CN205719967U - 一种光纤干涉法测折射率的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤干涉测量折射率的装置，包括激光器光源，环形器，样品池，光电探测器，解调模块，准直器。样品池的一端装有准直仪，准直器中有10％反射90％透射式透镜，样品池的后端为法拉第旋镜。激光器发出的光经过准直器后变成平行光入射进样品池，并且在后端被法拉第旋镜反射回来。法拉第旋镜避免了样品池内入射光和反射光之间的干涉。准直器的反射光和法拉第旋镜的反射光两路光会发生干涉现象。本实用新型测量精度高，结构简单易于实现小型化，可以对气体、液体多种样本进行测量，测量折射率的范围广，可以实现数字化自动测量。

Description

一种光纤干涉法测折射率的装置

技术领域

本实用新型涉及一种光纤干涉法测折射率的装置，通过光纤干涉测量原理对于气体、液体的折射率进行高精度数字化的测量。

背景技术

目前，传统的测定折射率的方法主要是通过阿贝折射率测量仪，阿贝折射率测量仪主要是通过光的全反射原理，在被测液体和棱镜的表面形成全发射现象，从而以临界角的位置为轴线形成明暗分界的区域，通过探测明暗分界区域的位置来实现对样本的折射率的测量。由于运用全反射的原理，测量折射率的范围受到一定的限制，对于折射率较高或者较低的样品不能够测量。阿贝折射率测量仪由纯物理光学器件搭建，光路搭建和调校困难，仪器整体操作复杂，体积大，不便于实现小型化和数字化测量。阿贝折射率测量仪多用于液体的折射率的测量，对于气体折射率的测量有一定的局限性。

辛督强等人(一种基于光纤干涉的液体折射率测量装置，专利号：201520180701.5)报道了一种光纤干涉的液体折射率测量装置，光纤干涉两臂之间没有补偿，外界振动和温度影响会带来附加的光程差，导致测量不准确，装置整体抗干扰能力差，准确度和精确度下降。

发明内容

为了克服传统折射率测量仪光路搭建困难，使用操作复杂，不能实现数字化自动测量，测量的折射率范围较小等不足，本实用新型提供一种光纤干涉测量折射率的仪器，通过光纤干涉测量技术对样本的折射率进行高精度测量，抗 干扰能力强，折射率测量范围宽，探测样本种类多样，仪器可以实现数字化实时测量功能。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：环形器的三端分别与激光器，样品池和光电探测器连接。激光器发出的激光经过环形器到达样品池，样品池是一个透明的玻璃空仓，有进样口和出样口，不同的样品可以通过进样口进行注入，探测完成的样品可以通过出样口进行排出。样品池的前端装有光纤准直器，准直器内装有10％反射90％透射的透镜，透镜可以将一部分入射光反射回光纤内，一部分光经过准直器射入到样品池内。另外，准直器可以将光纤的入射光转换成平行光射出，在样品池的后端装有法拉第旋镜，镜面上有防腐蚀的镀膜，可以防止样品对法拉第旋镜的腐蚀。由准直器出射的平行光经过样品池后，在后端的法拉第旋镜上发生反射，样品池的反射光和准直器中的反射光会发生干涉现象。法拉第旋镜可以将入射光的偏振状态旋转90°，这样在样品池中的入射光和法拉第旋镜的反射光就不会发生干涉，避免了由干涉引起的附加条纹的变化。当样本池中为真空状态的时候，前端准直器的反射光和后端法拉第旋镜的反射光之间光程差恒定，干涉条纹稳定。当充入样本时，样本池内折射率会发生相应的变化，两路反射光之间会产生相应的光程差，干涉条纹也会产生相应的变化。装置本身为全光纤结构，测量精度高，相应速度快，避免了传统光路搭建的复杂程序。

在使用时，对于气体和液体样本，可以先将样品池抽成真空，这时样本池中的折射率为n＝1，再将被测气体或液体样本注入到样本池中，相应的折射率发生变化，光程差就会发生相应的改变，同时干涉条纹就会产生相应的变化，环形器的另一端接在光电探测器上面，可以探测干涉条纹相应的相位变化，之后解调模块进行解调可以得出相应的干涉信息，进一步得出待测样品的折射率。

本实用新型包括激光器、环形器、光纤准直器、进样口、法拉第旋镜、出样口、样品池、光电探测器和解调模块,激光器输出的激光经过环形器入射进样品池，样品池的前端有准直器，准直器中有反射/透射式透镜，样品池的后端有法拉第旋镜，准直器的反射光和法拉第旋镜的反射光会发生干涉现象，环形器的另一端接有光电探测器，可以将光信号转换为电信号再传到解调模块，进行解调后得到相应的折射率数值。

所述的激光器用于单色性好的激光器，选择1550nm的半导体激光器。激光器的波长可以选择1310nm、1064nm、780nm或650nm，还可以根据样品折射率的大小来选择合适波长范围的激光器。

所述的样品池是由透明玻璃制成，长度为250mm，内径为10mm，外径20mm。样品池可以根据实际情况改为其他形状，如长方体。样品池前端装有准直器，准直仪中装有10％反射90％透射的透镜，样品池后端装有全反射镜。

准直器中的透镜可以选择20％反射80％透射的透镜、30％反射70％透射的透镜，透光率可由不同的折射率样品来进行选择。

样品池的后端装有法拉第旋镜，可以将入射光的偏振状态旋转90°。

上位机应当采用相关的解调算法，来得出相应的折射率的值。

解调模块可以连接PC机终端也可以连接嵌入式系统，作为便携式测量装置。

与现有折射率测量装置相比，本实用新型具有如下优势：

(1)全光纤结构，代替了传统的光路的搭建，避免了复杂的光路搭建和调校过程，并且可以抗电磁干扰，稳定性增加。

(2)运用光纤干涉测量原理，测量精度高，动态响应范围大。

(3)该光路设计可以抵消外接环境温度和振动的影响，提高了测量精度和抗干扰能力。

(4)可以对液体和气体样本的折射率进行测量，测量样本种类多，折射率测量范围大。

附图说明

图1是光纤干涉测量折射率装置系统图。

图2是样品池剖面图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种光纤干涉法测折射率的装置有激光器(1)、环形器(2)、光纤准直器(3)、进样口(4)、法拉第旋镜(5)、出样口(6)、样品池(7)、光电探测器(8)和解调模块(9)组成。

一种光纤干涉折射率测量装置，其整体结构如图1所示。半导体激光器发出的激光经过光纤入射到环形器中，环形器又通过光纤将激光照射到样品池里面。样品池的前端是光纤准直器，准直器内有10％反射90％透射的透镜。透镜可以将一部分入射光反射回光纤内，一部分光经过准直器射入到样品池内。另外，准直器可以将光纤的入射光转换成平行光射出，在样品池的后端装有法拉第旋镜。由准直器出射的平行光经过样品池后，在后端的法拉第旋镜上发生反射。法拉第旋镜将入射光的偏振状态旋转90°出射，避免了在样品池内入射光和反射光之间的干涉。使用时，首先将准直器调成水平，那么由准直器透射进入样品池中的光经过后端的法拉第旋镜反射和又可以耦合到准直器中，样品池的反射光和准直器中的反射光就会发生干涉现象。

这里令连接环形器光纤的长度为l₁，样品池的长度为l₂。光纤折射率为n₁，样品池内样品的折射率为n₂对于准直器反射光的光程为对于样品池反射光的光程为两路干涉光的光程差为 干涉的光程差只是和样品的折射率样品池的长度有关，和入射光纤的长度无关。那么对于外界的振动干扰，温度变化都不会影响光程差的变化，使得装置整体稳定性提高，抗干扰能力强。

使用时可以通过排样孔将样品池抽成真空，这时形成稳定的干涉条纹。之后将样品通过注样孔注入到样品池中，注入样品后样品池中的折射率发生相应的变化，折射率从真空n＝1变化到n＝n₂，光程差也会有相应的变化干涉条纹会出现移动。环形器的另一端还接上了光电探测器，光电探测器可以将光信号转换为电信号传给解调模块，进行解调算法运算，得出条纹变化的数量，通过公式： 就可以得出相应样本的折射率。

Claims (7)

1.一种光纤干涉法测折射率的装置，包括激光器(1)、环形器(2)、光纤准直器(3)、进样口(4)、法拉第旋镜(5)、出样口(6)、样品池(7)、光电探测器(8)和解调模块(9)，激光器输出的激光经过环形器入射进样品池，样品池的前端有准直器，准直器中有反射/透射式透镜，样品池的后端有法拉第旋镜，准直器的反射光和法拉第旋镜的反射光会发生干涉现象，环形器的另一端接有光电探测器，可以将光信号转换为电信号再传到解调模块，进行解调后得到相应的折射率数值。

2.根据权利要求1所述的一种光纤干涉法测折射率的装置，其特征在于：所述的样品池(7)是由透明玻璃制成，长度为250mm，内径为10mm，外径20mm。

3.根据权利要求1所述的一种光纤干涉法测折射率的装置，其特征在于：样品池前端装有准直器，准直仪中装有10％反射90％透射的透镜，样品池后端装有全反射镜。

4.根据权利要求3所述的一种光纤干涉法测折射率的装置，其特征在于：准直器中的透镜可以选择20％反射80％透射的透镜、30％反射70％透射的透镜，透光率可由不同的折射率样品来进行选择。

5.根据权利要求1所述的一种光纤干涉法测折射率的装置，其特征在于：样品池(7)的后端装有法拉第旋镜，可以将入射光的偏振状态旋转90°。

6.根据权利要求1所述的一种光纤干涉法测折射率的装置，其特征在于：上位机应当采用相关的解调算法，来得出相应的折射率的值。

7.根据权利要求1所述的一种光纤干涉法测折射率的装置，其特征在于：解调模块可以连接PC机终端也可以连接嵌入式系统，作为便携式测量装置。