CN116660209A - 基于量子弱测量的双流道液体折射率传感系统 - Google Patents
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Abstract
基于量子弱测量的双流道液体折射率传感系统，包含沿光路依次设置的SLD光源、高斯滤光片、偏振片Ⅰ、带流道的棱镜Ⅰ、带流道的棱镜Ⅱ、四分之一波片、相位补偿器SBC、偏振片Ⅱ和光谱仪。SLD光源发射宽谱光，经过高斯滤光片后形成中心波长为830nm，带宽为10nm的窄带高斯光并在偏振片Ⅰ处进行前选择；前选择后的光到达带流道的棱镜后发生两次全反射后出射，出射后的光经过四分之一波片和相位补偿器SBC进行正交偏振的相位调节；相位调节后的光通过偏振片Ⅱ进行后选择，后选择后的光入射至光谱仪的接收耦合头，光谱仪与计算机电连接，计算机根据光谱数据计算得到中心波长位移，再由中心波长位移计算得到待测液的折射率和浓度。本发明具有更高的灵敏度和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于高精度液体折射率检测领域，具体涉及一种基于量子弱测量的双流道液体折射率传感系统。
背景技术
随着精密制造和精密加工的发展，对于液体折射率的精密传感的需求日益增加。液体的折射率测量在许多邻域有应用，在工业制造和工艺中，需要使用折射率测量技术和在线折光仪产品等进行工业工艺过程控制，如测量溶液的浓度、溶质成分变化等；在生命科学领域，可以通过测量液体的折射率来了解液体的光学特性，进行生物化学分析和医学药学检测。因此，寻找一种灵敏度高、受环境干扰小的液体折射率传感系统一直是新型折射率传感器研究的热点。
目前使用较为广泛的光学液体折射率传感器主要有超材料传感器、光纤光栅传感器和迈克尔逊干涉仪传感器等，这些光学传感器有着不受电磁干扰、测量精度高、可集成化等优点，但这些传感器普遍存在稳定性差、灵敏度低等缺陷。超材料传感器有着较高的灵敏度和品质因数，但是制备过程复杂且成本高昂，实际使用中发现超材料传感器的信噪比较低，不能满足微小信号的探测需求；光纤光栅传感器和迈克尔逊干涉仪传感器的原理简单、制作成本低廉，但是容易受到环境噪声、温度变化等影响而降低测量精度。
基于量子弱测量的反射式传感器是一种基于量子弱测量原理的液体折射率传感器，可以实现观测值的弱值放大，从而提高测量的灵敏度和精度。通过选取不同的指针，它还可以实现微小信号的放大，实现非破坏性的测量，保留被测系统的量子信息。因此，基于量子弱测量的反射式传感器常被应用于生物分子、纳米结构、光学材料等领域的高灵敏度检测。直线共路的设置，使得正交偏振光受环境影响的部分相互抵消，只留下待测液体引入的相位信息，因而系统具有较强的抗干扰能力。然而，传统的反射式传感系统只涉及一个流道，光在棱镜-待测液表面也只发生一次全反射，这使得液体的折射率探测较为局限，只能探测某点的折射率变化情况。由于单次反射引入的相位差较小，传统反射式传感系统虽然存在着稳定性强等优点，但是其灵敏度相较于透射式传感系统更低。因此，需要研制一种兼顾稳定性强和灵敏度高的量子弱测量传感系统，满足液体折射率的精密传感的需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供基于量子弱测量的双流道液体折射率传感系统。
本发明的第一个方面提供基于量子弱测量的双流道液体折射率传感系统，包含沿光路依次设置的SLD光源(1)、高斯滤光片(2)、偏振片Ⅰ(3)、带流道的棱镜Ⅰ(4)、带流道的棱镜Ⅱ(5)、四分之一波片(6)、相位补偿器SBC(7)、偏振片Ⅱ(8)和光谱仪(9)，所述带流道的棱镜(4)(5)由直角棱镜和亚克力材质流道经紫外胶粘合而成，测量时通以待测液(10)；
所述SLD光源(1)发射宽谱光，宽谱光经过高斯滤光片(2)后形成高斯光并在偏振片Ⅰ(3)处进行前选择；前选择后的光到达带流道的棱镜Ⅰ(4)和带流道的棱镜Ⅱ(5)后发生两次全反射后出射，出射后的光经过四分之一波片(6)和相位补偿器SBC(7)进行正交偏振的相位调节；相位调节后的光通过偏振片Ⅱ(8)进行后选择，后选择后的光入射至光谱仪(9)的接收耦合头；光谱仪(9)与计算机电连接，计算机根据光谱数据计算得到中心波长位移，再由中心波长位移计算得到待测液(10)的折射率和浓度。
所述计算机根据中心波长位移计算得到待测液(10)的折射率和浓度，包括以下步骤：
(1)设光到达棱镜-待测液表面时入射角为θ，液体的折射率为n。为满足全反射条件，待测液折射率须满足条件n<n0，n0为棱镜的折射率。由于两个棱镜对称放置，两次全反射产生的总相位差Δ＝2Δ0，其中Δ0为单次反射的相位差。根据菲涅尔公式可得：
(2)根据弱测量理论，激光光谱中心波长的位移可表示为：
式中，k为相互作用强度，Δλ为高斯光的谱宽，λ0为高斯光的中心波长，Aw为观测的弱值，Δ为反射产生的总相位差，δ为波片和相位补偿器引入的相位差常量，γ是与偏振片角度有关的常量；
(3)综合步骤1和2的公式，得到中心波长移动与液体折射率的关系为：
(4)通过光谱仪测得光谱分布，用计算机求解得到中心波长位移以及反射产生的相位差Δ，利用公式(1)-(3)，得到待测液的折射率，再根据折射率浓度依赖关系可得待测液浓度。
本发明的第二个方面提供基于量子弱测量的双流道液体折射率探测方法，
本发明的原理是：本发明设计了双流道反射式弱测量系统，通过光在棱镜-待测液表面的两次反射引入正交偏振方向上的相位差，引入的相位差信息耦合入指针中，最终通过中心波长的偏移量读出。基于相位差和液体折射率的对应关系，可以得到待测液体的折射率。量子弱测量利用设备与量子系统产生的弱耦合，再通过测量设备获得量子系统的量子态信息，该过程的关键是选择合适的前选择态和后选择态，即被测系统在耦合前和耦合后的状态，以及合适的弱耦合参数，使得指针的变化能够反映出被测系统某个物理量的弱值，同时保持被测系统的叠加态。弱值反映了被测系统前后选择态之间的非经典关联性，根据弱测量理论，弱值可以表示为：
其中，|ψi>和|ψf>分别为系统的前后选择态，A为系统演化的可观测算符。显然，当前后选择态接近正交时，弱值会远远超出本征值的范围，从而实现弱值放大。对于光学系统来说，可以利用接近正交的两个偏振方向构造前后选择态，实现光学系统中测量对象的放大。在本发明所涉及的系统中，选取正交偏振方向的相位差作为放大对象。据此可以设计基于全反射的弱测量系统，将待测折射率引入的相位信息耦合进入指针中，再通过出射光谱中心波长的移动读出相位信息，经过相位折射率关系和折射率浓度关系的换算，即可实现对液体折射率和浓度的实时检测。
本发明的有益效果是：
1、相较于传统的反射式传感系统，额外棱镜的加入使得灵敏度提升一倍，且在新加入棱镜处可以实现液体的二次探测和差分探测，在增加少量成本的情况下大幅提升系统检测性能，同时提供了差分探测的新型工作模式。
2、相较于透射式传感系统，由于共路系统的设置，避免了偏振光束分离后受环境影响而引入额外相位差，有效的相位差变化仅在全反射和波片、相位补偿器中可控地引入，系统更为稳定。
附图说明
图1是本发明的工作光路示意图。
图2a～图2c是本发明实验测试数据图，其中，图2a是操作过程中观察到的双峰引发的中心波长位移，图2b是对氯化钠溶液进行浓度梯度测试的数据，图2c是平滑处理后的实验数据。
图3a～图3b是本发明实验结果图，其中图3a是单流道系统的葡萄糖浓度定标曲线，图3b是双流道系统的葡萄糖浓度定标曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
参照附图1，基于量子弱测量的双流道液体折射率传感系统，根据弱测量原理，在以高斯光谱为指针态的弱测量系统中，选择合适的前后偏振态和弱耦合过程，输出指针中包含弱耦合的信息，通过出射指针态读取待测液体折射率。
基于量子弱测量的双流道液体折射率传感系统，包含沿光路依次设置的SLD光源、高斯滤光片、偏振片PⅠ、带流道的棱镜Ⅰ、带流道的棱镜Ⅱ、四分之一波片、相位补偿器SBC、偏振片PⅡ和光谱仪，所述带流道的棱镜由直角棱镜和亚克力材质流道经紫外胶粘合而成，测量时通以待测液，待测液的折射率应小于直角棱镜的折射率，使得光波在棱镜-待测液表面发生全反射以引入相位差；
所述SLD光源发射宽谱光，经过高斯滤光片后形成中心波长为830nm，带宽为10nm的窄带高斯光并在偏振片PⅠ处进行前选择；前选择后的光到达带流道的棱镜后发生两次全反射后出射，出射后的光经过四分之一波片和相位补偿器SBC进行正交偏振的相位调节；相位调节后的光通过偏振片PⅡ进行后选择，后选择后的光入射至光谱仪的接收耦合头；光谱仪与计算机电连接，计算机根据光谱数据计算得到中心波长位移，再由中心波长位移计算得到待测溶液的折射率和浓度。
本实施例中流道和棱镜经由固定后，在连接处涂以紫外胶并置于紫外灯下照射1分钟。本发明在待测液-棱镜表面发生全反射引入相位差，以实现待测液折射率的测量，因此待测液折射率须满足条件n<n0。
实施例二
基于量子弱测量的双流道液体折射率探测方法，即计算机根据中心波长位移计算得到待测液的折射率变化，包括以下步骤：
(1)设光到达棱镜-待测液表面时入射角为θ，液体的折射率为n。为满足全反射条件，待测液折射率须满足条件n<n0，n0为棱镜的折射率。由于两个棱镜对称放置，两次全反射产生的总相位差Δ＝2Δ0，其中Δ0为单次反射的相位差。根据菲涅尔公式可得：
(2)根据弱测量理论，激光光谱中心波长的位移可表示为：
式中，k为相互作用强度，Δλ为高斯光的谱宽，λ0为高斯光的中心波长，Aw为观测的弱值，Δ为反射产生的总相位差，δ为波片和相位补偿器引入的相位差常量，γ是与偏振片角度有关的常量；
(3)综合步骤1和2的公式，得到中心波长移动与液体折射率的关系为：
(4)通过光谱仪测得光谱分布，用计算机求解得到中心波长位移以及反射产生的相位差Δ，利用公式(1)-(3)，得到待测液的折射率，再根据折射率浓度依赖关系可得待测液浓度。
根据上述步骤进行实验，配置5个等浓度梯度的氯化钠溶液用以测量系统折射率灵敏度。图2a为实验中观察到的弱测量光谱，实验过程采集的中心波长数据如图2b所示，图2c为平滑处理后的数据。分别在单流道和双流道的系统进行测试，最终的折射率中心波长响应曲线如图3a、b所示。灵敏度计算表明，单流道系统和双流道系统的灵敏度分别为204.21nm/RIU和405.66nm/RIU，双流道系统的灵敏度约为单流道系统的两倍，达到了增加灵敏度的预期。
本发明搭建双流道液体折射率探测系统。量子弱测量技术是近年发展迅速的高精度信号探测技术，因其弱值远超观测本征值的特点而受到广泛应用。量子弱测量可以避免一些传统光学传感器存在的问题，例如背景噪声、信号衰减、相位不稳定等。相较于透射式弱测量传感系统而言，本发明采用的共路系统具有稳定性好、测量误差小等优势。相较于传统反射式弱测量传感系统而言，本发明通过增加棱镜的方式，在增加测量位点的同时大幅提升了测量灵敏度，还引入了差分工作模式，能够检测更加细微的折射率变化。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (2)
1.一种基于量子弱测量的双流道液体折射率传感系统，其特征在于：包含沿光路依次设置的SLD光源(1)、高斯滤光片(2)、偏振片Ⅰ(3)、带流道的棱镜Ⅰ(4)、带流道的棱镜Ⅱ(5)、四分之一波片(6)、相位补偿器SBC(7)、偏振片Ⅱ(8)和光谱仪(9)，所述带流道的棱镜Ⅰ(4)、带流道的棱镜Ⅱ(5)均由直角棱镜和亚克力材质流道经紫外胶粘合而成，测量时通以待测液(10)，待测液(10)的折射率应小于直角棱镜的折射率，使得光波在棱镜-待测液表面发生全反射以引入相位差；
所述SLD光源(1)发射宽谱光，宽谱光经过高斯滤光片(2)后形成高斯光并在偏振片Ⅰ(3)处进行前选择；前选择后的光到达带流道的棱镜Ⅰ(4)和带流道的棱镜Ⅱ(5)后发生两次全反射后平行出射，出射的光经过四分之一波片(6)和相位补偿器SBC(7)进行正交偏振的相位调节；相位调节后的光通过偏振片Ⅱ(8)进行后选择，后选择后的光入射至光谱仪(9)的接收耦合头；光谱仪(9)与计算机电连接，计算机根据光谱数据计算得到中心波长位移，再由中心波长位移计算得到待测液(10)的折射率和浓度。
2.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的双流道液体折射率传感系统，其特征在于，所述计算机根据中心波长位移计算得到待测液(10)的折射率和浓度，包括：
(1)设光到达棱镜-待测液表面时入射角为θ，液体的折射率为n。为满足全反射条件，待测液折射率须满足条件n<n0，n0为棱镜的折射率，由于两个棱镜对称放置，两次全反射产生的总相位差Δ＝2Δ0，其中Δ0为单次反射的相位差，根据菲涅尔公式可得：
(2)根据弱测量理论，激光光谱中心波长的位移可表示为：
式中，k为相互作用强度，Δλ为高斯光的谱宽，λ0为高斯光的中心波长，Aw为观测的弱值，Δ为反射产生的总相位差，δ为波片和相位补偿器引入的相位差常量，γ是与偏振片角度有关的常量；
(3)综合步骤1和2的公式，得到中心波长移动与液体折射率的关系为：
(4)通过光谱仪测得光谱分布，用计算机求解得到中心波长位移以及反射产生的相位差Δ，利用公式(1)-(3)，得到待测液的折射率，再根据折射率浓度依赖关系可得待测液浓度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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