CN112198140A - 基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法及其装置 - Google Patents
基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法及其装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了光学领域的一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法及其装置，旨在解决液体折射率测量精度不高的技术问题。其包括：将待测液体注入预先设置的空气夹层中，形成多层介质膜干涉滤光片；利用具有连续光谱的光源垂直入射所述干涉滤光片，并令其透射光垂直入射透射光栅，观测透射中心波长对应的一级衍射角；根据一级衍射角计算待测液体的折射率。本发明能够使用简单的测量设备实现液体折射率的精准测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法及其装置，属于液体折射率测量技术领域。
背景技术
折射率是光学领域的一个基本参数，折射率除了能反映材料的光学性能以外还能反映材料的介电常数、纯度、浓度以及色散等特性，比如糖溶液的含糖浓度，就可以通过测量糖溶液的折射率获取。由于折射率的上述特性，所以液体折射率测量技术在石油化工、光学仪器、食品工业等有关工厂、科研机构及学校被广泛使用。
测量液体折射率的方法很多，按测量原理可以分为折射法，干涉法，全反射法，薄膜法，以及椭圆偏光法。其中，折射法和干涉法测量的原理简单，但测量的精度有限；全反射法具有测量方便快捷、对环境要求不高、不需要单色光源等特点，然而全反射法属于比较测量，所以其测量准确度不高，被测材料的折射率的大小会受到限制。此外，根据全反射原理设计的阿贝折射计可以直接读出待测液体折射率的数值，更加方便快捷，但由于材料的限制，当液体折射率大于棱镜折射率时，结果无法测量。
发明内容
为了解决现有技术中液体折射率测量精度不高、易受限制的问题，本发明提出了一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法及其装置，利用简单的结构和测量仪器实现液体折射率的精准测量，测量误差小，精度高，成本低。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：
第一方面，本发明提出了一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法，具体包括如下步骤：
步骤A、将待测液体注入预先设置的空气夹层中，形成多层介质膜干涉滤光片；
步骤B、利用具有连续光谱的光源垂直入射所述干涉滤光片，并令其透射光垂直入射透射光栅，观测透射中心波长对应的一级衍射角；
步骤C、根据一级衍射角计算待测液体的折射率。
结合第一方面，进一步的，所述空气夹层的生成方法如下：
在两片玻璃基片上分别蒸镀多层高反射介质膜，将两片玻璃基片的膜系面相对后，在介质膜中间放置间隙粒子并贴合，形成空气夹层。
结合第一方面，进一步的，所述步骤A的具体操作为：
将待测液体注入空气夹层，使空气夹层的上半部分为空气，下半部分为待测液体，上下各形成一个多层介质膜干涉滤光片，所述多层介质膜的反射中心波长为λ0。
结合第一方面，进一步的，步骤B的具体操作如下：
步骤B01、利用具有连续光谱的光源照射分光计的竖直狭缝；
步骤B02、利用分光计的物镜进行光波准直后，令光垂直入射干涉滤光片，其中，狭缝上半部分的光入射干涉滤光片的空气部分，狭缝下半部分的光入射干涉滤光片的待测液体部分；
步骤B03、令通过干涉滤光片的透射光垂直入射透射光栅，利用分光计的目镜分别观测待测液体部分与λ0相邻的两个中心波长对应的一级衍射角θ1、θ2和空气部分与λ0相邻的两个中心波长对应的一级衍射角θ3、θ4。
结合第一方面，进一步的，步骤C中待测液体的折射率的计算公式如下：
其中，n为待测液体的折射率。
结合第一方面，进一步的，所述方法还包括如下步骤：
根据一级衍射角θ3、θ4计算空气夹层厚度，具体计算公式如下：
其中，h为空气夹层厚度，d为光栅常数。
第二方面，本发明提出了一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量装置，所述装置包括：
滤光片制作模块，用于设置空气夹层，并将待测液体注入空气夹层中，形成多层介质膜干涉滤光片；
衍射角测量模块，用于利用具有连续光谱的光源垂直入射所述干涉滤光片，并令其透射光垂直入射透射光栅，通过分光计观测透射中心波长对应的一级衍射角；
折射率计算模块，用于根据一级衍射角计算待测液体的折射率。
结合第二方面，进一步的，所述滤光片制作模块包括空气夹层模块和干涉滤光片模块，其中，所述空气夹层模块用于在两片玻璃基片上分别蒸镀多层高反射介质膜，将两片玻璃基片的膜系面相对后，在介质膜中间放置间隙粒子并贴合，形成空气夹层；所述干涉滤光片模块用于将待测液体注入空气夹层中，使空气夹层的上半部分为空气，下半部分为待测液体，上下各形成一个多层介质膜干涉滤光片。
结合第二方面，进一步的，所述装置还包括厚度计算模块，所述厚度计算模块用于根据一级衍射角计算空气夹层的厚度。
采用以上技术手段后可以获得以下优势：
本发明提出了一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法及其装置，使用分光计和衍射光栅进行测量，设备简单，制作要求低，相应的测量成本也低。本发明基于多层介质膜干涉滤光片原理，通过一级衍射角计算待测液体的折射率，所使用的技术成熟，最终计算结果只依赖测量值，与测量设备本身的参数无关，即折射率只跟衍射角有关，跟空气夹层、分光计等的参数无关，因此测量的系统误差小，测量精度更高，且不受测量设备限制。
本发明的空气夹层容量小，只需要使用少量待测液体样本就能满足测量要求，节约成本。此外，本发明不仅能测量液体折射率，还可以利用夹层中的空气部分测量微小厚度，本发明的应用具有很强的扩展性。
附图说明
图1为本发明一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例中多层介质膜干涉滤光片的结构示意图。
图3为本发明实施例中观测透射中心波长对应的一级衍射角的示意图。
图4为本发明实施例中通过待测液体的透射光衍射角与一级衍射光强的关系图。
图5为本发明实施例中通过空气的透射光衍射角与一级衍射光强的关系图。
图6为本发明一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量装置的结构示意图。
图中，1是玻璃基片，2是高反射介质膜，3是间隙粒子，4是待测液体，5是空气，6是光源，7是分光计物镜，8是分光计载物台，9是干涉滤光片，10是透射光栅，11是分光计目镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：
本发明提出了一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤A、将待测液体注入预先设置的空气夹层中，形成多层介质膜干涉滤光片。
如图2所示，空气夹层的生成方法如下：
在两片玻璃基片1上分别蒸镀多层高反射介质膜2，将两片玻璃基片的膜系面相对后，在介质膜中间放置间隙粒子3并贴合，形成空气夹层。
设置好空气夹层后，将少量待测液体注入空气夹层，使空气夹层的上半部分为空气5，下半部分为待测液体4，上下各形成一个多层介质膜干涉滤光片，多层介质膜的反射中心波长为λ0。
步骤B、利用具有连续光谱的光源垂直入射所述干涉滤光片，并令其透射光垂直入射透射光栅，观测透射中心波长对应的一级衍射角；如图3所示，步骤B的具体操作如下：
步骤B01、利用具有连续光谱的光源6照射分光计物镜7前端的竖直狭缝。
步骤B02、利用分光计的物镜进行狭缝光波准直后，令光垂直入射放置在分光计载物台8上的干涉滤光片9，其中，由于本发明干涉滤光片的特殊结构，狭缝上半部分的光入射干涉滤光片的空气部分，狭缝下半部分的光入射干涉滤光片的待测液体部分。
步骤B03、根据干涉滤光片原理，只有特定窄带中心波长的光才能通过干涉滤光片，令通过干涉滤光片的透射光垂直入射放置在载物台中心的透射光栅10，利用分光计目镜11分别观测待测液体部分与λ0相邻的两个中心波长对应的一级衍射角θ1、θ2和空气部分与λ0相邻的两个中心波长对应的一级衍射角θ3、θ4。此时被测中心波长的半宽度较小，衍射角测量误差较小。
步骤C、根据一级衍射角计算待测液体的折射率。
根据干涉滤光片原理，透射光中心波长λ满足下式：
其中，d为光栅常数，n为待测液体的折射率，h为待测液体的膜厚度，即为空气夹层的厚度，m为干涉级次。
设透射光中心波长λ的透射光经光栅衍射的一级衍射角为θ，则根据光栅方程可得：
d sinθ＝λ (4)
根据公式(3)、(4)可得折射率与一级衍射角的关系的关系为：
设θ2＞θ1，且θ1对应的干涉级次为i，根据公式(5)可得：
将公式(6)两行相除并整理获得i的表达式，将i的表达式重新代入公式(6)可得：
设θ4＞θ3，因为空气的折射率为1，所以根据上述推导过程可得：
将公式(8)代入公式(7)，获得待测液体的折射率的计算公式，具体如下：
其中，n为待测液体的折射率。
根据公式(9)可以看出，本发明中的折射率只跟观测的衍射角有关，跟空气夹层、分光计等设备的参数无关，因此测量的系统误差小，测量精度更高，且不受测量设备限制。
本发明方法还包括如下步骤：
在已知光栅常数d的前提下，可以根据一级衍射角θ3、θ4计算空气夹层厚度，具体计算公式如下：
其中，h为空气夹层厚度。
下面本发明通过一个具体的实施例来验证本发明效果：
在本发明实施例中，每片玻璃基片上蒸镀了一组λ0/4高反射膜系，膜系结构为(HL)pH，其中，高折射率材料为硫化锌，低折射率材料为氟化镁，高反中心波长λ0＝550nm，膜层参数p＝3；间隙粒子厚度设置为10μm左右，不需要精确设置。
利用氙灯发出的光入射干涉滤光片，然后让透射光垂直入射衍射光栅，其中，光栅周期为d＝1μm，根据公式(4)可知λ0对应的一级衍射角为θ0＝33°22'。
首先利用分光计目镜观测待测液体部分与θ0最接近的两个相邻一级衍射角θ1、θ2，如图4所示，θ1＝32°56'，θ2＝33°39'。然后利用分光计目镜观测空气部分与θ0最接近的两个相邻一级衍射角θ3、θ4，如图5所示，θ3＝32°44'，θ4＝33°44'。
将θ1,θ2,θ3,θ4的值分别代入公式(9)和公式(10)，可得待测液体的折射率为n＝1.4076，空气夹层的厚度为h＝10.28μm。
通过实验可以看出，本发明能够只利用观测的衍射角来计算待测液体的折射率和空气夹层厚度，方便快捷且测量结果准确。
本发明还提出了一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量装置，如图6所示，装置包括滤光片制作模块、衍射角测量模块、折射率计算模块和厚度计算模块，其中，滤光片制作模块主要用于设置空气夹层，并将待测液体注入空气夹层中，形成多层介质膜干涉滤光片；衍射角测量模块主要用于利用具有连续光谱的光源垂直入射所述干涉滤光片，并令其透射光垂直入射透射光栅，通过分光计观测透射中心波长对应的一级衍射角；折射率计算模块主要用于根据一级衍射角计算待测液体的折射率；厚度计算模块主要用于根据一级衍射角计算空气夹层的厚度。
本发明装置中的滤光片制作模块包括空气夹层模块和干涉滤光片模块，其中，空气夹层模块用于在两片玻璃基片上分别蒸镀多层高反射介质膜，将两片玻璃基片的膜系面相对后，在介质膜中间放置间隙粒子并贴合，形成空气夹层；干涉滤光片模块用于将待测液体注入空气夹层中，使空气夹层的上半部分为空气，下半部分为待测液体，上下各形成一个多层介质膜干涉滤光片。
与现有技术相比，本发明基于多层介质膜干涉滤光片原理，通过一级衍射角计算待测液体的折射率，所使用的技术成熟，最终计算结果只依赖测量值，与测量设备本身的参数无关，因此测量的系统误差小，测量精度更高，且不受测量设备限制。而且本发明使用的设备简单，制作要求低，相应的测量成本也低，本发明的空气夹层容量小，只需要使用少量待测液体样本就能满足测量要求，能进一步节约成本。此外，本发明不仅能测量液体折射率，还可以利用夹层中的空气部分测量微小厚度，本发明的应用具有很强的扩展性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A、将待测液体注入预先设置的空气夹层中，形成多层介质膜干涉滤光片；
步骤B、利用具有连续光谱的光源垂直入射所述干涉滤光片，并令其透射光垂直入射透射光栅，观测透射中心波长对应的一级衍射角；
步骤C、根据一级衍射角计算待测液体的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法，其特征在于，所述空气夹层的生成方法如下：
在两片玻璃基片上分别蒸镀多层高反射介质膜，将两片玻璃基片的膜系面相对后，在介质膜中间放置间隙粒子并贴合，形成空气夹层。
3.根据权利要求1所述的一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法，其特征在于，所述步骤A的具体操作为：
将待测液体注入空气夹层，使空气夹层的上半部分为空气，下半部分为待测液体，上下各形成一个多层介质膜干涉滤光片，所述多层介质膜的反射中心波长为λ0。
4.根据权利要求3所述的一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法，其特征在于，步骤B的具体操作如下：
步骤B01、利用具有连续光谱的光源照射分光计的竖直狭缝；
步骤B02、利用分光计的物镜进行光波准直后，令光垂直入射干涉滤光片，其中，狭缝上半部分的光入射干涉滤光片的空气部分，狭缝下半部分的光入射干涉滤光片的待测液体部分；
步骤B03、令通过干涉滤光片的透射光垂直入射透射光栅，利用分光计的目镜分别观测待测液体部分与λ0相邻的两个中心波长对应的一级衍射角θ1、θ2和空气部分与λ0相邻的两个中心波长对应的一级衍射角θ3、θ4。
5.根据权利要求4所述的一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法，其特征在于，步骤C中待测液体的折射率的计算公式如下：
其中，n为待测液体的折射率。
6.根据权利要求4所述的一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
根据一级衍射角θ3、θ4计算空气夹层厚度，具体计算公式如下：
其中，h为空气夹层厚度，d为光栅常数。
7.一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量装置，其特征在于，所述装置包括：
滤光片制作模块，用于设置空气夹层，并将待测液体注入空气夹层中，形成多层介质膜干涉滤光片；
衍射角测量模块，用于利用具有连续光谱的光源垂直入射所述干涉滤光片，并令其透射光垂直入射透射光栅，通过分光计观测透射中心波长对应的一级衍射角；
折射率计算模块，用于根据一级衍射角计算待测液体的折射率。
8.根据权利要求7所述的一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量装置，其特征在于，所述滤光片制作模块包括空气夹层模块和干涉滤光片模块，其中，所述空气夹层模块用于在两片玻璃基片上分别蒸镀多层高反射介质膜，将两片玻璃基片的膜系面相对后，在介质膜中间放置间隙粒子并贴合，形成空气夹层；所述干涉滤光片模块用于将待测液体注入空气夹层中，使空气夹层的上半部分为空气，下半部分为待测液体，上下各形成一个多层介质膜干涉滤光片。
9.根据权利要求7所述的一种基于多层介质膜干涉滤光片的液体折射率测量装置，其特征在于，所述装置还包括厚度计算模块，所述厚度计算模块用于根据一级衍射角计算空气夹层的厚度。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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