CN111693491B - 基于法-珀干涉的透明流体折射率的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于法‑珀干涉的透明流体折射率的测量方法，获取多个双光束法‑珀干涉结构传感器，分别接入宽谱光源和光谱仪，获取其测量光谱图；将传感器的法‑珀腔中填充满待测介质，获取各传感器的检测光功率谱，并由入射光功率谱进行归一化处理；选取上述传感器在相同波段范围内的归一化图谱，以及波谷的波长值，设置各传感器大于波谷数量的正整数系数，分别描绘各传感器在不同系数取值下得到的折射率计算值随波谷变化散点图，获取这些传感器散点曲线重合度最高时的系数值，根据散点所描绘的曲线即为待检测介质折射率在选取波段范围内的折射率曲线。本发明中操作简单方便，精确度高，能检测待测介质在多个波长下的折射率等优点。

Description

基于法-珀干涉的透明流体折射率的测量方法
技术领域
本发明涉及一种折射率的测量方法，具体涉及一种基于法-珀干涉的透明流体折射率的测量方法。
背景技术
折射率是表征分析物质的一个关键参数，精确测量物质的折射率在工业生产、医疗诊断、材料分析、以及光器件制造等方面都有着十分重要的意义。物质的折射率在不同光波长是不同的，但是现在最为普遍应用的阿贝折射仪能适用于介质在589.3nm波长的折射率测量，若希望由阿贝折射仪实现介质在其他波长下的折射率测量，则需要有特定波长的单色光源或滤波器件以及观察方法，且测量与计算较为复杂。近年来，各种光纤类折射率传感器得到了研究人员的广泛关注，但是用于介质在不同波长折射率测量的研究较少。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种操作简单方便，精确度高，能测量透明流体在检测波长范围内的折射率的测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于法-珀干涉的透明流体折射率测量方法，包括以下步骤：
(a)获取至少两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器，所有传感器的F-P腔的几何腔长值已知且互不相同，以传感器n和Ln分别表示第n个传感器以及该传感器F-P腔的几何腔长值；分别接入宽谱光源和光谱仪，入射光以垂直于传感器法-珀腔界面的方向入射，以能够获取其测量光谱图；
(b)将步骤(a)中的n个传感器的法-珀腔中填充满待测介质，获取各传感器的检测光功率谱Ir(λ)，λ表示光波长，由入射光的功率谱I(λ)对检测光功率谱进行归一化处理，获得各传感器的归一化图谱R(λ)＝Ir(λ)/I(λ)；
(c)选取上述n个传感器在相同波段范围内的归一化图谱，分别获取各传感器归一化图谱中波谷的波长值，各自将归一化图谱中波谷的波长值按照从小到大进行排列，并以λn·m表示第n个传感器在该选取波段范围内第m个波谷的波长值；
(d)设置大于第n个传感器波谷数量的正整数Kn为第n个传感器的系数，分别描绘散点(λ1·m,(K1-m)λ1·m/2L1)在不同K1取值下、散点(λ2·m,(K2-m)λ2·m/2L2)在不同K2取值下、…、散点(λn·m,(Kn-m)λn·m/2Ln)在不同Kn取值下构成的曲线，获取散点(λ1·m,(K1-m)λ1·m/2L1)曲线、散点(λ2·m,(K2-m)λ2·m/2L2)曲线、…、散点(λn·m,(Kn-m)λn·m/2Ln)曲线重合度最高时K1、K2、…、Kn的取值，分别设置为H1、H2、…、Hn；
(H1-m)λ1·m/2L1即为待检测介质在λ1·m波长下的折射率，(H2-m)λ2·m/2L2即为待检测介质在λ2·m波长下的折射率，…，(Hn-m)λn·m/2Ln即为待检测介质在λn·m波长下的折射率；根据散点(λn·m,Knλn·m/2Ln)所描绘的曲线即为待检测介质折射率在步骤(c)中选取波段范围内的折射率曲线。
光束以近乎垂直于法-珀腔界面的方向入射，并在开放式的双光束法-珀干涉结构传感器的两个法-珀界面先后发生反射，忽略高阶反射光束的影响，可将检测光谱视为双光束干涉的结果。获取两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器，记录为FP1和FP2，FP1和FP2的法-珀腔内填充满同一待检测介质后的反射光功率谱R’1(λ)和R’2(λ)，并分别由FP1与FP2的入射光功率谱I’1(λ)，I’2(λ)分别进行归一化处理后应满足如下公式。
R1(λ)＝R′1(λ)/I1(λ)＝A1+B1cos(4πn(λ)L1/λ+π) (1)
R2(λ)＝R′2(λ)/I2(λ)＝A2+B2cos(4πn(λ)L2/λ+π) (2)
在(1)式中，R1(λ)为FP1的归一化反射光谱，R2(λ)为FP2的归一化反射光谱，λ为光波长，n(λ)为待测介质折射率随波长变化的函数；L1、L2分别是FP1和FP2的几何长度；A1、A2；B1、B2可视分别视为与法-珀腔结构、腔内待测介质等因素有关的常数。故FP1的归一化光谱中的波谷λk以及波谷对应的级次k应满足(3)式，k为正整数；FP2的归一化光谱中的波谷λp以及波谷对应的级次p应满足(4)式，p为正整数；
4πn(λk)L1/λk＝2πk (3)
4πn(λp)L2/λp＝2πp (4)故待测介质的折射率n(λ)应同时满足下式：
n(λk)＝kλk/2L1 (5)
n(λp)＝pλp/2L2 (6)
因为FP1和FP2的法-珀腔内填充的是同一介质，n(λ)相同，故若以波长为横坐标，散点kλk/2L1、(k-1)λk-1/2L1、…和散点pλp/2L2、(p-1)λp-1/2L2、…描绘的曲线应是相同的，可以由此同时确定在监测光谱范围内介质在不同波长下的折射率n(λk)以及n(λp)。
综上所述，本发明的有益效果在于：本发明中操作简单方便，精确度高，以及能够测量透明流体在检测波长范围内的折射率。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为传感器1和传感器2在1530～1600nm波段范围内对去离水测量的归一化图谱；
图2为去离水测量中散点(λ1·m，(K1-m)λ1·m/2L1)在不同K1取值下的图像，以及散点(λ2·m，(K2-m)λ2·m/2L2)不同K2取值下的图像；
图3为传感器1和传感器2在1530～1600nm波段范围内对15％蔗糖溶液测量的归一化图谱；
图4为15％蔗糖溶液测量中散点(λ1·m，(K1-m)λ1·m/2L1)在不同K1取值下的图像，以及散点(λ2·m，(K2-m)λ2·m/2L2)不同K2取值下的图像；
图5为传感器1和传感器2在1530～1600nm波段范围内对15％氯化钠溶液测量的归一化图谱；
图6为15％氯化钠测量中散点(λ1·m，(K1-m)λ1·m/2L1)在不同K1取值下的图像，以及散点(λ2·m，(K2-m)λ2·m/2L2)不同K2取值下的图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本具体实施方式中的基于法-珀干涉的透明流体折射率的测量方法，包括以下步骤：
(a)获取两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器，设置为传感器1和传感器2，传感器1的几何腔长值L1为86482.25nm，传感器2的几何腔长值L2为75699.49nm，传感器1和传感器2分别接入宽谱光源和光谱仪以能够获取其检测光谱，入射光以垂直于传感器法-珀腔界面的方向入射；
开放式的双光束法-珀干涉结构传感器可以采用如下方法进行制作：一段长2cm，内径150μm外径500μm的石英毛细管，它的中间部分经抛磨处理制作出U型缺口，将去除涂覆层直径为125μm的无芯光纤插入毛细管一端，在毛细管端口上涂上光学胶，并填充进光纤和毛细管之间的部分缝隙，调整无芯光纤端面位于U型缺口后，使用紫外光对光学胶进行固化，随后将端面平整、包层裸露大约10mm的标准单模光纤尾纤插入毛细管中，同样在毛细管端口和缝隙涂覆光学胶，调整U型缺口内单模光纤和无芯光纤两平整端面的距离，构成开放式F-P腔，由光谱仪、光纤环形器对单模光纤的反射光谱进行检测，在获得满意的F-P空腔光谱后使用紫外光对光学胶进行固化处理；
(a)将步骤(a)中的传感器1和传感器2的法-珀腔中填充满去离子水，利用入射光功率谱I(λ)对两传感器的检测光功率谱Ir(λ)进行归一化处理，获得其各自的归一化图谱Ir(λ)/I(λ)；
(c)选取传感器1和传感器2在1530～1600nm波段范围内的归一化图谱，如图1所示，分别获取传感器1和传感器2归一化图谱中波谷的波长值，其中，λ1·1为1538.33nm，λ1·2为1548.53nm，λ1·3为1558.86nm，λ1·4为1569.319nm，λ1·5为1579.925nm，λ1·6为1590.678nm；λ2·1为1533.154nm，λ2·2为1544.75nm，λ2·3为1556.494nm，λ2·4为1568.431nm，λ2·5为1580.539nm，λ2·6为1592.837nm；
(d)设置大于传感器1归一化光谱波谷数量的正整数K1为传感器1的系数，设置大于传感器2归一化光谱波谷数量的正整数K2为传感器2的系数，分别描绘散点(λ1·m,(K1-m)λ1·m/2L1)在不同K1取值下构成的曲线，以及散点(λ2·m,(K2-m)λ2·m/2L1)在不同K2取值下构成的曲线，获取传感器1和传感器2曲线重合度最高时的K1、K2的取值，分别设置为H1、H2，故H1＝149，H2＝131；
此时(H1-m)λ1·m/2L1即为待检测介质在λ1·m波长下的折射率，(H2-m)λ2·m/2L2即为去离子水在λ2·m波长下的折射率，如表1所示，根据散点(λ1·m，(H1-m)λ1·m/2L1)以及散点(λ2·m，(H2-m)λ2·m/2L2)所描绘的曲线(如图2中虚线)即为去离子水折射率在1530～1600nm波段范围内的折射率曲线。
Figure BDA0002609957580000041
表1
实施例2
获取两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器，设置为传感器1和传感器2，传感器1的几何腔长值L1为86482.25nm，传感器2的几何腔长值L2为75699.49nm，传感器1和传感器2分别接入宽谱光源和光谱仪以能够获取其监测光谱，入射光以垂直于传感器法-珀腔界面的方向入射；
使用去离子水配置质量分数为15％的蔗糖溶液，将传感器1和传感器2的法-珀腔中填充满该液体，利用入射光功率谱I(λ)对两传感器的检测光功率谱Ir(λ)进行归一化处理，获得其各自的归一化图谱Ir(λ)/I(λ)；
选取传感器1和传感器2在1530～1600nm波段范围内的归一化图谱，如图3所示，分别获取传感器1和传感器2归一化图谱中波谷的波长值，其中，λ1·1为1534.667nm，λ1·2为1544.674nm，λ1·3为1554.779nm，λ1·4为1565.001nm，λ1·5为1575.397nm，λ1·6为1585.906nm；λ1·7为1596.565nm，λ2·1为1536.645nm，λ2·2为1548.104nm，λ2·3为1559.711nm，λ2·4为1571.499nm，λ2·5为1583.451nm，λ2·6为1595.613nm；
设置大于传感器1归一化光谱波谷数量的正整数K1为传感器1的系数，设置大于传感器2归一化光谱波谷数量的正整数K2为传感器2的系数，分别描绘散点(λ1·m,(K1-m)λ1·m/2L1)在不同K1取值下构成的曲线，以及散点(λ2·m,(K2-m)λ2·m/2L1)在不同K2取值下构成的曲线，获取传感器1和传感器2曲线重合度最高时的K1、K2的取值，分别设置为H1、H2，故H1＝152，H2＝133；
此时(H1-m)λ1·m/2L1即为15％蔗糖溶液在λ1·m波长下的折射率，(H2-m)λ2·m/2L2即为待检测介质在λ2·m波长下的折射率，如表2所示，根据散点(λ1·m，(H1-m)λ1·m/2L1)以及散点(λ2·m，(H2-m)λ2·m/2L2)所描绘的曲线(如图4中虚线)即为15％蔗糖溶液折射率在1530～1600nm波段范围内的折射率曲线。
Figure BDA0002609957580000051
表2
实施例3
获取两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器，设置为传感器1和传感器2，传感器1的几何腔长值L1为86482.25nm，传感器2的几何腔长值L2为75699.49nm，传感器1和传感器2分别接入宽谱光源和光谱仪以能够获取其监测光谱，入射光以垂直于传感器法-珀腔界面的方向入射；
使用去离子水配置质量分数为15％的氯化钠溶液，将传感器1和传感器2的法-珀腔中填充满该液体，利用入射光功率谱I(λ)对两传感器的检测光功率谱Ir(λ)进行归一化处理，获得其各自的归一化图谱Ir(λ)/I(λ)；
选取传感器1和传感器2在1530～1600nm波段范围内的归一化图谱，如图5所示，分别获取传感器1和传感器2归一化图谱中波谷的波长值，其中，λ1·1为1538.036nm，λ1·2为1548.045nm，λ1·3为1558.153nm，λ1·4为1568.416nm，λ1·5为1578.837nm，λ1·6为1589.381nm，λ2·1为1539.935nm，λ2·2为1551.417nm，λ2·3为1563.058nm，λ2·4为1574.873nm，λ2·5为1586.870nm，λ2·6为1599.028nm；
设置大于传感器1归一化光谱波谷数量的正整数K1为传感器1的系数，设置大于传感器2归一化光谱波谷数量的正整数K2为传感器2的系数，分别描绘散点(λ1·m,(K1-m)λ1·m/2L1)在不同K1取值下构成的曲线，以及散点(λ2·m,(K2-m)λ2·m/2L1)在不同K2取值下构成的曲线，获取传感器1和传感器2曲线重合度最高时的K1、K2的取值，分别设置为H1、H2，分别设置为H1、H2，故H1＝152，H2＝133；
此时(H1-m)λ1·m/2L1即为15％氯化钠溶液在λ1·m波长下的折射率，(H2-m)λ2·m/2L2即为去离子水在λ2·m波长下的折射率，如表3所示，根据散点(λ1·m，(H1-m)λ1·m/2L1)以及散点(λ2·m，(H2-m)λ2·m/2L2)所描绘的曲线(如图6中虚线)即为15％氯化钠溶液折射率在1530～1600nm波段范围内的折射率曲线。
Figure BDA0002609957580000061
表3
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (1)

1.一种基于法-珀干涉的透明流体折射率的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
获取至少两个开放式的双光束法-珀干涉结构传感器，所有传感器的F-P腔的几何腔长值已知且互不相同，以传感器n和Ln分别表示第n个传感器以及该传感器F-P腔的几何腔长值；分别接入宽谱光源和光谱仪，入射光以垂直于传感器法-珀腔界面的方向入射，以能够获取其测量光谱图；
（b）将步骤（a）中的n个传感器的法-珀腔中填充满待测介质，获取各传感器的检测光功率谱I r(λ)，λ表示光波长，由入射光的功率谱I i(λ)对检测光功率谱进行归一化处理，获得各传感器的归一化图谱R(λ)=I r(λ)/I i(λ)；
（c）选取上述n个传感器在相同波段范围内的归一化图谱，分别获取各传感器归一化图谱中波谷的波长值，各自将归一化图谱中波谷的波长值按照从小到大进行排列，并以λn·m表示第n个传感器在该选取波段范围内第m个波谷的波长值；
（d）设置大于第n个传感器波谷数量的正整数Kn为第n个传感器的系数，分别描绘散点(λ1·m, (K1-m)λ1·m/2L1)在不同K1取值下、散点(λ2·m, (K2-m)λ2·m/2L2)在不同K2取值下、…、散点(λn·m, (Kn-m)λn·m/2Ln)在不同Kn取值下构成的曲线，获取散点(λ1·m, (K1-m)λ1·m/2L1)曲线、散点(λ2·m, (K2-m)λ2·m/2L2)曲线、…、散点(λn·m, (Kn-m)λn·m/2Ln)曲线重合度最高时K1、K2、…、Kn的取值，分别设置为H1、H2、…、Hn；
(H1-m)λ1·m/2L1即为待检测介质在λ1·m波长下的折射率，(H2-m)λ2·m/2L2即为待检测介质在λ2·m波长下的折射率，…，(Hn-m)λn·m/2Ln即为待检测介质在λn·m波长下的折射率；根据散点(λn·m, Knλn·m/2Ln)所描绘的曲线即为待检测介质折射率在步骤(c)中选取波段范围内的折射率曲线。
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