基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量方法及系统，该测量系统包括光源、准直扩束镜、偏振片、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一～三反射镜、液晶空间光调制器、CCD相机和第一计算机；光源经准直扩束镜准直扩束成一定直径的高斯光束后入射到偏振片；偏振片调节光束的偏振方向后入射到第一分光棱镜分成参考光和物光；参考光经第一反射镜反射到第二分光棱镜；物光反射至液晶空间光调制器进行相位调制，被调制生成涡旋光束后依次入射到第二反射镜和第三反射镜反射到待测溶液中；经待测溶液透射的光束入射到第二分光棱镜并与参考光发生干涉，干涉图案经CCD相机采集并传输到第一计算机计算得到待测溶液的折射率。传输到第一计算机计算得到待测溶液的折射率。传输到第一计算机计算得到待测溶液的折射率。

【技术实现步骤摘要】
基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种溶液折射率(RI)测量方法及系统，特别是关于一种基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量方法及系统，属于测试计量技术及仪器领域。

技术介绍

[0002]光与介质的相互作用可以用来测量和研究介质的组成及其重要性质。折射率是物质的重要参数之一，在对物质的光能、纯度、浓度及色散等性质分析、研究中起着至关重要的作用；折射率的测量可应用于生物医药制备、检测，试剂检测、在线监测，化工、食品检测，微创、无创血糖检测，以及特定蛋白检测等方面。因此，研究一种对溶液折射率快速、实时、准确、有效的测量方法，具有非常重要的意义。
[0003]目前，折射率的主要测量方法可分为两类，一类是几何光学法，一类是波动光学法，几何光学法是以折射反射定律为理论基础，通过精确测量光束通过介质的折射角度来确定介质的折射率，如基于激光照射的折射率测量方法中，通过介质中光束的折射角推断介质折射率的大小；而波动光学法是利用介质对透射光相位的影响来确定其折射率，如利用迈克尔逊干涉仪、马赫曾德尔干涉仪、法布里珀罗干涉仪等方法测量折射率时，通过对实验产生的干涉条纹数量的变化来推算待测介质折射率的大小。以上测量方法在实际测量中均存在着部分局限性，几何光学法测量时存在着测量范围受限、实验重复性差和无法进行实时测量等问题；波动光学法测量时存在着对仪器稳定性要求较高，折射率检测范围受限，不能进行实时测量，实用性较差等问题。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够利用涡旋光束与平面波干涉所产生旋转强度模式(位错叉形条纹)的特征及轨道角动量的特性，实现了溶液折射率快速、准确、高灵敏度测量的基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量方法及系统。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0006]第一方面，本专利技术提供的一种基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量系统，该测量系统包括光源、准直扩束镜、偏振片、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一～三反射镜、液晶空间光调制器、CCD相机和第一计算机；
[0007]所述光源经所述准直扩束镜准直扩束后的高斯光束入射到所述偏振片；
[0008]所述偏振片调节光束的偏振方向后入射到所述第一分光棱镜分成参考光和物光；
[0009]所述参考光经所述第一反射镜反射到所述第二分光棱镜；
[0010]所述物光经所述液晶空间光调制器后进行相位调制，高斯光束被调制生成涡旋光束后，依次入射到所述第二反射镜和第三反射镜，经所述第三反射镜反射到待测溶液中；
[0011]经所述待测溶液透射的光束入射到所述第二分光棱镜并与参考光发生干涉，干涉图案经所述CCD相机采集传输到所述第一计算机计算得到待测溶液的折射率。
[0012]所述的溶液折射率测量系统，进一步地，所述待测溶液设置在比色皿中。
[0013]所述的溶液折射率测量系统，进一步地，在测量待测溶液折射率过程中，如需增大测量范围，则对涡旋光束拓扑荷值进行改变，涡旋光束拓扑荷值的改变通过对所述液晶空间光调制器进行调控。
[0014]所述的溶液折射率测量系统，进一步地，还包括第二计算机，通过改变加载与所述液晶空间光调制器连接的第二计算机中的相息图，可实现对高斯光束的相位调制，生成不同拓扑荷值的涡旋光束。
[0015]所述的溶液折射率测量系统，进一步地，干涉图案为位错的叉状干涉条纹，在测量待测溶液折射率时，当待测溶液折射率逐渐增大时，其干涉条纹顺时针旋转一定角度；当待测溶液折射率逐渐减小时，干涉条纹逆时针旋转一定角度，其中，角度的变化量直接反映了待测溶液折射率的变化值，通过从干涉图案中提取涡旋光束的相位改变量，即可计算出待测溶液折射率的大小。
[0016]第二方面，本专利技术提供的基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量方法，包括：
[0017]激光器发出的光经第一分光棱镜透射的物光由液晶空间光调制器调制后依次经第二反射镜和第三反射镜反射到待测溶液，经液晶空间光调制器调制后的光束为涡旋光束；
[0018]经激光器发出并由第一分光棱镜反射至第一反射镜的平面波为参考光；
[0019]注入折射率为n0的参考溶液在比色皿中，确定折射率测量的初始方位角；
[0020]配置不同折射率的待测溶液注入比色皿中；
[0021]物光透射比色皿后与参考光合束并干涉形成干涉图案；
[0022]CCD相机对干涉图案进行采集，并传输至第一计算机处理计算待测溶液折射率n。
[0023]所述的溶液折射率测量方法，进一步地，第一计算机计算待测溶液折射率n：
[0024][0025]式中，Δθ为干涉条纹角度变化大小，λ为激光波长，l为拓扑荷值，L为比色皿宽度，μ为螺旋度的变化系数，n0为参考溶液的折射率。
[0026]所述的溶液折射率测量方法，进一步地，干涉条纹角度变化大小Δθ的计算过程为：
[0027]首先，对CCD采集的图像预处理(图像滤波，增强，二值化处理)后，采用MATLAB对采集到的多幅图像中同一位置的图像进行截取；
[0028]然后，采用Zhang
‑
Suen细化算法获取干涉条纹中心线，并通过提取矩形区域的方法提取图像中最具特征的条纹线；
[0029]其次，对分叉的条纹线进行线性拟合，计算其斜率；
[0030]最后，使用角度计算函数计算旋转角度Δθ的大小。
[0031]所述的溶液折射率测量方法，进一步地，微调第二反射镜和第三反射镜的角度使得涡旋光束能够垂直通过比色皿。
[0032]本专利技术由于采取了以上技术方案，其具有以下优点：
[0033]1、本专利技术包括基于马赫
‑
曾德尔干涉仪设计的光路测量系统，系统安装方便，操作简单，在测量介质折射率过程中，如需改变测试系统测量范围，仅需通过控制液晶空间光调制器对高斯光束进行相位调制，无需对系统中其它器件进行调整，提高了系统的稳定性，使
系统具有稳定性好、量程大、检测范围广等特点；
[0034]2、本专利技术采用涡旋光束，其在介质中传播速度快，光束特有的螺旋结构对介质折射率变化具有高度敏感性，能够实时感知待测溶液折射率的变化而生成新的相位分布，并且这一相位变化量体现了溶液折射率的变化量，从而能够实现对溶液折射率快速、准确的进行动态实时测量；
[0035]3、本专利技术采用液晶空间光调制器生成涡旋光束，不仅操作简便，转换效率高，而且涡旋光束拓扑荷值的改变，不仅可调节测量系统的灵敏度，同时增大了溶液浓度的检测范围和溶液种类的检测范围；
[0036]4、本专利技术采用平面波与涡旋光干涉产生位错的叉形干涉条纹，叉形条纹的旋转角度量化了待测溶液折射率的大小，其旋转方向直观表达了溶液折射率的变化趋势，使能够通过观测叉形条纹的变化方向直接判断出待测溶液折射率的增减情况；
[0037]5、本专利技术对涡旋光束的相位变化进行准确处理和计算，将CCD采集到的干涉图案通过图像预处理(图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量方法，其特征在于，该测量系统包括光源、准直扩束镜、偏振片、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一～三反射镜、液晶空间光调制器、CCD相机和第一计算机；所述光源经所述准直扩束镜准直扩束后的高斯光束入射到所述偏振片；所述偏振片调节光束的偏振方向后入射到所述第一分光棱镜分成参考光和物光；所述参考光经所述第一反射镜反射到所述第二分光棱镜；所述物光经所述液晶空间光调制器后进行相位调制，高斯光束被调制生成涡旋光束后，依次入射到所述第二反射镜和第三反射镜，经所述第三反射镜反射到待测溶液中；经所述待测溶液透射的光束入射到所述第二分光棱镜并与参考光发生干涉，干涉图案经所述CCD相机采集传输到所述第一计算机计算得到待测溶液的折射率。2.根据权利要求1所述的基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量系统，其特征在于，所述待测溶液设置在比色皿中。3.根据权利要求2所述的基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量系统，其特征在于，在测量待测溶液折射率过程中，如需增大测量范围，则对涡旋光束拓扑荷值进行改变，涡旋光束拓扑荷值的改变通过对所述液晶空间光调制器进行调控。4.根据权利要求3所述的基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量系统，其特征在于，还包括第二计算机，通过改变加载与所述液晶空间光调制器连接的第二计算机中的相息图，实现对高斯光束的相位调制，生成不同拓扑荷值的涡旋光束。5.根据权利要求3或4所述的基于涡旋光束干涉法的溶液折射率测量系统，其特征在于，干涉图案为位错的叉状干涉条纹，在测量待测溶液折射率时，当待测溶液折射率逐渐增大时，其干涉条纹顺时针旋转一定角度；当待测溶液折射率逐渐减小时，干涉条纹逆时针旋转一定角度，其中，角度的变化量直接反映了待测溶液折射率的变化值，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵辉，郝慧艳，冯美娟，梁靖，郭昊琰，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：