專利名稱：一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
介質(zhì)折射率的測量可分為透射型和反射型兩類。透射型是利用光線穿過被測介質(zhì)的透射光的特性來計算得到介質(zhì)的折射率。主要的方法是通過測量入射光線的入射角和折射光線的折射角，再利用折射定律(又稱Snell定律)的公式計算得到。其特點(diǎn)是方法簡單，易于實現(xiàn)；測量精度依賴于對入射角和折射角的精確測量，裝置較為復(fù)雜；同時要求所測量的介質(zhì)為光學(xué)透明介質(zhì)，如水、玻璃、晶體等，對于渾濁介質(zhì)(液體，如牛奶)，透射光將受到散射和吸收影響，該方法是不適用的。 反射型是利用光線在介質(zhì)界面處的反射特性，如反射率、偏振、相位、臨界角等特征參數(shù)，來得到被測介質(zhì)的折射率。臨界角法是反射型的典型代表。根據(jù)折射定律，光線自光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角，而且，隨著入射角的增大，折射角將增大，當(dāng)入射角增大到一定值時，折射角將增大到90度，即折射光將沿兩介質(zhì)界面折射，此時的入射角稱為臨界角。若入射角達(dá)到臨界角后繼續(xù)增大，光線將不再折射入光疏介質(zhì)，而全部被界面反射回原光密介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為光的全反射現(xiàn)象。當(dāng)光密介質(zhì)折射率一定時，介質(zhì)臨界角由光疏介質(zhì)折射率唯一確定。利用該方法設(shè)計的儀器，稱為臨界角折光計。這種測量方法原理簡單，測量精確依賴于對角度的準(zhǔn)確測量，裝置較為復(fù)雜，可測量對象范圍較廣，可覆蓋非透明、部分透明和透明等大部分介質(zhì)，例如金屬和牛奶等。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置及其測量方法，其旨在解決現(xiàn)有介質(zhì)折射率的測量方法需要對光線角度進(jìn)行測量的技術(shù)問題，而針對光線角度的測量系統(tǒng)較復(fù)雜，成本高、效率低。本發(fā)明的工作原理在信號處理與控制模塊的控制下，電信號經(jīng)光發(fā)射模塊調(diào)制到光載波上，發(fā)射某一確定波長的光信號，并注入被測介質(zhì)傳輸，延遲后的光信號到達(dá)光接收模塊，完成光電轉(zhuǎn)換、放大后電信號送到信息處理與控制模塊，信號處理與控制模塊測量發(fā)射光信號和接收光信號的延遲時間，再利用已知的被測介質(zhì)長度，由此計算得到被測介質(zhì)在某一確定波長處的折射率。例如當(dāng)某一波長Itl的光信號在介質(zhì)中傳輸將會產(chǎn)生延遲，其延遲時間用公式表示為At= (L*n)/c，其中At為延遲時間，L為介質(zhì)傳輸路徑的長度，η為介質(zhì)在波長Itl處的折射率，c為真空中的光速(為常數(shù)300000km/s)。由此可見通過準(zhǔn)確的測量延遲時間、已知傳輸介質(zhì)長度L，即可以計算得到傳輸介質(zhì)在波長^處的折射率 n，n= (c · At) /L0為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置，其特征在于，包括信號處理與控制模塊、光發(fā)射模塊和光接收模塊；所述信號處理與控制模塊控制光發(fā)射模塊發(fā)出確定波長的光信號，所述光信號注入被測介質(zhì)，光信號在被測介質(zhì)內(nèi)傳輸產(chǎn)生延遲，延遲后的光信號傳輸至光接收模塊，所述光接收模塊將延遲后的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并放大后傳輸至信號處理與控制模塊，信號處理與控制模塊測量發(fā)射光信號和接收光信號的延遲時間，利用已知的被測介質(zhì)長度，計算得到被測介質(zhì)在某一確定波長的折射率。所述光發(fā)射模塊采用半導(dǎo)體激光器或固體激光器，能夠發(fā)射某一確定波長的光信號，通過直接強(qiáng)度調(diào)制或間接強(qiáng)度調(diào)制，發(fā)射連續(xù)正弦波或脈沖光波信號，并注入被測介質(zhì)。所述光接收模塊采用PIN或APD光電探測器，探測由被測介質(zhì)傳輸延遲的光信號，其接收波長應(yīng)與發(fā)射模塊的波長匹配，并轉(zhuǎn)換成電信號放大后輸出，送達(dá)信號處理與控制模塊。所述被測介質(zhì)為各種能夠透過光信號的介質(zhì)，如各種玻璃、各種晶體材料、石英光 纖、朔料光纖等。 所述信號處理與控制模塊采用高精度模擬和數(shù)字電路來產(chǎn)生和控制發(fā)射信號，并測量發(fā)射信號和接收信號的延遲時間，由此來計算折射率。本發(fā)明提供的一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置的測量方法，其特征在于，包括如下步驟
①利用基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置，首先測量已知折射率和長度的標(biāo)準(zhǔn)具(參數(shù)為/^Z1)的延遲時間,測得值為G ;
②將標(biāo)準(zhǔn)具移去，置入被測介質(zhì)(參數(shù)為Z2),并保持其他測試狀態(tài)不變，再次測量延遲時間，測得值為t2 ’
③計算被測介質(zhì)引起光信號的附加延遲時間，附加延遲時間Ji= & - 2 ;
④計算被測介質(zhì)的折射率，由公式」t二Qi1 · L1 -n2 · L2) /c，計算得到被測介質(zhì)的折射率為-M2 =( H1' L1-C · Δ t) /L2 ；
所述標(biāo)準(zhǔn)具為已知折射率和長度的介質(zhì)，或者為空氣或真空形成的傳輸介質(zhì)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在
一、光學(xué)系統(tǒng)簡單、易行，將光學(xué)參數(shù)的測量轉(zhuǎn)化為光電信號的測量，降低了測量系統(tǒng)地復(fù)雜度；
二、利用本發(fā)明提出的方法建立的裝置成本低，易于推廣應(yīng)用；
三、所采用的測量方法和步驟，消除了電路系統(tǒng)的影響，提高了測量精度。


圖I是本發(fā)明提供的一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為測量石英光纖折射率的測量方案示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置，如圖I所示，包括信號處理與控制模塊、光發(fā)射模塊和光接收模塊；所述信號處理與控制模塊控制光發(fā)射模塊發(fā)出確定波長的光信號，所述光信號注入被測介質(zhì)，光信號在被測介質(zhì)內(nèi)傳輸產(chǎn)生延遲，延遲后的光信號傳輸至光接收模塊，所述光接收模塊將延遲后的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并放大后傳輸至信號處理與控制模塊，信號處理與控制模塊測量發(fā)射光信號和接收光信號的延遲時間，利用已知的被測介質(zhì)長度，計算得到被測介質(zhì)在某一確定波長的折射率。
實施例所述光發(fā)射模塊采用I. 55 μ m半導(dǎo)體激光器，通過直接強(qiáng)度調(diào)制，發(fā)射脈沖光波信號。而被測介質(zhì)由石英光纖構(gòu)成。光接收模塊采用1.55μπι波段PIN光電探測器、前置放大器和主放大器構(gòu)成，探測經(jīng)過被測石英光纖傳輸延遲的光信號，并轉(zhuǎn)換成電信號放大后輸出，送達(dá)信號處理與控制模塊。信號處理與控制模塊采用高精度模擬和數(shù)字電路來產(chǎn)生和控制發(fā)射信號，并測量發(fā)射信號和接收信號的延遲時間，再利用已知的被測石英光纖的長度，即可計算得到被測石英光纖在I. 55 μ m的折射率。采用如下步驟來準(zhǔn)確測量光信號的延遲時間 ①利用基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置，如圖2所示，首先測量已知折射率和長度的的石英光纖(參數(shù)為L1)的延遲時間，測得值為q ；
②將標(biāo)準(zhǔn)具移去，置入被測光纖(參數(shù)為Z2),并保持其他測試狀態(tài)不變，再次測量延遲時間，測得值為t2 ’
③計算被測光纖引起光信號的附加延遲時間，附加延遲時間Ji= q - t2。④計算被測光纖的折射率，由公式Z = Ifll · L1 ~η2 · Q /c，計算得到被測介質(zhì)的折射率為-M2 =( Til-Ll-C- Δ t) /L20本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求
1.一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置，其特征在于，包括信號處理與控制模塊、光發(fā)射模塊和光接收模塊；所述信號處理與控制模塊控制光發(fā)射模塊發(fā)出某一確定波長的光信號，所述光信號注入被測介質(zhì)，光信號在被測介質(zhì)內(nèi)傳輸產(chǎn)生延遲，延遲后的光信號傳輸至光接收模塊，所述光接收模塊將延遲后的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并放大后傳輸至信號處理與控制模塊，信號處理與控制模塊測量發(fā)射光信號和接收光信號的延遲時間，利用已知的被測介質(zhì)長度，計算得到被測介質(zhì)在某一確定波長的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置，其特征在于，所述光發(fā)射模塊采用半導(dǎo)體激光器或固體激光器發(fā)射某一確定波長的光信號，通過直接強(qiáng)度調(diào)制或間接強(qiáng)度調(diào)制，輸出連續(xù)正弦波或脈沖光波信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置，其特征在于，所述光接收模塊采用PIN或Aro光電探測器和放大器組成，探測由被測介質(zhì)傳輸延遲的光信號，其工作波長與所述光發(fā)射模塊匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置，其特征在于，所述被測介質(zhì)為各種能夠透過光信號的介質(zhì)。
5.一種如權(quán)利要求I所述的基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置的測量方法，其特征在于，包括如下步驟 ①利用基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置，測量已知折射率和長度的標(biāo)準(zhǔn)具的延遲時間，延遲時間的測得值為G，標(biāo)準(zhǔn)具的折射率為&、標(biāo)準(zhǔn)具的長度為Z1 ； ②將標(biāo)準(zhǔn)具移去，置入被測介質(zhì)，并保持其他測試狀態(tài)不變，再次測量延遲時間，測得值為； ③計算被測介質(zhì)引起光信號的附加延遲時間，附加延遲時間為J =匕- 2 ; ④計算被測介質(zhì)的折射率，由公式」t二Qi1 · L1 -n2 · L2) /c，計算得到被測介質(zhì)的折射率為-M2 =( H1' L1- c · Δ t) /L20
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置的測量方法，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)具為已知折射率和長度的介質(zhì)或為由空氣或真空形成的傳輸介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光延遲技術(shù)的介質(zhì)折射率測量裝置及其測量方法，涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，包括信號處理與控制模塊、光發(fā)射模塊和光接收模塊；光發(fā)射模塊經(jīng)信號處理與控制模塊控制發(fā)出某一確定波長的光信號，注入被測介質(zhì)，光信號在被測介質(zhì)內(nèi)傳輸產(chǎn)生延遲，光接收模塊接收延遲后的光信號，并將延遲后的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并放大后傳輸至信號處理與控制模塊，信號處理與控制模塊測量發(fā)射光信號和接收光信號的延遲時間，利用已知的被測介質(zhì)長度，即可計算得到被測介質(zhì)在某一確定波長的折射率。本發(fā)明回避了測量反射角或折射角獲取折射率的復(fù)雜方法，采用測量光信號在介質(zhì)中的傳輸延遲來得到折射率，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了效率，便于推廣運(yùn)用。
文檔編號G01N21/41GK102879358SQ201210425600
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者邱琪 申請人:電子科技大學(xué)