RU2685754C1 - Способ определения показателя преломления среды - Google Patents
Способ определения показателя преломления среды Download PDFInfo
- Publication number
- RU2685754C1 RU2685754C1 RU2018143540A RU2018143540A RU2685754C1 RU 2685754 C1 RU2685754 C1 RU 2685754C1 RU 2018143540 A RU2018143540 A RU 2018143540A RU 2018143540 A RU2018143540 A RU 2018143540A RU 2685754 C1 RU2685754 C1 RU 2685754C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- wavelength
- field
- idle
- maximum
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 78
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 claims abstract description 37
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000012067 mathematical method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 10
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000011664 signaling Effects 0.000 abstract 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 11
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 10
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 9
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 8
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000012552 review Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 1
- JHIVVAPYMSGYDF-UHFFFAOYSA-N cyclohexanone Chemical compound O=C1CCCCC1 JHIVVAPYMSGYDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000001413 far-infrared spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000003911 water pollution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам определения показателя преломления исследуемой среды на различных длинах волн электромагнитного излучения с использованием спонтанного четырехволнового смешения. Способ определения показателя преломления среды включает накачку нановолокна заданного диаметра лазерным излучением на длине волны, при которой наблюдается явление спонтанного четырехволнового смешения, с генерированием на выходе нановолокна излучения сигнального поля в более коротковолновой области спектра и излучения холостого поля в области спектра, где требуется определить показатель преломления. Далее подавляют излучения накачки и холостого поля и регистрируют излучение сигнального поля. Определяют длину волны максимума излучения сигнального поля и производят расчет длины волны максимума излучения холостого поля математическим методом. Производят расчет эффективного показателя преломления нановолокна в вакууме на длине волны максимума излучения холостого поля математическим методом. Далее способ включает накачку нановолокна заданного диаметра, помещенного в исследуемую среду, лазерным излучением. Далее подавляют излучения накачки и холостого поля, регистрируют излучение сигнального поля и определяют длину волны максимума излучения сигнального поля. Производят расчет эффективного показателя преломления нановолокна в исследуемой среде на длине волны максимума излучения холостого поля математическим методом. Далее определяют показатель преломления окружающей нановолокно среды на длине волны максимума излучения холостого поля расчетным путем по изменению эффективного показателя преломления нановолокна на длине волны максимума излучения холостого поля при помещении нановолокна из вакуума в исследуемую среду. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения показателя преломления среды в широкой области спектра, в том числе в ИК, с высокой точностью. 2 ил.
Description
Предлагаемое техническое решение относится к оптическим и квантово-оптическим технологиям, а именно к способам определения показателя преломления исследуемой среды на различных длинах волн электромагнитного излучения с использованием спонтанного четырехволнового смешения в нелинейно-оптических средах, и может быть использовано в различных областях человеческой деятельности при исследовании физико-химических свойств веществ. На основании знания о длинах волн, в диапазоне которых изменяется показатель преломления исследуемой среды по сравнению со сравниваемой средой (например, вакуумом), может быть определены качественный и количественный состав исследуемой среды. Например, заявляемый способ может быть использован в медицине и биологии - для анализа содержания тех или иных веществ в крови; в промышленности - для количественного определения содержания вредных веществ в вырабатываемом газе или воздухе, для определения степени загрязнения воды; в химической промышленности; в научных лабораториях для определения показателя преломления неизвестной среды.
Описаны способы измерения показателя преломления газовых сред [RU 2471174, опубл. 27.12.2012; RU 2495387, опубл. 10.10.2013], основанные на измерении частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум выбранной моды высокостабильного многолучевого интерферометра Фабри-Перо, когда межзеркальное пространство заполнено газовой средой и когда оно вакуумировано. Значение показателя преломления газовой среды определяют отношением измеренных частот в вакууме и в присутствии газовой среды. Технический результат заключается в повышении точности определения показателя преломления газовых сред. Указанные способы предназначены исключительно для определения показателя преломления газовой среды, и не могут быть использованы для жидкостей и твердых тел. Кроме того они требуют создания высокостабильных во времени условий и использования специального оборудования - высокостабильного многолучевого интерферометра Фабри-Перо. При этом, расстояние между зеркалами и их положение друг относительно друга не должны меняться со временем. Способы включают наблюдение модовой структуры резонатора и ее сдвига, что очень сложно на практике, если необходимо определить показатель преломления в ПК (особенно в дальней ПК) области, поскольку лазеры, излучающие в дальней ИК области дороги, а детекторы низкоэффективны.
Известен метод [Во L. et al. High sensitivity fiber refractometer based on an optical microfiber coupler // IEEE Photonics Technology Letters. - 2013. - T. 25. - №. 3. - C. 228-230.] определения показателя преломления, основанный на использовании микроволокна и наблюдении интерференции трех пучков света. Среда, окружающая микроволокно, влияет на положение максимумов интерференции. Значение показателя преломления определяют по смещению максимумов интерференции. Недостатком данного метода является то, что излучение на той длине волны, на которой определяется показатель преломления, должно регистрироваться на выходе такого устройства. Данный факт представляет собой сложность при измерении показателя преломления среды в инфракрасной (ИК) области спектра, поскольку чувствительность детекторов такого излучения уменьшается с увеличением длины волны, что делает практически невозможным определение показателя преломления в среднем и дальнем ИК диапазоне.
Известен метод [Han С., Ding Н., Lv F. Demonstration of а refractometric sensor based on an optical micro-fiber three-beam interferometer // Scientific reports. - 2014. - Т. 4. - С. 7504] определения показателя преломления, основанный на использовании микроволокна. В данном методе создается интерференция трех пучков света, один из которых проходит через микроволокно для взаимодействия с исследуемой средой. По сдвигу максимумов интерференционной картины определяется показатель преломления исследуемого вещества, окружающего микроволокно. В отличие от традиционных сенсоров, основанных на применения микроволокон, чувствительность данного сенсора обусловлена не только величиной эванесцентного поля вокруг микроволокна, но также и длинной двух плеч интерферометра. Авторы показали, что чувствительность такого сенсора может быть значительно увеличена, если сделать разницу оптических путей интерферометра, близкой или равной нулю. Метод имеет тот же недостаток, что и предыдущий, поскольку регистрация излучения должна осуществляться на той длине волны, на которой необходимо определить показатель преломления.
На взгляд заявителя наиболее близким с точки зрения физического явления, на котором основан способ, к предлагаемому техническому решению является метод [Kalashnikov D.A. et al. Infrared spectroscopy with visible light // Nature Photonics. - 2016. - T. 10. - №. 2. - C. 98] измерения показателя преломления исследуемой среды, в котором используются два нелинейно-оптических кристалла. В каждом из этих кристаллов наблюдается спонтанное параметрическое рассеяние. После кристаллов наблюдается интерференция рассеянного излучения. Помещая между кристаллами исследуемое вещество, регистрируют сдвиг интерференционной картины. Показатель преломления исследуемого вещества определяют по указанному смещению. Недостатком данного метода является то, что для необходимых измерений требуются специальные условия для наблюдения интерференции, что требует использования сложного оборудования, и выдвигает специфические требования при создании устройств, принцип действия которых основан на указанном методе.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи определения показателя преломления сред на различных длинах волн электромагнитного излучения, включая ИК область спектра, устраняя недостаток, связанный с использованием низкочувствительных детекторов ИК диапазона, позволяя измерять показатель преломления вплоть до дальней ИК области спектра. Кроме того, решается задача расширения ассортимента известных способов указанного назначения.
Технический результат заключается в возможности с высокой точностью определения показателя преломления среды в широкой области спектра, в том числе в ИК, регистрацией излучения (максимума излучения), генерированного в более коротковолновой области спектра, с последующей математической обработкой за счет использования явления спонтанного четырехволнового смешения (СЧВС) в оптическом нановолокне (далее нановолокно), помещенного в исследуемую среду.
Задача решается, и технический результат достигается заявляемым способом определения показателя преломления среды с использованием явления спонтанного четырехволнового смешения в нановолокне, включающим:
- накачку нановолокна заданного диаметра, помещенного в вакуум, лазерным излучением на длине волны, при которой наблюдается явление спонтанного четырехволнового смешения, с генерированием на выходе нановолокна излучения сигнального поля в более коротковолновой области спектра и излучения холостого поля в области спектра, где требуется определить показатель преломления,
- подавление излучений накачки и холостого поля,
- регистрацию излучения сигнального поля,
- определение длины волны максимума излучения сигнального поля,
- расчет длины волны максимума излучения холостого поля математическим методом;
- расчет эффективного показателя преломления нановолокна в вакууме на длине волны максимума излучения холостого поля математическим методом;
- накачку нановолокна заданного диаметра, помещенного в исследуемую среду, лазерным излучением на длине волны, при которой наблюдается явление спонтанного четырехволнового смешения, с генерированием на выходе нановолокна излучения сигнального поля в более коротковолновой области спектра и излучения холостого поля длине волны, совпадающей с рассчитанным значением максимума излучения холостого поля в вакууме,
- подавление излучений накачки и холостого поля,
- регистрацию излучения сигнального поля,
- определение длины волны максимума излучения сигнального поля,
- расчет эффективного показателя преломления нановолокна в исследуемой среде на длине волны максимума излучения холостого поля математическим методом;
- и определение показателя преломления окружающей нановолокно среды на длине волны максимума излучения холостого поля расчетным путем по изменению эффективного показателя преломления нановолокна на длине волны максимума излучения холостого поля при помещении нановолокна из вакуума в исследуемую среду.
В нелинейной среде наблюдается спонтанное параметрическое рассеяние или спонтанное четырехволновое смешение, в результате чего генерируются пары коррелированных фотонов, изменение длины волны генерации одного фотона (сигнального) из пары, приводит к изменению длины волны сопряженного (холостого) фотона. Регистрируя смещение спектра излучения в области длин волн, где детекторы обладают высокой эффективностью, можно рассчитать смещение спектра сопряженного фотона (обусловленное перемещением нановолокна в исследуемую среду) в области, где детекторы обладают низкой эффективностью, таким образом избегается необходимость использования малочувствительных детекторов (в ИК области).
Определение показателя преломления среды в области длин волн холостого поля, где детекторы малочувствительны, осуществляют расчетным путем по смещению длины волны максимума излучения сигнального поля (длина волны сигнального поля) в области длин волн, где детекторы обладают высокой эффективностью, при перемещении нановолокна из вакуума в исследуемую среду (по изменению эффективного показателя преломления нановолокна на длине волны максимума излучения холостого поля (длина волны холостого поля). Наличие корреляции между рожденными фотонами в нановолокне и наличие возникающего в области перетяжки нановолокна эванесцентного поля, в которое помещается исследуемая среда, влияющая на свойства генерируемого излучения, составляют технический результат изобретения и являются необходимыми условиями для реализации заявляемого способа определения показателя преломления среды.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
В качестве нелинейной среды в заявляемом способе используют нановолокно - суженое оптическое волокно с переменным сечением - стандартное оптическое волокно, суженное таким образом, что диаметр оболочки в перетяжке нановолокна составляет величину от сотен нанометров до единиц микрометров. Такие нановолокна изготавливаются из стандартных оптических волокон методом нагрева и растяжения [Ward J. М. et al. Contributed Review: Optical micro-and nanofiber pulling rig // Review of Scientific Instruments. - 2014. - T. 85. - №. 11. - C. 111501]. Поскольку внутренняя структура оптических нановолокон имеет центральную симметрию, они обладают нелинейной восприимчивостью третьего порядка χ(3). • Благодаря этому, в таких нановолокнах наблюдается спонтанное четырехволновое смешение (СЧВС), в результате которого уничтожается два фотона из моды накачки и одновременно рождается два фотона в моды сигнального и холостого полей. Частоты и волновые векторы четырех взаимодействующих полей связаны условиями фазового синхронизма:
где ωр, ωs, ωi - частоты поля накачки, сигнального и холостого полей, соответственно, kp, ks, ki - волновые векторы поля накачки, сигнального и холостого полей, соответственно,
таким образом, частоту максимума излучения холостого поля (частота холостого поля) можно вычислить по уравнению (1) при известных частотах максимумов излучения сигнального поля и поля накачки (частота сигнального поля и частота накачки).
Способ осуществляют в 2 этапа на установке, оптическая схема которой представлена на фиг. 1. Установка состоит из последовательно расположенных лазера 1 с возможностью перестройки длины волны, объектива 2, герметичного бокса 3 с помещенным в него нановолокном 4, объектива 5, фильтра 6, спектрального прибора 7, объектива 8, стандартного оптического волокна 9, детектора 10 и персонального компьютера 11.
На первом этапе нановолокно помещают в вакуум и направляют излучение накачки на определенной длине волны на вход нановолокна. Длину волны накачки выбирают с учетом диаметра перетяжки нановолокна таким образом, чтобы с одной стороны, создать в нановолокне невырожденный режим СЧВС, что определяют эмпирически, либо рассчитывают с учетом (1, 2), с другой стороны, длину волны накачки и диаметр нановолокна выбирают таким образом, чтобы длина волны холостого поля была равна длине волны, на которой требуется определить показатель преломления исследуемой среды (достигают эмпирически, изменяя длину волны накачки и регистрируя спектр сигнального поля до тех пор, пока не выполнится равенство: 
или расчетным методом), а длина волны сигнального поля - в более коротковолновой области, где детекторы обладают высокой эффективностью. На выходе из нановолокна в результате СЧВС присутствуют излучения сигнального и холостого полей, а также излучение накачки, которое не участвовало во взаимодействии. Последние два подавляют при помощи фильтра, а излучение сигнального поля регистрируют при помощи спектрального прибора и далее с помощью детектора регистрируют скорость счета фотонов (количество фотонов в секунду), что пропорционально интенсивности излучения. По полученному спектру сигнального поля определяют длину волны максимума излучения сигнального поля.
Учитывая, что частоты и волновые векторы четырех взаимодействующих полей при СЧВС связаны условиями фазового синхронизма:
где
ωр, ωs, ωi - частоты поля накачки, сигнального и холостого полей соответственно,
kp, ks, ki - волновые векторы поля накачки, сигнального и холостого полей соответственно,
по уравнению (1) вычисляют частоту холостого поля при известной частоте поля накачки и определенной частоте сигнального поля.
Значение длины волны холостого поля рассчитывают по формуле
Рассчитывают значение эффективного показателя преломления перетяжки нановолокна на длине волны холостого поля с учетом уравнений (2) и (3)
где
с - скорость света в вакууме,
Значения эффективного показателя преломления перетяжки нановолокна на длине волны и эффективного показателя преломления перетяжки нановолокна на частоте рассчитывают при известном диаметре перетяжки нановолокна и формулах Сельмейера для ядра и оболочки [
V. То the use of Sellmeier formula // Senior Experten Service (SES) Bonn and HfT Leipzig, Germany. - 2011].
Подставляя все необходимые значения в уравнение (4), находят значение эффективного показателя преломления перетяжки нановолокна в вакууме на длине волны холостого поля:
где 
и 
- эффективные показатели преломления перетяжки нановолокна на частоте поля накачки и сигнального поля соответственно.
На втором этапе нановолокно помещают в исследуемую среду и выполняют те же действия, что и на первом этапе.
На втором этапе необходимо добиться совпадения длины волны холостого поля со своим значением, полученным на первом этапе. Это достигают эмпирически, изменяя длину волны накачки и регистрируя спектр сигнального поля до тех пор, пока не выполнится равенство: 
При выполнении данного равенства измеряют длину волны сигнального поля 
и длину волны поля накачки 
По полученному спектру сигнального поля определяют максимум излучения сигнального поля.
Рассчитывают эффективный показатель преломления перетяжки нановолокна в исследуемой среде на длине волны холостого поля по уравнению (5) по аналогии с первым этапом, вычислив 
и 
- эффективные показатели преломления перетяжки нановолокна на длине волны поля накачки и сигнального поля по [ V. То the use of Sellmeier formula // Senior Experten Service (SES) Bonn and HfT Leipzig, Germany. - 2011]:
Определяют изменение эффективного показателя преломления перетяжки нановолокна на длине волны холостого поля при помещении нановолокна из вакуума в среду:
Вычисляют чувствительность (S) эффективного показателя преломления перетяжки нановолокна к изменению показателя преломления окружения нановолокна на длине волны холостого поля:
Показатель преломления исследуемой среды на длине волны, на которой его требуется определить, определяют как 
Варьируя длину волны накачки и проводя описанные выше действия, можно определить показатель преломления на различных длинах волн и определить положение полос поглощения исследуемой среды.
Изобретение иллюстрируется примером конкретного выполнения способа - заявленный способ был экспериментально осуществлен для определения показателя преломления углекислого газа, который обладает поглощением в ИК области спектра (например, линия поглощения на длине волны 1,6 мкм) и не обладает поглощением в УФ и видимой областях. При этом данный газ, по воздействию на воздуходышащие живые организмы, относят к удушающим газам, поэтому важной задачей является определение уровня содержания его в атмосфере. Для этого была создана экспериментальная установка, оптическая схема которой представлена на фиг. 1. Установка состоит из последовательно расположенных лазера 1 с возможностью перестройки длины волны, объектива 2, герметичного бокса 3 с помещенным в него нановолокном 4, объектива 5, фильтра 6, спектрального прибора 7, объектива 8, стандартного оптического волокна 9, детектора 10 и персонального компьютера 11.
Определение показателя преломления углекислого газа осуществляют в 2 этапа. На первом этапе нановолокно 4 помещают в вакуум, созданный в герметичном боксе 3. Диаметр нановолокна 4 в данном эксперименте равен 912 нм, длина - 1,5 см.
При помощи лазера 1 (импульсный лазер с возможностью перестройки по длине волны, длительность импульсов - 100 ps, частота повторения импульсов - 10 МГц) генерируют излучение накачки для длины волны 1064 нм. При таком диаметре нановолокна и длине волны накачки 1064 нм наблюдается невырожденный режим СЧВС, также длина волны накачки и диаметр перетяжки нановолокна выбраны таким образом, чтобы длина волны холостого поля была в рядом с линией поглощения углекислого газа, а длина волны сигнального поля - в более коротковолновой области, близко к видимому диапазону. Излучение от лазера 1 фокусируется 10-кратным (наиболее подходящим для фокусировки излучения в стандартное оптическое одномодовое волокно, т.к. у такого объектива и у волокна наиболее близкие значения числовой апертуры) объективом 2 (Olympus PLN 10Х Objective, увеличение - 10 раз, числовая апертура - 0.25, фокусное расстояние - 18 мм) в нановолокно 4, а на выходе из нановолокна излучения сигнального и холостого полей, а также излучение накачки, которое не участвовало во взаимодействии, коллимируются объективом 5 (Olympus PLN 10Х Objective, увеличение - 10 раз, числовая апертура - 0.25, фокусное расстояние - 18 мм).
Излучение накачки и холостого поля подавляется фильтром 6 (Фильтр FEL1100 ∅1" Longpass Filter, Cut-On Wavelength: 1100 nm), a излучение сигнального поля направляется в спектральный прибор 7. В качестве спектрального прибора может быть использован монохроматор или спектрометр, в нашем случае была использована дифракционная решетка (100 штрихов/мм) с функцией вращения для возможности сканирования по спектру и диафрагма (диаметр отверстия - 1 мм). Любой из этих трех, по сути одинаковых, спектральных приборов раскладывает падающее на него излучение в спектр (с помощью дифракционной решетки) и выделяет из этого спектра часть (с помощью диафрагмы). Выходящее из спектрального прибора 7 излучение заводится в стандартное оптическое волокно 9 (SMF-780-5/125-3-L, диаметры ядра и оболочки 5 мкм и 125 мкм соответственно) с помощью 10-кратного объектива 8 (Olympus PLN 10Х Objective, увеличение - 10 раз, числовая апертура - 0.25, фокусное расстояние - 18 мм), и далее в лавинный фотодетектор 10 (Single Photon Counting Module SPCM-AQR-14, площадь детектирования: 175 мкм, эффективность на длине волны 830 нм: 47%, уровень темновых фотоотсчетов: 100 1/сек), который регистрирует скорость счета фотонов (количество фотонов в секунду), что пропорционально интенсивности излучения. Указанная зависимость визуализируется на компьютере 11 (фиг. 2). На фиг. 2 справа, пунктирной линией приведен спектр сигнального поля, полученный на первом этапе определения показателя преломления углекислого газа (когда нановолокно помещено в вакуум). Из представленного спектра видно, что максимум интенсивности излучения сигнального поля на первом этапе соответствует длине волны 833,3 нм.
Учитывая, что частоты и волновые векторы четырех взаимодействующих полей при СЧВС связаны условиями фазового синхронизма:
где
ωp, ωs, ωi - частоты поля накачки, сигнального и холостого полей соответственно,
kp, ks, ki - волновые векторы поля накачки, сигнального и холостого полей соответственно,
по уравнению (1) вычисляют частоту холостого поля при известных длинах волн сигнального поля (833,3 нм) и поля накачки (1064 нм).
Значение длины волны холостого поля рассчитывают по формуле
в данном случае - 1471.3 нм.
Рассчитывают значение эффективного показателя преломления перетяжки нановолокна на длине волны холостого поля с учетом уравнений (2) и (3)
где
с - скорость света в вакууме,
где 
и 
- эффективные показатели преломления перетяжки нановолокна на длине волны поля накачки и сигнального поля соответственно.
Эти параметры рассчитывают при известном диаметре перетяжки нановолокна и формулах Сельмейера для ядра и оболочки [ V. То the use of Sellmeier formula // Senior Experten Service (SES) Bonn and HfT Leipzig, Germany. - 2011].
В данном случае 
Подставляя все необходимые значения в уравнение (4), находят значение эффективного показателя преломления перетяжки нановолокна на длине волны холостого поля 
На втором этапе в бокс 3, где находится нановолокно 4, помещают углекислый газ и выполняют те же действия, что и на первом этапе.
На втором этапе необходимо добиться совпадения длины волны холостого поля со своим значением, полученным на первом этапе (1471.3 нм). Это можно достичь, изменяя длину волны накачки и регистрируя спектр сигнального поля до тех пор, пока не выполнится равенство: 
При выполнении данного равенства измеряют длину волны сигнального поля 
и длину волны поля накачки 
. На фигуре 2 показан спектр сигнального поля (слева кривая сплошной линией), полученный на втором этапе. В данном случае длина волны сигнального поля 
а соответствующая длина волны накачки 
.
Рассчитывают эффективный показатель преломления перетяжки нановолокна на длине волны холостого поля по уравнению (5) по аналогии с первым этапом, вычислив 
и 
- эффективные показатели преломления перетяжки нановолокна на частоте поля накачки и сигнального поля по [ V. То the use of Sellmeier formula // Senior Experten Service (SES) Bonn and HfT Leipzig, Germany. - 2011.] - 
получив значение 
Изменение эффективного показателя преломления перетяжки нановолокна на длине волны холостого поля при помещении нановолокна из вакуума в среду составляет
Для определения величины показателя преломления исследуемой среды вычисляют чувствительность (S) эффективного показателя преломления перетяжки нановолокна к изменению показателя преломления окружения нановолокна на длине волны холостого поля:
При указанных выше условиях эксперимента данное выражение принимает значение 0.41686.
Показатель преломления исследуемой среды (углекислого газа) на длине волны 1471.3 нм определяют как
В соответствии с литературными данными [J.G. Old, К.L. Gentili, and Е.R. Peck. Dispersion of Carbon Dioxide, J. Opt. Soc. Am. 61, 89-90 (1971), https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=CO2&page=Old и A. Bideau-Mehu, Y. Guern, R. Abjean and A. Johannin-Gilles., Opt. Commun. 9, 432-434 (1973) https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=CO2&page=Bideau-Mehu], показатель преломления углекислого газа при «нормальных условиях» на длине волны 1471.3 нм равен 1.0004392 и 1.00043881 соответственно. Таким образом, полученное заявляемым способом значение показателя преломления с точностью до 5-го знака согласуется с литературными данными.
Предложен новый способ определения с высокой точностью показателя преломления сред на различных длинах волн электромагнитного излучения, включая ИК область спектра, расширяющий ассортимент известных способов указанного назначения.
Способ может быть использован для сред в твердом, жидком и газообразным состоянии.
Способ устраняет недостаток, связанный с использованием низкочувствительных детекторов ИК диапазона, позволяя измерять показатель преломления вплоть до дальней ИК области спектра по регистрации излучения в области, где детекторы обладают высокой эффективностью.
Claims (13)
- Способ определения показателя преломления среды с использованием явления спонтанного четырехволнового смешения в нановолокне, включающий:
- - накачку нановолокна заданного диаметра, помещенного в вакуум, лазерным излучением на длине волны, при которой наблюдается явление спонтанного четырехволнового смешения, с генерированием на выходе нановолокна излучения сигнального поля в более коротковолновой области спектра и излучения холостого поля в области спектра, где требуется определить показатель преломления,
- - подавление излучений накачки и холостого поля,
- - регистрацию излучения сигнального поля,
- - определение длины волны максимума излучения сигнального поля,
- - расчет длины волны максимума излучения холостого поля математическим методом;
- - расчет эффективного показателя преломления нановолокна в вакууме на длине волны максимума излучения холостого поля математическим методом;
- - накачку нановолокна заданного диаметра, помещенного в исследуемую среду, лазерным излучением на длине волны, при которой наблюдается явление спонтанного четырехволнового смешения, с генерированием на выходе нановолокна излучения сигнального поля в более коротковолновой области спектра и излучения холостого поля на длине волны, совпадающей с рассчитанным значением максимума излучения холостого поля в вакууме,
- - подавление излучений накачки и холостого поля,
- - регистрацию излучения сигнального поля,
- - определение длины волны максимума излучения сигнального поля,
- - расчет эффективного показателя преломления нановолокна в исследуемой среде на длине волны максимума излучения холостого поля математическим методом;
- - и определение показателя преломления окружающей нановолокно среды на длине волны максимума излучения холостого поля расчетным путем по изменению эффективного показателя преломления нановолокна на длине волны максимума излучения холостого поля при помещении нановолокна из вакуума в исследуемую среду.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018143540A RU2685754C1 (ru) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | Способ определения показателя преломления среды |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018143540A RU2685754C1 (ru) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | Способ определения показателя преломления среды |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2685754C1 true RU2685754C1 (ru) | 2019-04-23 |
Family
ID=66314437
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018143540A RU2685754C1 (ru) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | Способ определения показателя преломления среды |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2685754C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008056702A1 (fr) * | 2006-11-07 | 2008-05-15 | Osaka University | Procédé de mesure d'indice de réfraction, appareil de mesure d'indice de réfraction et procédé de fabrication d'un élément optique |
| RU2471174C1 (ru) * | 2011-05-31 | 2012-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | Способ измерения показателя преломления газовых сред |
| US20130087689A1 (en) * | 2011-10-05 | 2013-04-11 | Telcordia Technologies, Inc. | System and Method for Nonlinear Optical Devices |
| CN104122227A (zh) * | 2014-07-30 | 2014-10-29 | 深圳大学 | 一种光纤折射率传感器及其制作方法 |
-
2018
- 2018-12-10 RU RU2018143540A patent/RU2685754C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008056702A1 (fr) * | 2006-11-07 | 2008-05-15 | Osaka University | Procédé de mesure d'indice de réfraction, appareil de mesure d'indice de réfraction et procédé de fabrication d'un élément optique |
| RU2471174C1 (ru) * | 2011-05-31 | 2012-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | Способ измерения показателя преломления газовых сред |
| US20130087689A1 (en) * | 2011-10-05 | 2013-04-11 | Telcordia Technologies, Inc. | System and Method for Nonlinear Optical Devices |
| CN104122227A (zh) * | 2014-07-30 | 2014-10-29 | 深圳大学 | 一种光纤折射率传感器及其制作方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11274967B2 (en) | Method and apparatus for quantifying solutions comprised of multiple analytes | |
| De Cumis et al. | Widely-tunable mid-infrared fiber-coupled quartz-enhanced photoacoustic sensor for environmental monitoring | |
| Wang et al. | Distributed fiber-optic vibration sensing based on phase extraction from time-gated digital OFDR | |
| US20180038798A1 (en) | Portable raman device | |
| US6016197A (en) | Compact, all-optical spectrum analyzer for chemical and biological fiber optic sensors | |
| US20120002212A1 (en) | Dual-etalon cavity ring-down frequency-comb spectroscopy | |
| JP2013511718A (ja) | 多重パルスインパルシブ誘導ラマン分光装置および測定方法 | |
| Waechter et al. | Simultaneous and continuous multiple wavelength absorption spectroscopy on nanoliter volumes based on frequency-division multiplexing fiber-loop cavity ring-down spectroscopy | |
| Ballmann et al. | Nonlinear Brillouin spectroscopy: what makes it a better tool for biological viscoelastic measurements | |
| HUE034603T2 (en) | Device and Method for Stimulated Raman Detection | |
| Graciano et al. | Interference effects in quantum-optical coherence tomography using spectrally engineered photon pairs | |
| US11846545B2 (en) | Device and method for the spectroscopic analysis of Brillouin scattered light | |
| Ye et al. | Continuous-wave cavity ring-down evanescent-field sensing with a broadband source based on frequency-shifted interferometry | |
| Yan et al. | Evaluation of commercial virtually imaged phase array and Fabry-Pérot based Brillouin spectrometers for applications to biology | |
| Volodarsky et al. | Ultrasound detection via low-noise pulse interferometry using a free-space Fabry-Pérot | |
| RU2685754C1 (ru) | Способ определения показателя преломления среды | |
| JP2007192751A (ja) | 光学分析装置 | |
| Thompson | Cavity‐Enhanced Spectroscopy in Condensed Phases: Recent Literature and Remaining Challenges | |
| Barton et al. | A review of Raman for multicomponent analysis | |
| Smith et al. | Ultrasensitive Doppler Raman spectroscopy using radio frequency phase shift detection | |
| Niklas et al. | Raman spectroscopy of atmospheric gases using hollow core photonic crystal fibres | |
| US20220000414A1 (en) | Systems and methods for detecting cognitive diseases and impairments in humans | |
| Jiang et al. | Whispering-gallery microresonators for sensing technologies | |
| RU2499250C1 (ru) | Способ анализа многокомпонентных газовых сред | |
| Wildi et al. | Dual-Comb Photoacoustic Spectroscopy |