SU1742686A1

SU1742686A1 - Method for determining refraction factor of liquids

Info

Publication number: SU1742686A1
Application number: SU904853253A
Authority: SU
Inventors: Эдвард Арутюнович Арутюнян; Рафик Николаевич Баласанян; Саркис Хачатурович Галоян; Леонид Борисович Глебов; Вадим Владимирович Морозов; Галина Анатольевна Муранова; Николай Валентинович Никоноров; Сурен Петикович Погосян
Original assignee: Институт Физических Исследований Ан Армсср
Priority date: 1990-05-07
Filing date: 1990-05-07
Publication date: 1992-06-23

Abstract

Сущность изобретени : используют измерительную призму с показателем преломлени (ПП) (пж - ПП жидкости), на основание которой нанесено согласующее покрытие со значением ПП и пр, и пластину с одной полированной поверхностью и значением ПП . Между основа- нием призмы и обработанной поверхностью пластины располагаетс исследуема жидкость, и с помощью прижима образуетс тонкопленочный волноводный слой жидкости. На одну из граней призмы направл ют луч зондирующего излучени , измер ют резонансные углы возбуждени трех волноводных мод, рассчитывают соответствующие им величины эффективных ПП и по соответствующей формуле определ ют искомую величину пд на длине волны зондирующего излучени . 1 ил.SUMMARY OF THE INVENTION: A measuring prism with a refractive index (PP) (PJ-PP liquid) is used, on the basis of which a matching coating is applied with a PP value and so forth, and a plate with one polished surface and a PP value. The test liquid is positioned between the base of the prism and the treated surface of the plate, and a thin film waveguide layer of the liquid is formed by pressing. A probing radiation beam is directed to one of the prism faces, the resonance angles of excitation of the three waveguide modes are measured, the corresponding effective PP values are calculated and the desired PD value at the probe radiation wavelength is determined using the appropriate formula. 1 il.

Description

Изобретение относитс к оптике, а именно к экспериментальным способам определени показател поеломлени (ПП) жидкостей.The invention relates to optics, in particular to experimental methods for determining the permeability index (PP) of liquids.

Известен способ определени ПП жидкостей с помощью прецизионных угловых измерений на рефрактометре разных марок . Рефрактометрический способ, реализуемый в рефрактометре типа Пульфриха (например, марки ИРФ-457), имеет рабочую область измерений ПП жидкостей пж 1,25- 2,15 с возможностью исследовани дисперсии ПП в спектральном диапазоне 0,435-0,706 мкм. При термостатировании ( ±0,05-0,1°С) в специальной кювете достигаетс точность измерений ±(4-5) . Объем используемой жидкости дл измерений достаточно большой (0,5-1 мл), что вл етс существенным недостатком данного способа.There is a method for determining the PP of liquids using precision angular measurements on a refractometer of different brands. The refractometric method, implemented in a Pulfrich-type refractometer (for example, brand IRF-457), has a working range of measurements of PP fluids pzh 1.25-2.15 with the possibility of studying the dispersion of PP in the spectral range 0.435-0.706 microns. When thermostatting (± 0.05-0.1 ° C), a measurement accuracy of ± (4-5) is achieved in a special cuvette. The volume of measurement liquid used is quite large (0.5-1 ml), which is a significant disadvantage of this method.

Наиболее близким к изобретению вл етс способ определени показател преломлени , реализованный в рефрактометре типа Аббе (например, марки ИРФ-454), который имеет рабочую область пж 1,2-1.7. Измерени , которые ведутс только на желтой линии натри по с термостатиров анием (±0,1-0,2°С), обеспечивают точность определени ПП (1-2) . Объем используемой жидкости дл измерений ( 0.05 мл) примерно на пор док меньше, чем в данном способе При определении ПП дисперсных (статистически неоднородных и рассеивающих ) жидкостей этим способом возникают затруднени в измерени х из-за размыти оптического изображени границы полного внутреннего отражени . Это приводит к увеличению времени определени величины ПП жидкостей такого типа из-за необходимости большой статистики при измерени х. Применение данных способов дл исследовани дисперсии ПП в ультрафиолетовой и инфракрасной област х спектра св зано с техническими сложност ми, так как такиеThe closest to the invention is a method for determining the refractive index, implemented in an Abbe-type refractometer (for example, brand IRF-454), which has a working area pj 1.2-1.7. Measurements that are carried out only on the yellow sodium line by thermostating (± 0.1-0.2 ° C) ensure the accuracy of the PP (1-2). The volume of measurement liquid used (0.05 ml) is approximately an order of magnitude smaller than in this method. When determining the PP of dispersed (statistically inhomogeneous and scattering) liquids by this method, difficulties arise in measuring because of the blurring of the optical image of the total internal reflection boundary. This leads to an increase in the time of determining the PP value of liquids of this type due to the need for large statistics in measurements. The use of these methods to study the dispersion of PP in the ultraviolet and infrared regions of the spectrum is associated with technical difficulties, since such

toto

iGS ICGiGS ICG

измерени в принципе возможны только в случае применени специальных визуали- заторов. Необходимость непосредственного контакта поверхности рабочей призмы с исследуемой жидкостью обуславливает не- применимость гониометрических способов к измерению ПП химически агрессивных жидкостей.Measurements are in principle possible only in the case of the use of special visualizers. The need for direct contact of the surface of the working prism with the liquid under study causes the inapplicability of goniometric methods to measure the PP of chemically aggressive liquids.

Целью изобретени вл етс уменьшение объема исследуемой жидкости, увеличе- ние быстродействи и упрощение измерений ПП жидкостей в ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра.The aim of the invention is to reduce the volume of the test liquid, increase the speed and simplify the measurement of the PP of liquids in the ultraviolet and infrared spectral regions.

Поставленна цель достигаетс тем, что по способу измерени показател прелом- лени жидкостей, включающему освещение коллимированным монохроматическим излучением с длиной волны Я сло жидкости через одну из граней измерительной призмы с показателем преломлени пр, большим показател преломлени жидкости пж, и углом А при основании, освещают слой жидкости в виде волноводной пленки, образованной прижимом жидкости полированной поверхностью пластины с показате- лем преломлени ns, меньшим Пж, к согласующему покрытию с показателем преломлени Пс, меньшим пж, и толщинойThe goal is achieved by the method of measuring the refractive index of liquids, which includes illumination of collimated monochromatic radiation with a wavelength I of a fluid layer through one of the edges of the measuring prism with a refractive index pr, a large refractive index of the fluid ww, and an angle A at the base illuminates a liquid layer in the form of a waveguide film formed by pressing a liquid on a polished surface of a plate with a refractive index ns lower than Pg to a matching coating with a refractive index straightening Ps smaller than RV, and a thickness

П2 P2

нанесенному на основание призмы, возбуждают в пленке жидкости три волновод- ные моды, измер ют резонансные углы OQ , «1 , и возбуждени трех волноводных мод и рассчитывают искомый показатель пре- ломлени жидкости п по формулеdeposited on the base of the prism, three waveguide modes are excited in the liquid film, the resonance angles OQ, 1 1, and the excitation of the three waveguide modes are measured, and the desired refractive index η is calculated using the formula

О -ABOUT -

ПжPzh

25пр - (4щ 4-П2) 25пр - (4Щ 16 (25 по - 20 п - 5г$)25pr - (4yu 4-P2) 25pr - (4shch 16 (25 to - nn - 5g $)

-4%-four%

где величины п0, ги и П2 определ ют из соотношени where the values n0, gi and P2 are determined from the ratio

пт Пр51п А±агсз1п(),Fri Pr51p A ± agsz1n (),

ПрEtc

где ат - резонансные углы возбуждени волноводных мод (,1,2), при этом знак (-) соответствует расположению отраженного луча между основанием призмы и нормалью к входной грани.where at is the resonance angles of excitation of the waveguide modes (, 1, 2), with the sign (-) corresponding to the location of the reflected beam between the base of the prism and the normal to the input face.

На чертеже представлена схема измерений .The drawing shows the measurement scheme.

Способ осуществл етс следующим образом .The method is carried out as follows.

Дл измерени используютс измерительна призма 1 с ПП , на основание которой нанесено согласующее покрытие 2 со значением ПП и пр и пластина 3 с одной полированной поверхностью и значением ПП . Между основанием призмы и обработанной поверхностью пластины располагаетс исследуема жидкость и с помощью прижима образуетс тонкопленочный волноводный слой 4 жидкости, далее на одну из граней призмы направл етс луч 5 света зондирующего излучени , реализуетс волноводное распространение света в тонкой пленке жидкости, измер ютс резонансные углы возбуждени трех волноводных мод «о , #1 и аг , рассчитываютс соответствующие им величины эффективных ПП По, ni и П2 и по соответствующей формуле определ етс искома величина пж на длине волны зондирующего излучени .For the measurement, a measuring prism 1 with a PP is used, on the base of which a matching coating 2 is applied with a PP and pr value and a plate 3 with one polished surface and a PP value. The test liquid is positioned between the base of the prism and the treated surface of the plate and a thin film waveguide layer 4 is formed by pressing, then a beam of light 5 of the probing radiation is directed to one of the faces of the prism, the waveguide propagation of light in a thin film of liquid is measured, the resonant angles of excitation of three Waveguide modes "o, # 1 and ar, are calculated the corresponding values of the effective PP By, ni and P2 and according to the appropriate formula is determined by the target value pj on the length olny probing radiation.

Соотношение, св зывающее эффективный ПП волноводной моды nm со значением ПП вводной призмы, имеет следующий вид:The relation connecting the effective waveguide wavelength PP of the nm waveguide with the PP of the input prism has the following form:

nm nPsin A.tarcsin()b (1)nm nPsin A.tarcsin () b (1)

В рамках рассматриваемой задачи пр моугольного волновода получаетс простое аналитическое выражение, которое позвол ет по измеренному модовому спектру получить прецизионное значение ПП исследуемой жидкости.In the framework of the problem of a rectangular waveguide, a simple analytical expression is obtained, which makes it possible to obtain a precise PP value of the liquid under investigation from the measured mode spectrum.

Исходным вл етс дисперсионное уравнение волноводаThe original is the dispersion equation of the waveguide

qm h-arctg (- ) - arctg () т ;(2) чтчтоqm h-arctg (-) - arctg () t; (2) what

,1,2...(М-1),, 1,2 ... (M-1),

где h - толщина пленки жидкости под основанием призмы; qm K{n«2-nm2)1/2; (пт2- 1)1/2,- (Пт2-П32)1/2; Пж И П8 - ППwhere h is the thickness of the liquid film under the base of the prism; qm K {n "2-nm2) 1/2; (Pt2- 1) 1/2, - (Pt2-P32) 1/2; PJ & P8 - PP

исследуемой жидкости и подложки; К --г- (Я -длина волны света в вакууме);test liquid and substrate; K - r- (I-wavelength of light in a vacuum);

nm - эффективный ПП m-й моды.nm - effective PP m-th mode.

Выражение qw можно представить в виде р да Тейлора:The qw expression can be represented as a Taylor series:

)om+(f.)0. (3) 0md т z) om + (f.) 0. (3) 0md t z

Дифференциру уравнение (2), получим d qm л dmDifferential equation (2), we get d qm l dm

ЬэффBeff

гдеWhere

h h+J-+- -.(4)h h + J - + - -. (4)

Гт I тGT I t

Из уравнени (4) с учетом (3) можно получить выражение дл пж: пжFrom equation (4), taking into account (3), one can obtain the expression for pzh: pzh

25 по-(4 Щ +П2)2 25по-(4щ -п2)2|1// 25- (4 u + p2) 2 25po- (4gc-n2) 2 | 1 //

(5)(five)

Очевидно, что это выражение справедливо дл числа резонансных мод . Obviously, this expression is valid for the number of resonant modes.

II

16 (25 п2 - 20 п2 - 5п)16 (25 P2 - 20 P2 - 5P)

четна точность волноводного способа согласно формуле (4) не хуже ± 1-10 .even accuracy of the waveguide method according to formula (4) is not worse than ± 1-10.

Способ был апробирован применительно к измерению ПП жидкости соединени а-метил нафталин с ПП пж ci,1,6. Измерени проводились на длине волны излучени с ,6328 мкм. В качестве пластины использован элемент из стекла марки К-8 с ,5142 с одной обработанной поверхностью . Рабочие призмы были изготовлены из стекла марки ТФ-10 (,7999), на основании которой нанесено покрытие из SI02 (,483) с разной толщиной. Толщина покрыти варьировалась дл идентификации оптимальной величины зазора между призмой и жидкостью, котора дл данной длины волны света определ етс следующими факторами. При возбуждении волновода с помощью призмы призменный элемент св зи вли ет на величину измеренных эффективных ПП волноводных мод. На практике можно увеличением толщины зазора уменьшить это вли ние, приближа значени измеренных эффективных ПП к предельным величинам дл ненагруженного волновода. Однако эта процедура одновременно приводит к энергетическим потер м, т.е. к снижению мощности излучени в волноводе из-за подавлени туннелировани света в волновод через буферный слой зазора при полном внутреннем отражении на основании призмы. Оценки показывают, что в случае слабой св зи, реализуемой при толщине покрыти The method was tested in relation to the measurement of the PP liquid of the compound a-methyl naphthalene with PP pzh ci, 1.6. The measurements were carried out at a radiation wavelength of c, 6328 µm. As a plate, an element of K-8 s, 5142 glass with a single treated surface was used. The working prisms were made of TF-10 glass (, 7999), on the basis of which a coating of SI02 (, 483) was applied with different thicknesses. The thickness of the coating was varied to identify the optimal size of the gap between the prism and the liquid, which for a given wavelength of light is determined by the following factors. When a waveguide is excited with a prism, the prism coupling element affects the magnitude of the measured effective waveguide PP modes. In practice, by increasing the thickness of the gap, this effect can be reduced by approximating the values of the measured effective SC to the limiting values for an unloaded waveguide. However, this procedure simultaneously leads to energy losses, i.e. a decrease in the radiation power in the waveguide due to the suppression of the tunneling of light into the waveguide through the gap buffer layer with full internal reflection on the basis of the prism. Estimates show that in the case of weak bonding, implemented with a coating thickness

1one

S S

K nl-пГK nl-PG

2000 А, 2000 A,

вли нием призменной св зи можно пренебречь ,the influence of the prism can be neglected

В устройстве, с помощью которого был измерен ПП жидкости, использовались рабочие призмы с разной толщиной нанесенного покрыти на основании 500-8000 А. Экспериментальные данные сравнивались с прецизионными рефрактометрическими измерени ми дисперсии ПП исследуемой жидкости, выполненными на рефрактометре Пульфриха при разных температурах. Исследовали зависимость точности измерений от толщины покрыти на основании призмы. Исследовани показали, что оптимальным вариантом дл данной длины волны зондирующего излучени Я 0,6328 мкм вл етс толщина покрыти А. Измеренна волноводным способом величина ПП исследуемой жидкости оказалась равной пж1о 1,60791, что хорошо согласуетс с рефрактометрическими данными. При дальнейшем увеличении толщины покрыти наблюдаетс заметное ослабление туннелировани света в тонкопленочный слой жидкости вплоть до полного подавлени первых двух волноводных мод при величине толщины покрыти , равной 8000 А.In the device with which the PP was measured, working prisms with different thicknesses of the applied coating were used on the basis of 500-8000 A. The experimental data were compared with precision refractometric measurements of the PP dispersion of the test liquid made on the Pulfrich refractometer at different temperatures. The dependence of the measurement accuracy on the thickness of the coating on the basis of a prism was investigated. Studies have shown that the best option for a given wavelength of probe radiation, 0.6328 µm, is coating thickness A. The measured value of the test fluid measured by the waveguide method turned out to be pzh1o 1.60791, which agrees well with the refractometric data. With a further increase in the thickness of the coating, a noticeable weakening of the tunneling of light into the thin-film layer of the liquid is observed, up to the complete suppression of the first two waveguide modes at a coating thickness of 8000 A.

Таким образом, волноводный способThus, the waveguide method

определени ПП несложен и основан на измерении резонансных углов возбуждени волноводных мод и вычислении неизвестных ПП жидкости по формуле(5). Дл прове0 дени измерений необходима рабоча площадь исследуемой жидкости с линейными размерами пор дка 5 мм, что соответствует диаметру зондирующего пучка. Учитыва также, что обеспечение трехмодо5 вого режима возбуждени в тонкой пленке жидкости реализуетс при толщине пор дка 4 мкм, получим оценку рабочего объема жидкости, требуемой дл измерений, V.Ј см3 или мл. Таким обра0 зом, в волноводном способе используетс минимальное количество исследуемой жидкости ( 1 «10 мл), что намного меньше, чем требуетс дл измерений в рефрактометрическом способе Аббе,determination of PP is simple and based on measuring the resonant angles of excitation of the waveguide modes and calculating the unknown PP of the liquid using formula (5). For measurements, a working area of the test liquid with linear dimensions of the order of 5 mm is required, which corresponds to the diameter of the probe beam. Considering also that the provision of a three-mode excitation mode in a thin liquid film is realized at a thickness of about 4 µm, we obtain an estimate of the working volume of the liquid required for measurements, V.Јcm3 or ml. Thus, in the waveguide method, the minimum amount of the test liquid (1 ± 10 ml) is used, which is much less than is required for measurements in the refractometric method Abbe,

5 и при этом обеспечиваетс идентична точность ± . Существенное уменьшение объема жидкости, требуемой дл проведени измерений ПП, особенно важно при исследовании уникальных жидкостей.5 and at the same time the accuracy is ensured ±. A significant decrease in the volume of fluid required for measuring the PP is especially important when examining unique liquids.

0 Волноводный способ основан на определении углов возбуждени резонансных мод с помощью энергетических измерений максимума выходной интенсивности с использованием фотодетектора 6. Поэтому0 The waveguide method is based on determining the excitation angles of the resonant modes using energy measurements of the maximum output intensity using a photodetector 6. Therefore

5 применение в качестве фотодетектора пи- роприемника позвол ет провести с помощью волноводного способа измерение дисперсии ПП исследуемой жидкости в широком спектральном диапазоне, включа 5, the use of a pyro-receiver as a photodetector allows using the waveguide method to measure the dispersion of the PP of the liquid under investigation in a wide spectral range, including

0 ультрафиолетовую и инфракрасную области спектра без использовани специальных визуализаторов. Другое преимущество предлагаемого способа перед рефрактометрическим способом про вл етс при изме5 рени х дисперсных жидкостей. В этом случае энергетические измерени максимума интенсивности резонансных волноводных мод в предлагаемом способе обеспечивает увеличение быстродействи 0 ultraviolet and infrared spectral regions without the use of special visualizers. Another advantage of the proposed method over the refractometric method appears when measuring dispersed liquids. In this case, the energy measurements of the maximum intensity of the resonant waveguide modes in the proposed method provide an increase in speed

0 измерений ПП жидкостей такого типа. Наличие реальной возможности использовани согласующей пленки в качестве защитного покрыти из химически стойких материалов делает волноводный способ уникальным0 measurements of PP fluids of this type. The presence of a real possibility of using a matching film as a protective coating of chemically resistant materials makes the waveguide method unique

Claims

5 in relation to the study of the dispersion of PP chemically aggressive liquids. The invention The method of measuring the refractive index of liquids, including the illumination of collimated monochromatic radiation with a wavelength I of the layer of the test liquid through one of the faces of the measuring prism with a refractive index n, and a large angle of refraction of the liquid wl and an angle A at the base, characterized by in order to reduce the volume of the liquid under study, increase the speed and simplify the method, illuminate the liquid layer in the form of a waveguide film formed by pressing a polished liquid surface plate having a refractive index ns smaller RV to agree coating having a refractive index nc and a thickness of less RV

applied to the base of the prism, three waveguides are excited in the liquid film

mod, measure the resonance angles OQ, ohm and g, excitation of three waveguide modes, and calculate the desired refractive index of the fluid pj by the formula pj

(25pr- (4p1 + na) 23 25no- (4ni -g 1 / (1b (25pЈ-20g -5pZ)

P2

g

where the values n0, ni, P2 are determined from the ratio

nm npSin A + arcsin (),

Etc

where From is the resonance angles of excitation of the waveguide modes (, 1, 2), and the sign (-) corresponds to the location of the reflected beam between the base of the prism and the normal to the input face.

, /,, /, /, /, /,, у, / / / / / У 4 /