第1步、由激光器输出的光束，经过一个光强调制器，使光强产生交流变化，然后光束继续传播，穿过一个1/4波片，该波片可旋转，并可测量出旋转角度；
第2步、探测光束以全反射的方式对被测液体的折射率进行测量，被测液体被充入微流腔中，充分覆盖石墨烯表面，探测光束以大于临界角的方式入射到石墨烯表面后被反射；
第3步、反射光经过一个偏振分光棱镜后被分成两路，分别为P偏振光和S偏振光，P偏振光和S偏振光分别由平衡探测器接收，所获得的差分信号以电压信号形式输出，经过数据采集卡数值化，在计算机上进行显示；
第4步、通过计算机显示观察输出的差分信号，若差分信号显示为交流信号，旋转1/4波片使该交流信号的幅值减小，直到幅值减小到最小或完全消失，记录下该1/4波片旋转角度的数值；
第5步、根据记录下的旋转角度的数值，利用1/4波片旋转角度与折射率的对应关系，确定被测液体材料的折射率；
所述1/4波片旋转角度与折射率对应关系通过如下方法确定：
第5.1步、配制一系列已知折射率的液体作为标定液，对传感系统进行标定；
第5.2步、依次将配制的标定液充入微流腔中，重复第1步至第4步操作，得到不同折射率标定液对应的1/4波片的旋转角度数值；
第5.3步、采用多项式拟合的方法获得拟合的1/4波片旋转角度与折射率的对应关系函数，并绘制折射率与1/4波片旋转角度的对应关系曲线图。
2.一种实现权利要求1所述的不受光源漂移影响的全内反射式折射率传感方法的传感装置，其特征在于，所述装置顺次包括激光器，光强调制器，可精确旋转的1/4波片，以及激光光路上设置的棱镜，棱镜的底面与充有被测介质的微流腔紧密贴合，微流腔内与棱镜底面的贴合面处放置有石墨烯，棱镜的另外两个面分别作为激光光路的入射面和出射面，且保证激光在石墨烯表面发生全反射，在激光的出射光路上设置有偏振分光棱镜，偏振分光棱镜的P偏振光和S偏振光分别由平衡探测器接收，平衡探测器的输出经过数据采集卡数值化送入计算机。
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