專利名稱:激光束自校準自補償式折射儀的制作方法
本發(fā)明屬于一種折射儀。特別是一種激光束自校準自補償式折射儀。它能廣泛地應用于自然科學和國民經濟各領域中，例如物理學、化學、生物學、醫(yī)學和光學工業(yè)、電子工業(yè)、石油化工工業(yè)、輕工業(yè)、商業(yè)中。
現(xiàn)有的折射儀，可分為兩大類。一類用目測法，讀出樣品的全反射角，根據(jù)Snell定律計算出折射率。GB2034914便是用目測法。這類儀器有活動部件，不能實時測量。另一類用光電法，測反射光強，根據(jù)Fresnel公式確定全反射角。EP71143便是用光電二極管陣列作探測器。這類儀器仍是測量角度，也不能實時測量。上述兩類儀器測量范圍較窄，對樣品要求較高，結構復雜，使用不便。
本發(fā)明的目的是，設計和制造出一種不做角度測量，無活動部件，結構簡單，測量范圍寬，對樣品要求不高，使用方便，實時測量的一種折射儀。
本發(fā)明的內容是由激光器、棱鏡、探測器、電路和測量系統(tǒng)所構成的激光束自校準自補償式折射儀。
在本發(fā)明中，用激光器做光源，它可以是波長從紫外到紅外的氣體、固體、可調諧染料、半導體和金屬蒸氣激光器，特別是各種氣體激光器，如氦-氖、氬離子、氪離子、氮分子、二氧化碳激光器。激光束可以是單光束，也可以是多光束。為使激光束的平行度更好，也可以附加光闌、準直透鏡。
在本發(fā)明中，用棱鏡做全反射體，它可以是由玻璃、晶體制作的固體棱鏡;也可以是由帶用兩個透明通光口和一個水平樣品臺的棱鏡形狀的金屬容器內盛液體所構成的液體棱鏡;也可以是氣體棱鏡，它由密封容器和高壓氣體構成?？梢允褂靡粋€棱鏡，也可以使用多個棱鏡。棱鏡的形狀可以是等腰三角形、等腰梯形、多邊形。
本發(fā)明中，探測器可以是光電器件，也可以是熱電器件。
本發(fā)明中，測量系統(tǒng)可以是直讀儀表、數(shù)字電壓表、計算機。
附圖。圖1，“γ”形曲線;圖2，單光束自校準式折射儀;圖3，雙光束自校準自補償式折射儀。
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以下結合附圖對發(fā)明做進一步描述。以一非偏振的平行光束，垂直入射到一塊折射率為n0(已知)的雙45°全反射直角棱鏡的一個直角面上，在其弦面上密合地放置一個被測樣品，當樣品的折射率從1改變到無窮大時，從棱鏡的另一個直角面出射的反射光強將如何變化呢？圖1是根據(jù)Snell定律Sinφn0＝SinXn (1)(式中φ為入射角，X為折射角)，和Fresnel公式I= 1/2 I0〔 (Sin2(φ-X))/(Sin2(φ+X)) + (tg2(φ-X))/(tg2(φ+X)) 〕(2)(式中I0為如射光強，I為反射光強)，以某一n0為例，計算出的“γ”行曲線的示意圖?？v座標是反射光強與入射光強之比(%)。橫座標是折射率n。曲線從n＝1開始的“平直段”表示全反射狀態(tài)，I/I0＝100%;n增大到某一數(shù)值時全反射狀態(tài)被破壞，出現(xiàn)“陡降段”，到n＝n0時降為零時;n再增大時，出現(xiàn)“緩降段”，當n＝∞時，又回到100%。
在滿足起始時(n＝1)為全反射狀態(tài)，即n0＞(Sinφ)-1的前提下，再做下列一系列計算仍取φ＝45°，改變n0值時，會得到一組γ形曲線，它們的平直段長度不同，降升速度不同;選定n0值，改變φ，即改用其它形狀的棱鏡，入各種非雙45°直角棱鏡及其變形、等腰梯形棱鏡及其變形，也會得到一組γ形曲線，它們平直段長度不同，降升速度不同;選定n0值，對任何一種形狀的按不同排列組合的多個棱鏡做多次全反射計算，也得到一組γ形曲線，與各自的一次反射曲線對比，平直段長度不變，反射次數(shù)愈多陡降段愈陡，而緩升段愈緩;選定n0和φ值，以線偏振光做入射光，得到的曲線與非偏振時同樣的n0和φ值的曲線相比，平直段長度不變，當電矢量垂直于入射面時(S分量)，陡降段降得慢、緩升段升得快，當電矢量平行于入射面時(P分量)，陡降段降得快，緩升段升得慢。
上式計算所得到的每一條γ形曲線在n方向上的三個長度，均由下列三個公式給出平直段長度＝n0Sinφ-1(3)陡降段長度＝n0(1-Sinφ) (4)緩升段長度＝n0～∞ (5)這三個公式揭示了從全反射狀態(tài)到全反射狀態(tài)的被破壞這一“臨界過程”中的所有內在規(guī)律。它們是本發(fā)明的理論依據(jù)。
根據(jù)Fresnel公式，可以推導出采用m次全反射起始狀態(tài)時，在它們被破壞狀態(tài)下的反射光強的表達式。對非偏振光I= 1/2 I0〔 (Sin2(φ-X))/(Sin2(φ+X)) + (tg2m(φ-X))/(tg2m(φ+X)) 〕(6)對電矢量垂直于入射面的線偏振光I=IS0(Sin2m(φ-X))/(Sin2m(φ+X)) (7)對電矢量平行于入射面的線偏振光
I=IP0(Sin2m(φ-X))/(Sin2m(φ+X)) (8)在本發(fā)明中，利用γ形曲線的平直段，對儀器的光強進行自校準，稱它為“校準段”;利用陡降段，精確測量n小于n0而大于n0Sinφ這一范圍內物質的折射率，稱它為“精測段”;利用緩升段，粗略測量n大于n0直到無窮大這一極寬范圍內的物質的折射率，稱它為“粗測段”。
圖2是由激光器[1]的一個光束、棱鏡[2]、探測器[3]、電路[4]、測量系統(tǒng)[5]組成的一個結構簡單的折射儀。在測量前的全反射狀態(tài)下，以到達探測器[3]的光強(功率)為100%計，這就消除了棱鏡材料吸收的影響;在樣品[6]加上后，將立即讀出反射光強的數(shù)值，并可從γ曲線上查出樣品[6]的折射率。這類儀器，可稱為“單光束自校準式折射儀”。
圖3是將激光器[1]的另一端面的光束也加以利用，第二光束的強度由同型號的另一個探測器[3′]探測，兩個信號(直流的或交流的或脈沖的)分別送入電路[4]的兩個通道中。測量前，調整對兩個探測器信號的放大倍數(shù)，使兩個信號放大后相等，在每次測量中，測量系統(tǒng)[5]都將探測器[3]的信號除以探測器[3′]的信號，這樣，就補償了由于電源電壓、溫度等外界條件的變化所引起的光源輸出功率的波動。因此，稱它為“雙光束自校準自補償式折射儀”。此外，也可以采用三、四或更多光束的形式進行更好的補償或者做更精密的比較測量。
從圖1可以看到，對應同一個反射光強，γ曲線上有兩個n值，哪一個是真值呢？在n0左方的，記為n1，在n0右方的記為nr。在被測樣品的折射率的大概值已知時，因二者相差很大，當然很容易判斷。但當對被測樣品的折射率一無所知時，如何判斷呢？實際上，有許多判斷方法，這里僅給出下列六種判別規(guī)則對固體樣品當用其折射率稍低于n1的已知固體樣品替換時，若讀數(shù)增大，則n＝n1;若讀數(shù)減小，則n＝nr?；蛘撸斢闷湔凵渎噬愿哂趎r的已知樣品替換時，若讀數(shù)減小，則n＝n1;若讀數(shù)增大，則n＝nr。
對液體樣品當用少量的已知的折射率稍低于n1的液體稀釋被測樣品時，若讀數(shù)增大，則n＝n1;若讀數(shù)減小，則n＝nr?；蛘?，當用少量的已知的折射率稍高于nr的液體“加稠”被測樣品時，若讀數(shù)減小，則n＝n1;若讀數(shù)增大，則n＝nr。
對氣體樣品當氣體的濃度(或壓力)減小時，若讀數(shù)增大，則n＝n1;若讀數(shù)減小，則n＝nr。或者，當氣體的濃度增大時，若讀數(shù)減小，則n＝n1;若讀數(shù)增大，則n＝nr。
實施例1。如圖2所示的一個單光束自校準式折射儀。激光器[1]是氦-氖激光器，棱鏡[2]是玻璃雙45°直角棱鏡，探測器[3]是硅PIN光電二極管，電路[4]是放大電路，測量系統(tǒng)[5]是數(shù)字電壓表。根據(jù)計算，折射率測量精度可達10-4。
實施例2。如圖2所示的單光束自校準式折射儀。激光器[1]是可調諧染料激光器，其它與例1同。
實施例3。如圖3所示的一個雙光束自校準自補償式折射儀。探測器[3][3′]是硅PIN光電二極管+FET組件，測量系統(tǒng)[5]是計算機，其它與例1同。根據(jù)計算，折射率測量精度可達10-5∽10-6。
用激光做光源比普通光源好得多，激光單色性好，可以省去濾光片，激光的平行性好，可以大大地簡化光學系統(tǒng)。激光束可以做成很細的“光筆”，用于描繪物質中的折射率分布，例如用來測量光纖予制棒的折射率的徑向分布。
本發(fā)明的折射儀可用做探測凡與物質折射率有關的各種物理量的各種類型的光學傳感器。例如，濃度傳感器，用于測量各種氣體、液體的濃度(如化學試劑、糖、酒、藥、血液等);壓力傳感器，用于測量各種狀態(tài)下氣體的壓力;純度和雜質含量(如各種溶劑、飲用水的純度和雜質含量。各種油中水的含量等)。這些傳感器均具有快速、實時測量的特點。
上述各種折射儀和傳感器的輸出信號送給各種儀表時，便可方便快速的測量、讀數(shù)和顯示。使用計算機時，根據(jù)Fresnel公式先由計算機計算出所使用的γ形曲線，并將全部有關數(shù)據(jù)貯存起來，根據(jù)予先編好的程序，便可方便地對折射率或所測量的物理量進行自動化連續(xù)、實時測量，并進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、存貯和打印。
綜上所述，利用γ形曲線的三段長度公式，通過對棱鏡個數(shù)、材料和入射角的選擇，便可以設計和制造出滿足不同使用要求的能夠精密、快速、實時測量各種物質在不同波段、波長上的不同范圍的折射率的一系列的新型折射儀，以及測量與物質折射率有關的各種物理量的新型傳感器。
本發(fā)明在自然科學中，例如物理學、化學、生物學、醫(yī)學等的研究和實驗工作中，在光學工業(yè)、電子工業(yè)、石油化工工業(yè)、輕工業(yè)、商業(yè)乃至國民經濟各個領域中，將會得到廣泛的應用。
本發(fā)明的優(yōu)點是，儀器不做角度測量，無活動部件，用激光做光源，結構簡單，自校準、自補償，測量精度高，對被測樣品的加工要求低，對透明度無任何要求，測量范圍極寬，可進行快速、實時測量，使用方便，應用面廣，利用本發(fā)明可以容易地設計和制造出各種折射儀和傳感器。
權利要求
1.一種由光源、棱鏡、探測器、電路和測量系統(tǒng)所構成的折射儀，其特征在于所使用的光源是激光器。
2.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的激光器是氣體激光器。
3.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的激光器是固體激光器。
4.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的激光器是可調諧激光器。
5.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的激光器是半導體激光器。
6.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的激光器是金屬蒸氣激光器。
7.按照權利要求
2所述的折射儀，其特征在于所用的氣體激光器是氦-氖激光器。
8.按照權利要求
2所述的折射儀，其特征在于所用的氣體激光器是氬離子激光器。
9.按照權利要求
2所述的折射儀，其特征在于所用的氣體激光器是氪離子激光器。
10.按照權利要求
2所述的折射儀，其特征在于所用的氣體激光器是氮分子激光器。
11.按照權利要求
2所述的折射儀，其特征在于所用的氣體激光器是二氧化碳激光器。
12.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的激光器的光束是一個以上的激光束。
13.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的棱鏡是玻璃棱鏡。
14.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的棱鏡是晶體棱鏡。
15.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的棱鏡是液體棱鏡。
16.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的棱鏡是氣體棱鏡。
17.按照權利要求
1、13、14所述的折射儀，其特征在于所用的棱鏡是一個以上的棱鏡。
18.按照權利要求
17所述的折射儀，其特征在于所用的棱鏡是多邊形棱鏡。
19.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的探測器是硅PIN光電二極管。
20.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的探測器是硅PIN光電二極管+FET組件。
21.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的測量系統(tǒng)是數(shù)字電壓表。
22.按照權利要求
1所述的折射儀，其特征在于所用的測量系統(tǒng)是計算機。
23.按照權利要求
1所述的折射儀的應用，其特征在于測量物質的折射率。
24.按照權利要求
23所述的折射儀的應用，其特征在于測量物質的折射率分布。
25.按照權利要求
23所述的折射儀的應用，其特征在于測量光纖預制棒的折射率。
26.按照權利要求
24所述的折射儀的應用，其特征在于測量光纖預制棒的折射率分布。
27.按照權利要求
23所述的折射儀的應用，其特征在于測量與物質折射率有關的物理量。
專利摘要
本發(fā)明提出了由激光器、全反射鏡、探測器、電 路和測量系統(tǒng)所構成的折射儀。它利用“γ”形曲線 的“平直段”、“陡降段”和“緩升段”分別做校準、精測 和粗測，雙光束做自補償。特點是不做角度測量、無 活動部件、結構簡單、實時測量。通過對棱鏡材料和 入射角的選擇，可設計制造出折射率測量范圍為大 于1直到無窮大的一系列精密儀器。它也極適于用做 探測與物質折射率有關的各種物理量的實時傳感 器。
文檔編號G01N21/55GK85102907SQ85102907
公開日1987年2月18日 申請日期1985年7月16日
發(fā)明者冷長庚 申請人:冷長庚導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan