CN116359174A - 基于阶梯光栅的折射率传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于阶梯光栅的折射率传感器及其测量方法，属于光干涉计量技术领域，包括依次设置的入射光、样品池、会聚透镜和光谱分析系统，其中样品池位于入射光后方，所述样品池中设有待测样品和阶梯光栅，所述入射光经过待测样品与阶梯光栅后经会聚透镜会聚后到达光谱分析系统进行折射率测量。本发明使用阶梯光栅把入射平行光分割成很多份，滤除衍射光后，构造多光束干涉，设计折射率传感器，同时实现高灵敏度、高分辨率的折射率测量。解决了现有技术中出现的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于阶梯光栅的折射率传感器及其测量方法，属于光干涉计量技术领域。
背景技术
光学干涉仪具有高的测量精度，在精密测量领域有着非常广泛的应用。通过把待测信息转变为折射率变化，并利用基于光学干涉仪的折射率传感器探测，在物理、化学或生物量的检测方面已经有众多的传感器被设计出来。但是，目前同时具有高分辨率、高灵敏度的折射率传感器鲜有报道，单靠高分辨率或者高灵敏度实现高精度的折射率测量，导致对检测设备性能要求很高，成本高昂。
(1)有的折射率传感器分辨率超高，然而灵敏度较低。例如，谐振型干涉仪输出的条纹半高宽很窄，光谱分辨率可以小于0.1pm，甚至更小，所以它们可以检测折射率变化引起的干涉条纹微小漂移，进而实现高精度折射率测量。然而，超高的光谱分辨率，导致该方案需要非常昂贵的光源及光电检测设备，传感器系统成本高昂。此外，该方案的折射率测量灵敏度较低，理论最大灵敏度在103nm/RIU量级，实际灵敏度通常远小于理论值，限制了折射率检测精度。
(2)有的折射率传感器灵敏度很高，但是分辨率不理想。基于微纳光纤设计模式干涉仪，或用飞秒激光在光纤上刻制马赫-曾德尔干涉仪，都可以得到大于104nm/RIU的折射率测量灵敏度；双路径马赫-曾德尔干涉仪，甚至可以实现106nm/RIU的灵敏度。然而，这些干涉仪的条纹较宽，条纹自由光谱范围大于几十至数百纳米，导致光谱分辨率较低，不利于获得高的检测精度。此外，超高的灵敏度还导致折射率传感器的动态范围较小，不利于测量较大范围的折射率变化。因此，怎样对现有的折射率传感器进行改进设计成为目前亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于阶梯光栅的折射率传感器及其测量方法，使用阶梯光栅把入射平行光分割成很多份，滤除衍射光后，构造多光束干涉，设计折射率传感器，同时实现高灵敏度、高分辨率的折射率测量。解决了现有技术中出现的问题。
本发明所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，包括依次设置的入射光、样品池、会聚透镜和光谱分析系统，其中样品池位于入射光后方，所述样品池中设有待测样品和阶梯光栅，所述入射光经过待测样品与阶梯光栅后经会聚透镜会聚后到达光谱分析系统进行折射率测量。
进一步的，会聚透镜和光谱分析系统之间设有光阑，所述光阑用于滤除衍射光。
进一步的，入射光为平行光。
进一步的，入射光为宽带光或激光。
进一步的，阶梯光栅为楼梯状结构，且为透射式阶梯光栅，阶梯光栅通光面大于入射光的横截面。
进一步的，会聚透镜为格林透镜、非球面透镜和常规凸透镜中的一种或多种。
进一步的，待测样品为液体或气体。
进一步的，样品池具有前后两个通光面，所述入射光从前后两个面依次通过。
进一步的，光谱分析系统为光谱仪或光功率计。
本发明是所述的基于阶梯光栅的折射率传感器的测量方法，包括以下步骤：
S1：平行光入射到待测样品与阶梯光栅，然后透射，根据相位延迟量的不同，透射光被分割成很多束，每一束透射光都包含无衍射光，任意相邻两束透射无衍射光的相位差都相同，且该相位差正比于样品折射率与阶梯光栅材料折射率之差；
S2：阶梯光栅的透射光经会聚透镜会聚，利用光阑滤除衍射光，剩余无衍射光发生干涉，随着样品折射率的变化，干涉条纹会发生漂移；
S3：干涉光被传输至光谱分析系统，利用光谱分析系统检测干涉条纹的漂移，实现对待测样品折射率的测量。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明所述的基于阶梯光栅的折射率传感器及其测量方法，使用楼梯状阶梯光栅对入射平行进行分割，从而构造出多光束干涉，压缩干涉条纹光谱半高宽，可以极大提高折射率测量分辨率；选取与待测样品的折射率之差较小的材料制作阶梯光栅，可以获得高的折射率测量灵敏度；在选取阶梯光栅的材料后，通过减小阶梯光栅的台阶宽度，可以增大干涉条纹的自由光谱范围，进而获得大的折射率测量动态范围。
本发明所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，可以实现高分辨率、高灵敏度、大动态范围的折射率测量。解决了现有技术中出现的问题。
附图说明
图1为本发明基于阶梯光栅的折射率传感器的原理图；
图2为本发明基于阶梯光栅的折射率传感器中阶梯光栅的结构图；
图3为本发明基于阶梯光栅的折射率传感器中利用阶梯光栅测量水基样品折射率时的干涉条纹；
图4为测量水基样品时双光束干涉的干涉条纹图；
图5为本发明基于阶梯光栅的折射率传感器中利用阶梯光栅测量水基样品折射率时，随样品折射率增加，干涉条纹向短波长漂移图；
图中：1、入射光；2、阶梯光栅；3、会聚透镜；4、光谱分析系统；5、光阑；6、待测样品；7、样品池。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：
如图1所示，本发明所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，包括依次设置的入射光1、样品池7、会聚透镜3和光谱分析系统4，其中样品池7位于入射光1后方，样品池7中设有待测样品6和阶梯光栅2，入射光1经过待测样品6与阶梯光栅2后经会聚透镜3会聚后到达光谱分析系统4进行折射率测量。
为了进一步说明上述实施例，会聚透镜3和光谱分析系统4之间设有光阑5，光阑5用于滤除衍射光。
为了进一步说明上述实施例，阶梯光栅2与待测样品6的前后顺序可以互换。样品池7具有前后两个通光面，入射光1从前后两个面依次通过。
为了进一步说明上述实施例，入射光1为平行光。
为了进一步说明上述实施例，平行光可以是宽带光，也可以是单色性好的激光。
为了进一步说明上述实施例，如图2所示，阶梯光栅2为楼梯状结构，且为透射式阶梯光栅，阶梯光栅2通光面大于入射光1的横截面。作为优选，阶梯光栅2使用熔石英制作而成，但是本发明不局限于利用熔石英材料制作的阶梯光栅，所有透明材料制作的具有楼梯状结构的透射式阶梯光栅都适用于本发明。
为了进一步说明上述实施例，会聚透镜3为格林透镜、非球面透镜和常规凸透镜中的一种或多种。
为了进一步说明上述实施例，会聚透镜3透射光若经由空气传播至光谱分析系统4，则光阑5为圆孔光阑。会聚透镜3若带有单模尾纤，则会聚透镜3的透射光经由单模光纤传播至光谱分析系统4，单模光纤的数值孔径等效为光阑。
为了进一步说明上述实施例，待测样品6为液体或气体。
为了进一步说明上述实施例，光谱分析系统4为光谱仪或光功率计。若平行光为宽带光，则光谱分析系统4为光谱仪；若平行光为单色激光，光谱分析系统4为光功率计。
本实施例的具体应用如下：
图2为阶梯光栅简图，其中l为台阶宽度，h为台阶高度，假设阶梯光栅2的周期数为N，制作阶梯光栅的材料折射率为n1，样品的折射率为n2，如图1所示，若平行光从左往右垂直入射阶梯光栅，则光谱分析系统4接收到的干涉光强可以表示为：
其中，A为阶梯光栅每个台阶处的透射光振幅，λ为光波长。
若利用石英制作透射式阶梯光栅，假设台阶个数N＝20，台阶宽度l＝18μm，测量水基样品时，得到的干涉条纹如图3所示。利用飞秒激光在单模光纤上刻槽制作的在线式马赫-曾德尔干涉仪，满足双光束干涉，当光纤槽的宽度为18μm时，干涉条纹如图4所示。对比图3与图4，可以看出：台阶个数N＝20的阶梯光栅，相对于双光束干涉，能够压缩干涉条纹半高宽10倍以上，由于干涉条纹较窄，从而可以大幅提高折射率测量分辨率。此外，由于台阶宽度较小，仅仅为18μm，从图3可以看出，形成的干涉条纹自由光谱范围很大，有利于获得大的折射率测量动态范围。
光谱分析系统4接收的第m级亮条纹满足下式：
(n1-n2)l＝mλ (2)
第m级亮条纹的折射率传感灵敏度可以表示为：
若制作阶梯光栅的材料折射率n1大于样品的折射率n2，从公式(3)可知，随着样品折射率的增加，干涉条纹将朝短波方向漂移。
如图5所示，在光波长为1550nm附近，当水基样品的折射n2增加10-3时，干涉条纹朝短波方向蓝移13.3nm。计算可得折射率传感器的灵敏度为1.33×104nm/RIU，实现高灵敏度折射率传感。
综上所述，本发明所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，可以实现高分辨率、高灵敏度、大动态范围的折射率测量，解决现有技术存在的难题。
实施例2：
本发明所述的基于阶梯光栅的折射率传感器的测量方法，包括以下步骤：
S1：平行光入射到待测样品6与阶梯光栅2，然后透射，根据相位延迟量的不同，透射光被分割成很多束，每一束透射光都包含无衍射光，任意相邻两束透射无衍射光的相位差都相同，且该相位差正比于样品折射率与阶梯光栅材料折射率之差；
S2：阶梯光栅2的透射光经会聚透镜3会聚，利用光阑5滤除衍射光，剩余无衍射光发生干涉，形成半高宽较窄的干涉条纹。随着样品折射率的变化，干涉条纹会发生漂移；
S3：干涉光被传输至光谱分析系统4，利用光谱分析系统4检测干涉条纹的漂移，实现对待测样品6折射率的测量。
本实施例在实施例1的基础上，通过实施例1中记载的基于阶梯光栅的折射率传感器进行的测量方法，可以实现高分辨率、高灵敏度、大动态范围的折射率测量。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
采用以上结合附图描述的本发明的实施例的基于阶梯光栅的折射率传感器及其测量方法，使用阶梯光栅把入射平行光分割成很多份，滤除衍射光后，构造多光束干涉，设计折射率传感器，同时实现高灵敏度、高分辨率的折射率测量。解决了现有技术中出现的问题。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于阶梯光栅的折射率传感器，其特征在于：包括依次设置的入射光(1)、样品池(7)、会聚透镜(3)和光谱分析系统(4)，其中样品池(7)位于入射光(1)后方，所述样品池(7)中设有待测样品(6)和阶梯光栅(2)，所述入射光(1)经过待测样品(6)与阶梯光栅(2)后经会聚透镜(3)会聚后到达光谱分析系统(4)进行折射率测量。
2.根据权利要求1所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，其特征在于：所述的会聚透镜(3)和光谱分析系统(4)之间设有光阑(5)，所述光阑(5)用于滤除衍射光。
3.根据权利要求1所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，其特征在于：所述的入射光(1)为平行光。
4.根据权利要求3所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，其特征在于：所述的入射光(1)为宽带光或激光。
5.根据权利要求1所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，其特征在于：所述的阶梯光栅(2)为楼梯状结构，且为透射式阶梯光栅，阶梯光栅(2)通光面大于入射光(1)的横截面。
6.根据权利要求1所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，其特征在于：所述的会聚透镜(3)为格林透镜、非球面透镜和常规凸透镜中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，其特征在于：所述的待测样品(6)为液体或气体。
8.根据权利要求1所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，其特征在于：所述的样品池(7)具有前后两个通光面，所述入射光(1)从前后两个面依次通过。
9.根据权利要求1所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，其特征在于：所述的光谱分析系统(4)为光谱仪或光功率计。
10.一种基于阶梯光栅的折射率传感器的测量方法，应用于权利要求1-9任一所述的基于阶梯光栅的折射率传感器，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
S1：平行光入射到待测样品(6)与阶梯光栅(2)，然后透射，根据相位延迟量的不同，透射光被分割成很多束，每一束透射光都包含无衍射光，任意相邻两束透射无衍射光的相位差都相同，且该相位差正比于样品折射率与阶梯光栅材料折射率之差；
S2：阶梯光栅(2)的透射光经会聚透镜(3)会聚，利用光阑(5)滤除衍射光，剩余无衍射光发生干涉，随着样品折射率的变化，干涉条纹会发生漂移；
S3：干涉光被传输至光谱分析系统(4)，利用光谱分析系统(4)检测干涉条纹的漂移，实现对待测样品(6)折射率的测量。
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