CN110672525B - 一种溶液浓度测量装置、方法及溶液传感灵敏度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溶液浓度测量装置、方法及溶液传感灵敏度测量方法。激光器用于生成不同波长的激光光源，激光器产生的激光经半波片、第一透镜、第一偏振镜进入携带微流体芯片的棱镜，以反射出A光束和B光束；A光束和B光束经光阑、第二偏振镜、第二透镜进入CCD图像传感器；第一透镜为聚焦透镜；棱镜斜面依次贴合设置有样品、微流体芯片；永磁体设置在棱镜下方和/或上方，磁场方向与棱镜竖轴平行。本发明的有益效果为通过在棱镜和第二偏振镜之间增加光阑，提高了光斑的成像质量；通过设置永磁体，增加与棱镜竖轴平行的磁场方向，不仅可以消除背景噪音，且提高了测量的精度；测量出来的磁光光自旋霍尔效应的值相比于光自旋霍尔效应的值更大、更准确。

Description

一种溶液浓度测量装置、方法及溶液传感灵敏度测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其是一种溶液浓度测量装置、方法及溶液传感灵敏度测量方法。

背景技术

光自旋霍尔效应是光束在经过非均匀介质后，自旋角动量相反的光子在垂直入射面的横向相互分离，造成光束的自旋分裂的现象，已经成为目前凝聚态物理中一个相当热门的研究方向。且它是一种特别灵敏的物理效应，它所产生的横移值对于纳米结构中的结构参数的变化非常敏感，因此它是一种潜在的精密测量工具。

溶液浓度是指在一定量的溶液中所含溶质的量。溶液浓度的测定是分析检测的一项极其重要的指标，是表征介质溶液特性的主要参量之一。常见的溶液浓度测量的方法有硝酸银滴定法、比重法、折射法以及电导法，但这些方法测算出来的溶液浓度都存在着误差较大、精度不高、不利于仪器配套等一系列问题，并且测算出来的电导率不仅灵敏度低、还受温度的影响较大。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种溶液浓度测量装置、方法及溶液传感灵敏度测量方法，有效的解决了通过传统测试方法测算出来的电导率灵敏度低以及受温度影响较大的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于磁光光自旋霍尔效应的溶液浓度测量装置，包括激光器、半波片、第一透镜、第一偏振镜、棱镜、第二偏振镜、第二透镜以及CCD图像传感器，所述激光器用于生成不同波长的激光光源；所述第一透镜为聚焦透镜；所述第二透镜为准直透镜；所述第一透镜和第二透镜共焦；所述基于光自旋霍尔效应溶液浓度的测量装置还包括永磁体以及光阑；所述永磁体设置在所述棱镜下方和/或上方，且磁场方向与棱镜的竖轴平行；所述光阑设置在所述棱镜与所述第二偏振镜之间；所述棱镜斜面依次贴合设置有样品、微流体芯片；所述微流体芯片顶部设置有微流体通道；所述激光器产生的激光经半波片、第一透镜、第一偏振镜进入携带微流体芯片的棱镜，以反射出A光束和B光束；所述A光束和B光束经光阑、第二偏振镜、第二透镜进入CCD图像传感器。

传统的测量溶液浓度的方法测定出来的溶液浓度存在着灵敏度低且测算的温度对电导率的影响很大。本发明提供一种基于光自旋霍尔效应溶液浓度的测量装置及测量方法，通过利用光自旋霍尔效应测量装置来测量溶液浓度，不仅提升了测量的灵敏度，还提高了测量的精确度，且通过本发明测量的溶液浓度不会受温度等因素变化的影响。

更进一步的，所述棱镜为二氧化硅棱镜。

采用二氧化硅棱镜，可以减少实验过程中多次反射或折射的影响并且排出空气间隙的影响；棱镜竖直斜面使紧贴棱镜样品是完全竖直，使光束入射面垂直与样品的同时保证了磁场方向完全垂直于光束入射面，并发生横向磁光克尔效应。

更进一步的，所述第一偏振镜和第二偏振镜均为格兰激光偏振镜。

格兰激光偏振镜具有带宽覆盖紫外光、可见光以及中红外光、高偏振度高透过率等优点，使出射的偏振光的偏振度更好。

半波片可以产生π/2的相位延迟，即起到旋转偏振面的作用。半波片与之后的第一偏振镜共同作用，用于调节激光光强，避免超过CCD图像传感器所能承受的范围；

更进一步的，所述激光器为He－Ne激光器。

更进一步的，所述激光器波长为632.8nm。

更进一步的，所述第一透镜焦距为100mm；所述第二透镜焦距为250mm。

第一透镜主要用于聚焦，将入射到样品上的光斑聚焦至合适的大小；第二透镜主要用于准直，准直从棱镜反射之后的A光束和B光束。

本发明还提供了一种基于磁光光自旋霍尔效应的溶液浓度测量装置的溶液浓度测量方法，该溶液浓度测量方法包括：

(1)、向微流体通道注入待测溶液，待液体静止后，调节第一偏振镜、第二偏振镜以及半波片，直到CCD图像传感器上呈现出大小、形状以及亮度均匀且关于水平轴对称分布的光斑；

(2)、将永磁体放入微流体通道下方，记此时的磁场方向为正，并记录CCD中光斑质心在纵向上的位置为y⁺，此时光自旋霍尔效应的值为

翻转永磁体，记此时的磁场方向为负，再次记录CCD中光斑质心在纵向上的位置为y^－，此时光自旋霍尔效应的值为

δ_MO代表磁光光自旋霍尔效应的值，磁光光自旋霍尔效应的值为：

且在数值上，δ_MO＝Δy＝y⁺-y^-，其中下标H表示入射光为H光，且H光为水平偏振光；

(3)、根据待测溶液浓度和其折射率之间的公式以及磁光光自旋霍尔效应的值和待测溶液折射率的值，拟合出待测溶液浓度和折射率的公式，计算出待测溶液浓度的值。

更进一步的，待测溶液浓度的计算方法包括，

由磁光光自旋霍尔效应的值与待测溶液折射率n的关系为

δ_MO＝η_{(θ,λ,dn,εn)}n

其中，η为相关系数，θ为入射角，λ为入射光波长，dn为样品的厚度，ε_n为样品的介电常数，其中η由θ、λ、dn以及ε_n决定。

溶液浓度线性拟合公式

n＝ax+b

x为待测溶液浓度，a、b由溶液溶质决定，因此溶液浓度计算的最终公式为

本发明还提供一种基于磁光光自旋霍尔效应测量装置的第一溶液传感灵敏度的测量方法，该第一溶液传感灵敏度的测量以及计算方法包括：

(1)、向微流体通道注入待测溶液，待液体静止后，调节第一偏振镜、第二偏振镜以及半波片，直到CCD图像传感器上的光斑至大小、形状以及亮度均匀且关于水平轴对称分布；

(2)、将永磁体放入微流体通道下方和/或上方，记此时的磁场方向为正，并记录CCD中光斑质心在纵向上的位置为y⁺，此时光自旋霍尔效应的值SHEL为

翻转永磁体，记此时的磁场方向为负，再次记录CCD中光斑质心在纵向上的位置为y^－，此时光自旋霍尔效应的值为

δ_MO代表磁光光自旋霍尔效应的值，磁光光自旋霍尔效应的值为：

且在数值上，δ_MO＝Δy＝y⁺-y^-，其中下标H表示入射光为H光，为水平偏振光；

(3)、根据磁光光自旋霍尔效应值δ_MO，第一溶液传感灵敏度k为

n为待测溶液的折射率。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、通过在棱镜和第二偏振镜之间增加光阑，提高了光斑的成像质量，增大了实验精度以及测量的灵敏度。

2、通过设置永磁体，增加与棱镜竖轴平行的磁场方向，不仅可以消除背景噪音，且提高了测量的精度。

3、测量出来的磁光光自旋霍尔效应的值相比与光自旋霍尔效应的值更大、更准确。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为溶液浓度测量装置示意图

图2为光斑分裂发生装置结构示意图

图中标识：

1、激光器；2、半波片；3、第一透镜；4、第一偏振镜；5、棱镜；6、样品；7、微流体芯片；8、光阑；9、第二偏振镜；10、第二透镜；11、CCD图像传感器；12、微流体通道；13、永磁体。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

如图1或2所示，本实施列公开了一种基于磁光光自旋霍尔效应溶液浓度的测量装置，一种基于光自旋霍尔效应溶液浓度的测量装置，包括激光器1、半波片2、第一透镜3、第一偏振镜4、棱镜5、永磁体13、光阑8、第二偏振镜9、第二透镜10以及CCD图像传感器11，所述激光器1用于生成不同波长的激光光源，所述激光器1产生的激光经半波片2、第一透镜3、第一偏振镜4进入携带微流体芯片7的棱镜5，所述棱镜5斜面依次贴合设置有样品6、微流体芯片7；所述棱镜5为二氧化硅棱镜，采用二氧化硅棱镜，可以减少实验过程中多次反射或折射的影响并且排除空气间隙的影响；棱镜竖直斜面使紧贴棱镜样品是完全竖直，使光束入射面垂直与样品的同时保证了磁场方向完全垂直于光束入射面，并发生横向磁光克尔效应；所述微流体芯片7顶部设置有微流体通道12，用于注入待测溶液；光束入射到棱镜5上后，贴合在棱镜上的样品6厚度为纳米级别的，因此实际光线会透射到待测溶液之后再发生反射，因棱镜5和样品6以及待测溶液之间的折射率不同，当光束入射入折射率不同的材料上的时候，在发生反射的界面上发生光自旋霍尔效应，并造成光束分裂反射出A光束和B光束；所述第一透镜3为聚焦透镜，所述第二透镜10为准直透镜；所述第一透镜3和第二透镜10共焦，第一透镜3和第二透镜10之间的距离为沿光路方向上的第一透镜3和第二透镜10的焦距之和；第一透镜3用来对光束进行聚焦，第一偏振镜4将激光光源转为线偏振光；所采用的偏振镜为格兰激光偏振镜，格兰激光偏振镜具有带宽覆盖紫外光、可见光以及中红外光、高偏振度高透过率等优点，使出射的偏振光的偏振度更好；

其中调节半波片2可以改变入射光的光强避免超过CCD图像传感器11的测量范围；所述反射后的A光束和B光束经光阑8、第二偏振镜9、第二透镜10进入CCD图像传感器11，光阑8主要用来滤除在测量系统本身中产生的杂散光，提升成像的清晰度与测试的准确性；第二透镜10主要用于准直产生干涉之后的光束；CCD图像传感器11和电脑连接，通过电脑来观察在CCD图像传感器11上分裂出的光斑大小；光束在经过第二偏振镜9的时候，两个自旋分量干涉产生一强度较弱的单个高斯形强度分布，使其重心位置远大于自旋分量的初始横向漂移，因此可以有效的测量出光自旋霍尔效应的初始横移值；所述永磁体13设置在所述棱镜5下方和/或上方，且磁场方向与棱镜5竖轴平行，永磁体13用来提供一个磁场方向，使得光在入射到棱镜5表面上的时候，发生横向磁光克尔效应，因此当光入射入棱镜5的表面上的时候，会在横向磁光克尔效应的作用下发生磁光光自旋霍尔效应，并能通过CCD图像传感器11测得光自旋霍尔效应的值。

实施列二

本实施例对实施例一所述的装置进行如下限定，激光器型号为SPL－HN3.0P，波长为632.8nm，且出射的激光光束直径为0.6mm，偏振比为500：1，第一透镜3的焦距为100mm，第二透镜10的焦距为250mm，第一透镜3和第二透镜10在沿光路上的距离和为350mm，激光从棱镜5入射到样品6的入射角为50°～60°。

实施例三

本实施列公开了基于磁光光自旋霍尔效应溶液浓度测量装置的溶液浓度测量方法，通过电脑对本实验进行仿真，可以从仿真结果上可以推导出在反射率较低的角度下，测得的MOSHEL的值比较大的，根据数值仿真的结果，使得激光从棱镜5入射到样品6的入射光角度为50°～60°时，调节出来的光斑效果是最佳的效果。因此向微流体通道12缓缓注入待测溶液，等待测溶液静止后，调节第一偏振镜4、第二偏振镜9以及半波片2，直到CCD图像传感器11呈现出两个大小、形状以及亮度均匀且关于水平轴对称分布的光斑为止，并将此时的对称分布的光斑作为基准；之后将永磁体13放入微流体通道12的下方或上方，或者分别在上方和下方同时放入永磁体13，使得磁场方向和棱镜5竖轴的方向平行，并记录此时的磁场方向为正，同时记录CCD图像传感器11中光斑质心在纵向上的位置为y⁺，此时光自旋霍尔效应的值SHEL为

翻转永磁体，记此时的磁场方向为负，再次记录CCD中光斑质心在纵向上的位置为y^－，此时光自旋霍尔效应的值为

δ_MO代表磁光光自旋霍尔效应的值，因此磁光光自旋霍尔效应的值为：

且

在数值上等于正向磁场下CCD图像传感器上光斑质心坐标y+减去反向磁场下CCD图像传感器上光斑质心坐标y－，则有δ_MO＝Δy＝y⁺-y^-，其中下标H代表入射光H光，为水平偏振光；根据待测溶液浓度和其折射率之间的公式、磁光光自旋霍尔效应的值和待测溶液折射率的值，拟合出待测溶液浓度和折射率的公式，计算出待测溶液浓度的值；这种计算溶液浓度的方法适用于溶液浓度与其折射率之间存在一定的线性关系的溶液，且在特定折射率区间可以实现极高的灵敏度。

根据以上测量磁光光自旋霍尔效应测量装置的测量方法，可以得出待测溶液浓度的计算方法包括：

由磁光光自旋霍尔效应的值与待测溶液折射率n的关系为

δ_MO＝η_{(θ,λ,dn,εn)}n

其中η为相关系数，θ为入射角，λ为入射光波长，dn为样品6的厚度，ε_n为样品6的介电常数，其中η由θ、λ、dn以及ε_n决定，θ、λ、dn以及ε_n这四个参数是在整个实验过程中得到的一个确定的值，可以通过确定的值来计算出磁光光自旋霍尔效应δ_MO的值；且在确定的传感系统当中，η为定值；溶液浓度线性拟合公式为n＝ax+b，x为待测溶液浓度，a、b由溶液溶质决定，可以推导出待测溶液浓度

因δ_MO＝Δy＝y⁺-y^-，可推导出溶液浓度计算的最终公式为

因此可以算出待测溶液的浓度。

实施列四

基于实施列一溶液浓度测量装置或实施列三的溶液浓度测量装置的测量测量方法，可以得出第一溶液或待测溶液传感灵敏度的计算方法，第一溶液为折射率已知的溶液，则第一溶液和待测溶液的传感灵敏度的计算方法包括：根据磁光光自旋霍尔效应值δ_MO，则第一溶液传感灵敏度k可表示为

n表示的是待测溶液的折射率。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (2)

1.一种基于磁光光自旋霍尔效应的溶液浓度测量装置的溶液浓度测量方法，其特征在于：所述基于磁光光自旋霍尔效应的溶液浓度测量装置包括激光器、半波片、第一透镜、第一偏振镜、棱镜、第二偏振镜、第二透镜以及CCD图像传感器，所述激光器用于生成不同波长的激光光源；所述第一透镜为聚焦透镜；所述第二透镜为准直透镜；所述第一透镜和第二透镜共焦；所述基于光自旋霍尔效应的溶液浓度测量装置还包括永磁体以及光阑；所述永磁体设置在所述棱镜下方和/或上方，且磁场方向与棱镜的竖轴平行；所述光阑设置在所述棱镜与所述第二偏振镜之间；所述棱镜斜面依次贴合设置有样品、微流体芯片；所述微流体芯片顶部设置有微流体通道；所述激光器产生的激光经半波片、第一透镜、第一偏振镜进入携带微流体芯片的棱镜，以反射出A光束和B光束；所述A光束和B光束经光阑、第二偏振镜、第二透镜进入CCD图像传感器；

所述溶液浓度测量方法包括：

(1)、向微流体通道注入待测溶液，待液体静止后，调节第一偏振镜、第二偏振镜以及半波片，直到CCD图像传感器上的光斑至大小、形状以及亮度均匀且关于水平轴对称分布；

(2)、将永磁体放入微流体通道下方和/或上方，记此时的磁场方向为正，并记录CCD中光斑质心在纵向上的位置为y⁺，此时光自旋霍尔效应的值SHEL为

翻转永磁体，记此时的磁场方向为负，再次记录CCD中光斑质心在纵向上的位置为y^-，此时光自旋霍尔效应的值为

δ_MO代表磁光光自旋霍尔效应的值，磁光光自旋霍尔效应的值为：

且在数值上，δ_MO＝Δy＝y⁺-y^-，其中下标H表示入射光为H光，为水平偏振光；

(3)、根据待测溶液浓度和其折射率之间的公式以及磁光光自旋霍尔效应的值和待测溶液折射率的值，拟合出待测溶液浓度和折射率的公式，计算出待测溶液浓度的值；计算待测溶液浓度的方法包括：

由磁光光自旋霍尔效应的值与待测溶液折射率n的关系为

δ_MO＝η_{(θ,λ,dn,εn)}n

其中η为相关系数，θ为入射角，λ为入射光波长，dn为样品的厚度，ε_n为样品的介电常数，其中η由θ、λ、dn以及ε_n决定，

溶液浓度线性拟合公式为

n＝ax+b

x为待测溶液浓度，a、b由待测溶液溶质决定的两个参数，

因此溶液浓度计算的最终公式为

2.一种基于磁光光自旋霍尔效应的溶液浓度测量装置的溶液传感灵敏度的测量方法，其特征在于，所述基于磁光光自旋霍尔效应的溶液浓度测量装置包括激光器、半波片、第一透镜、第一偏振镜、棱镜、第二偏振镜、第二透镜以及CCD图像传感器，所述激光器用于生成不同波长的激光光源；所述第一透镜为聚焦透镜；所述第二透镜为准直透镜；所述第一透镜和第二透镜共焦；所述基于光自旋霍尔效应的溶液浓度测量装置还包括永磁体以及光阑；所述永磁体设置在所述棱镜下方和/或上方，且磁场方向与棱镜的竖轴平行；所述光阑设置在所述棱镜与所述第二偏振镜之间；所述棱镜斜面依次贴合设置有样品、微流体芯片；所述微流体芯片顶部设置有微流体通道；所述激光器产生的激光经半波片、第一透镜、第一偏振镜进入携带微流体芯片的棱镜，以反射出A光束和B光束；所述A光束和B光束经光阑、第二偏振镜、第二透镜进入CCD图像传感器；

所述溶液传感灵敏度的测量方法包括：

(1)、向微流体通道注入第一溶液，待液体静止后，调节第一偏振镜、第二偏振镜以及半波片，直到CCD图像传感器上的光斑至大小、形状以及亮度均匀且关于水平轴对称分布；

(2)、将永磁体放入微流体通道下方和/或上方，记此时的磁场方向为正，并记录CCD中光斑质心在纵向上的位置为y⁺，此时光自旋霍尔效应的值SHEL为

翻转永磁体，记此时的磁场方向为负，再次记录CCD中光斑质心在纵向上的位置为y^-，此时光自旋霍尔效应的值为

δ_MO代表磁光光自旋霍尔效应的值，磁光光自旋霍尔效应的值为：

且在数值上，δ_MO＝Δy＝y⁺-y^-，其中下标H表示入射光为H光，为水平偏振光；

(3)、根据磁光光自旋霍尔效应值δ_MO，第一溶液传感灵敏度k为

n为第一溶液的折射率。

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