PL230325B1 - Zestaw do pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy - Google Patents

Abstract

Zestaw do pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy, zawierający głowicę pomiarową sprzężoną z jednomodowym sprzęgaczem światłowodowym, do którego na wejściu przyłączone jest źródło światła poprzez jednomodowy światłowód, a na wyjściu przyłączony jest układ detekcji, charakteryzuje się tym, że źródłem światła (1) jest źródło szerokopasmowe o krótkiej drodze koherencji a głowica pomiarowa (4), w której powierzchnie odbijające promieniowanie optyczne stanowią granice ośrodków światłowód - badany materiał i badany materiał -zwierciadło, gdzie generowany jest sygnał intereferencyjny sprzężona jest zwrotnie ze sprzęgaczem (2) poprzez konwencjonalny światłowód (3) telekomunikacyjny, natomiast układ detekcji stanowi procesor optyczny (5).

Description

Przedmiotem wynalazku jest zestaw do pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy, dla różnych długości fali, zarówno światła widzialnego jak i bliskiej podczerwieni.

Znany jest z opisu patentowego PL 170851 B1, refraktometr światłowodowy stosowany do pomiarów zmian współczynnika załamania światła i gazów w fizyce, medycynie i chemii. Refraktometr ten posiada źródło światła połączone jednomodowym światłowodem z wejściem jednomodowego sprzęgacza światłowodowego do którego przyłączony jest jednomodowy światłowód tworzący pętlę zawierającą głowicę czujnikową oraz nastawniki polaryzacji a do wyjścia sprzęgacza przyłączony jest układ detekcji fazy, przy czym głowicę czujnikową stanowi odcinek światłowodu jednomodowego z przewężeniem w kształcie dwóch stożków zwróconych do siebie wierzchołkami.

Znany jest także z opisu patentowego US 4,682,889 refraktometr do pomiaru współczynnika załamania cieczy dla danej temperatury, zawierający pryzmat, którego co najmniej jedna z powierzchni jest w kontakcie z cieczą na którą kieruje się wiązkę światła. W związku z krzywizną powierzchni kąt padania wiązki światła stopniowo wzrasta osiągając kąt krytyczny, przy którym promienie wiązki światła ulegają załamaniu. Kąt ten jest funkcją stosunku między współczynnikiem załamania cieczy i pryzmatu.

Znany jest także z opisu patentowego US4,455,089 detektor współczynnika załamania i absorpcji cieczy, oparty na interferometrze Fabry-Perot. Monochromatyczna wiązka laserowa jest przepuszczana przez interferometr i kuwetę przepływową do detektora fotoelektrycznego, gdzie następuje pomiar zmian współczynnika załamania światła.

Z dokumentacji zgłoszeniowej JPH01197636A znany jest zestaw do pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy, w którym źródłem światła jest źródło szerokopasmowe o krótkiej drodze koherencji, a głowica pomiarowa, w której powierzchnie odbijające promieniowanie optyczne stanowią granice ośrodków światłowód - badany materiał i badany materiał zwierciadło, gdzie generowany jest sygnał interferencyjny, sprzężona jest zwrotnie sprzęgaczem poprzez konwencjonalny światłowód telekomunikacyjny, natomiast układ detekcji stanowi procesor optyczny.

W wielu znanych rozwiązaniach wykorzystuje się optykę światłowodową, co umożliwia elastyczne sprzężenie aparatury pomiarowej.

Zespół z Texas A&M University opracował układ pomiarowy, w którym wykorzystuje się kryształy fotoniczne, w tym płytki z mikrokanalikami, których działanie jest zbliżone do działania siatek Bragga. Układ zawiera także światłowód polarny, przez który promieniuje źródło szerokopasmowe. W metodzie poddaje się badaniu charakterystykę widmową sygnału na wyjściu, co jest zależne od współczynnika załamania płynu umieszczonego w kanalikach. Po dostrojeniu współczynnika załamania do długości fali następuje zanik sygnału, co widoczne jest w widmie sygnału na wyjściu, które pozwala na określenie długości fali cieczy w mikrokanalikach.

Zestaw do pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy zawierający głowicę pomiarową sprzężoną z jednomodowym sprzęgaczem światłowodowym, do którego na wejściu przyłączone jest źródło światła poprzez jednomodowy światłowód a na wyjściu przyłączony jest układ detekcji, charakteryzuje się według wynalazku tym, że źródłem światła jest źródło szerokopasmowe o krótkiej drodze koherencji, a głowicę pomiarową, w której powierzchnie odbijające promieniowanie optyczne stanowią granice ośrodków światłowód - badany materiał i badany materiał - zwierciadło, gdzie generowany jest sygnał interferencyjny, stanowi światłowodowy interferometr czujnikowy, zawierający kapilarę światłowodową oraz srebrne zwierciadło. Głowica pomiarowa sprzężona jest zwrotnie ze sprzęgaczem za pomocą konwencjonalnego światłowodu telekomunikacyjnego. Układ detekcji stanowi procesor optyczny w postaci analizatora widma optycznego, takiego jak spektrometr lub interferometr.

Zestaw pomiarowy zrealizowany w konfiguracji światłowodowej zapewnia wysoką czułość pomiarów oraz dużą dynamikę. Ponadto dzięki zastosowaniu światłowodów łączących głowicę pomiarową ze źródłem światła i układem detekcji, nie występuje problem związany z odległością badanego obiektu od przyrządów pomiarowych. Na pomiar nie mają wpływu zanieczyszczenia, czy też gazy mogące znajdować się pomiędzy detektorem a badanym ciałem. Nie ma również wpływu odległość badanego obiektu od układu detekcji, co pozwala na umiejscowienie detektora poza polem pomiarowym. Budowa części sensorycznej z materiałów dielektrycznych, w szczególności szkła kwarcowego i tworzyw sztucznych, pozwala na stosowanie go w obecności zewnętrznych pól elektromagnetycznych oraz zapewnia pasywPL 230 325 Β1 ność na czynniki chemiczne oraz promieniowanie jonizujące. Wynalazek pozwala na pomiar współczynnika załamania cieczy w szerokim zakresie długości fal, a zastosowanie światłowodów umożliwia automatyzację pomiarów.

Wynalazek przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

fig. 1 przedstawia zestaw do pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej w ujęciu schematycznym, fig. 2 przedstawia interferogram układu niskokoherencyjnego w przypadku użycia spektrometru jako procesora sygnałowego dla różnych wartości różnicy dróg optycznych 5i, fig. 3 przedstawia interferogram układu niskokoherencyjnego w przypadku użycia interferometru skanującego jako procesora sygnałowego, fig. 4 przedstawia wyniki testów zestawu do pomiaru współczynnika załamania pracującego z przetwarzaniem sygnałów w dziedzinie widma, fig. 5 przedstawia zmierzone zmiany współczynnika załamania światła wodnego roztworu cukru w zależności d stężenia cukru w roztworze z przetwarzaniem sygnału w dziedzinie fazy.

Zestaw składa się z szerokopasmowego źródła światła 1 o krótkiej drodze koherencji (niskokoherencyjnego), pochodzącego od diody super luminescencyjnej, przyłączonego do wejścia jednomodowego sprzęgacza światłowodowego 2, do którego zwrotnie poprzez konwencjonalny światłowód 3 telekomunikacyjny, przyłączona jest głowica pomiarowa 4, w której powierzchnie odbijające promieniowanie optyczne stanowią granice ośrodków światłowód - badany materiał i badany materiał - zwierciadło, gdzie generowany jest sygnał intereferencyjny, a do wyjścia sprzęgacza 2 przyłączony jest procesor optyczny 5, stanowiący układ detekcji.

Promieniowanie optyczne ze źródła światła 1 kierowane jest przez sprzęgacz optyczny 2 i odcinek światłowodu 3 do interferometru czujnikowego 4, w którym generowany jest sygnał interferencyjny. Sygnał ten kierowany jest zwrotnie poprzez sprzęgacz 2 do procesora optycznego 5, gdzie jest przetwarzany i rejestrowany. Zarejestrowany sygnał zawiera informację o różnicy dróg optycznych interferujących wiązek promieniowania, co pozwala na określenie wartości wielkości mierzonej.

W zależności od rodzaju analizy sygnału pomiarowego, rolę procesora optycznego 5 może pełnić analizator widma optycznego w przypadku analizy sygnału w dziedzinie widma, lub drugi interferometr w przypadku analizy sygnału w dziedzinie fazy.

W jednym przykładzie wykonania, głowicę pomiarową 4 zbudowano z włókna światłowodowego, kapilary światłowodowej na końcu której umieszczono srebrne zwierciadło. Konstrukcja głowicy oparta jest o światłowodowy interferometr Fabry-Perot'a, w którym powierzchniami odbijającymi promieniowanie optyczne są granice ośrodków światłowód - badany materiał i badany materiał - zwierciadło. Na granicach ośrodków następują odbicia promieniowania ze źródła światła i powstają sygnały, które ze sobą interferują. Różnica dróg optycznych, jakie przebywają te sygnały jest równa podwojonemu iloczynowi szerokości wnęki oraz współczynnikowi załamania materiału wypełniającego wnękę. Małe rozmiary interferometru pozwalają uniknąć zakłóceń badanego pola, umożliwiając realizację prawie punktowych pomiarów.

W innym przykładzie wykonania, głowicę pomiarową stanowi srebrne zwierciadło z umieszczoną na nim kroplą badanej cieczy.

W przypadku przetwarzania sygnałów w dziedzinie widma zmiana różnicy dróg optycznych interferujących wiązek promieniowania obserwowana jest w widmie optycznym, rejestrowanym w analizatorze widma lub spektrometrze. W analizie tej informacja o mierzonej wielkości zawarta jest w częstotliwości modulacji sygnału optycznego, przy czym zmiana różnicy dróg optycznych Spowoduje modulację częstotliwości widma transmitowanego sygnału co przedstawiono na fig. 2. Przy zerowej różnicy dróg optycznych interferujących wiązek (5= 0) nie występuje modulacja widmowa, interferometr jest optycznie przezroczysty. Modulacja pojawia się, gdy różnica dróg optycznych interferujących wiązek przyjmuje wartość <5 (<5 > 0) i wzrasta wraz ze wzrostem wartości 5. Odległość między sąsiednimi wartościami szczytowymi jest odwrotnie proporcjonalna do 5, więc ze wzrostem δ maksima zagęszczają się, co szczególnie jest widoczne w przypadku analizy transmisji interferometru.

W analizie tej poprzez pomiar zmian liczby maksimów w widmie sygnału pomiarowego i/lub odległości między sąsiednimi maksimami można uzyskać informację na temat wartości wielkości mierzonej, np. współczynnika załamania badanego materiału.

PL 230 325 Β1

W przypadku przetwarzania sygnałów w dziedzinie fazy, rolę procesora optycznego pełni drugi interferometr. Kompensuje on różnicę dróg optycznych interferometru czujnikowego. W przypadku, gdy sumaryczna różnica dróg optycznych obu interferometrów jest mniejsza od drogi koherencji źródła możliwe jest odzyskanie informacji o mierzonej wielkości, w szczególności współczynniku załamania materiału.

Zmiana różnicy drogi optycznej w interferometrze pomiarowym określana jest poprzez analizę sygnału optycznego na wyjściu interferometru skanującego (fig. 3). W przypadku, gdy różnica różnic dróg optycznych obu interferometrów (<S - &) przekroczy długość koherencji źródła prążki interferencyjne zanikają.

W przypadku przetwarzania sygnału w dziedzinie fazy informację o wartości wielkości mierzonej uzyskuje się poprzez określenie położenia centralnego prążka interferencyjnego w tzw. interferogramie zerowego rzędu, gdyż prążek ten odpowiada zerowej wartości różnicy dróg optycznych obu interferometrów. Położenie tego prążka określa wartości wielkości mierzonej.

Podczas pomiaru współczynnika załamania szerokość wnęki głowicy pomiarowej (kapilary światłowodowej) pozostaje stała. Zanurzenie głowicy w badanym ośrodku powoduje, że badany roztwór przez otwór w kapilarze dostaje się do wnęki rezonansowej interferometru i zmienia jego współczynnik załamania. Wpływa w ten sposób na zmianę dróg optycznych w interferometrze czujnikowym. Zmiana dróg optycznych i wynikająca z niej zmiana sygnału interferencyjnego wynika wyłącznie ze zmiany współczynnika załamania ośrodka, co pozwala na określenie jego wartości.

Zestaw według wynalazku można także wykorzystać do pomiaru charakterystyki dyspersyjnej, czyli zależności współczynnika załamania od długości fali. W tym celu wykonuje się serię pomiarów przy zastosowaniu diod super luminescencyjnych o środkowych długościach fali, odpowiadającym długościom fali, dla jakich ma zostać wyznaczony współczynnik załamania. Przy braku diody o określonej długości fali istnieje możliwość wykonania pomiaru dla przynajmniej trzech innych długości fali i aproksymacja zależności dyspersyjnej n(A) za pomocą wielomianu.

Parametry źródeł niskokoherencyjnych wykorzystywanych w układach pomiarowych mają decydujący wpływ na parametry metrologiczne takiego układu w szczególności szerokość charakterystyki widmowej źródła ma bezpośredni wpływ na rozdzielczość pomiaru, jak również na poziom szumów w układzie poprzez wpływ na optyczny szum natężeniowy. Z tego powodu ich dobór jest problemem krytycznym przy realizacji niskokoherencyjnego układu pomiarowego. W zrealizowanych układach pomiarowych według wynalazku wykorzystywano źródła typu SLD firmy SuperlumDiodes:

SLD-381-MP-DIL-SM-PD: λο = 810 nm, Δλ = 19,42 nm;

SLD-481-MP3-DIL-SM-PD: λο = 970 nm, Δλ = 36,44 nm;

Broadlighter SLD S-1300-G-I-20: λο = 1290 nm, Δλ = 50 nm;

Broadlighter SLD S-1550-G-I-10: λο = 1550 nm, Δλ = 45 nm.

Testy niskokoherencyjnych zestawów według wynalazku, do pomiaru współczynnika załamania wykonano z wykorzystaniem wzorcowych roztworów badanych między innymi woda-cukier i woda-glukoza, których parametry referencyjne określono na podstawie pomiarów refraktometrem Abbego. Pomiary realizowano za pomocą diody λο = 1550 nm dla wodnych roztworów glukozy. Wyniki przedstawione na fig. 4, wskazują na poprawne działanie systemu i prawie liniową charakterystykę zmian. Pomiary z przetwarzaniem sygnału w dziedzinie fazy przeprowadzono przy wykorzystaniu specjalnie zaprojektowanego źródła syntezowanego, co pozwoliło na obniżenie minimalnego wymaganego do poprawnej identyfikacji centralnego prążka stosunku sygnału do szumu układu (fig. 5). Analizując ten wykres, można zauważyć praktycznie liniową charakterystykę zmian współczynnika załamania w zależności od stężenia cukru w roztworze wodnym, zgodną z danymi literaturowymi. Ponadto wykonano pomiary weryfikujące przydatność zestawu według wynalazku dla grupy substancji chemicznych o znanych współczynnikach załamania: alkohol metylowy, propanon (aceton), kwas etanowy (octowy), alkohol etylowy, alkohol butylowy, glikol etylenowy, cykloheksan, glicerol, salicylan metylu.

Stwierdzono, że zestaw według wynalazku pozwala na pomiar współczynnika załamania cieczy w szerokim zakresie długości fali. Ponadto dzięki zastosowaniu światłowodów umożliwia realizację sensorów rozłożonych współczynnika załamania oraz automatyzację pomiaru.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Zestaw do pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy zawierający głowicę pomiarową sprzężoną z jednomodowym sprzęgaczem światłowodowym, do którego na wejściu przyłączone jest źródło światła poprzez jednomodowy światłowód a na wyjściu przyłączony jest układ detekcji, znamienny tym, że źródłem światła (1) jest źródło szerokopasmowe o krótkiej drodze koherencji, a głowicę pomiarową (4), w której powierzchnie odbijające promieniowanie optyczne stanowią granice ośrodków światłowód - badany materiał i badany materiał - zwierciadło, gdzie generowany jest sygnał interferencyjny, stanowi światłowodowy interferometr czujnikowy, zawierający kapilarę światłowodową oraz srebrne zwierciadło, przy czym głowica pomiarowa (4) sprzężona jest zwrotnie ze sprzęgaczem (2) za pomocą konwencjonalnego światłowodu (3) telekomunikacyjnego, natomiast układ detekcji stanowi procesor optyczny (5) w postaci analizatora widma optycznego, takiego jak spektrometr lub interferometr.