基于光栅-棱镜系统的折射率传感器及其测量方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于光栅

【技术实现步骤摘要】
基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器及其测量方法


[0001]本专利技术涉及一种基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器及其测量方法，属于光干涉计量


技术介绍

[0002]基于干涉技术的光学折射率传感器，在物理、化学或生物量的测量领域具有广泛的应用。已经报道的折射率传感器，有的凭借超高的灵敏度，有的凭借超高的分辨率，实现了高精度的折射率测量。然而，由于依赖高灵敏度或高分辨率单一指标测量折射率，导致这一类折射率测量系统的成本很高。
[0003]利用具有楼梯状结构的透射式阶梯光栅对平行光分波前，可以设计折射率传感器。分波前干涉的特点，使得该折射率传感器具有较高的灵敏度；多光束干涉可以压缩干涉条纹半高宽，从而可以获得较高的分辨率。所以，该型传感器同时具有较高的灵敏度与分辨率。进而能够以较低性能的检测系统，获得很高的测量精度。然而，由于楼梯状结构的透射式阶梯光栅制作难度很大，制约了该类折射率传感器的推广，现有技术中相当多的人员一直在寻找透射式阶梯光栅的替代方案，怎样在保持甚至优于现有透射式阶梯光栅性能的前提下，能够设计一种易于制作，易于推广同时可以实现高灵敏度、高分辨率的折射率传感的光干涉计量器件成为目前的迫切需求。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器及其测量方法，解决了现有技术中出现的问题。
[0005]本专利技术所述的基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器，包括依次设置的平行光、平面光栅、样品池、会聚部件和光谱分析系统，所述样品池中设有三棱镜和待测样品，所述平行光传播经过所述平面光栅，所述平面光栅把平行光分割成多份子光束，每一份子光束的每一级衍射光都看作一个波带，子光束传播经过三棱镜与待测样品后，任意相邻两份子光束的同级次波带具有相同的相位延迟量之差，子光束而后经会聚部件会聚，到达光谱分析系统进行折射率测量。
[0006]作为本专利技术的进一步方案，所述的平面光栅为透射式振幅调制型光栅，平面光栅由一系列透光与不透光的结构周期性排列而成。
[0007]作为本专利技术的进一步方案，利用所述平面光栅与三棱镜构造多光束干涉系统。
[0008]作为本专利技术的进一步方案，所述的平行光为宽带光或激光。
[0009]作为本专利技术的进一步方案，所述的样品池前后具有两个通光面，所述平行光从前后两个面依次通过。
[0010]作为本专利技术的进一步方案，所述的光谱分析系统为光谱仪或光功率计。
[0011]作为本专利技术的进一步方案，所述的光谱分析系统中设置有光阑，所述光阑与所述会聚部件配合，用于选取平面光栅的衍射光级次。
[0012]作为本专利技术的进一步方案，所述的会聚部件为会聚透镜。
[0013]本专利技术所述基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器的测量方法，包括以下步骤：
[0014]S1：平行光传播经过平面光栅，平行光被平面光栅分割成多份子光束，每一份子子光束的每一级衍射光都看作一个波带；
[0015]S2：子光束传播经过三棱镜与待测样品；任意相邻两份子光束的同级次波带具有相同的相位延迟量之差；
[0016]S3：样品池的透射光经会聚部件会聚，利用光阑选取平面光栅的透射光，并使这些透射光发生多光束干涉，随着样品折射率的变化，干涉条纹发生漂移；
[0017]S4：利用光谱分析系统检测干涉条纹的漂移，实现对待测样品折射率的测量。
[0018]本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0019]本专利技术所述的基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器及其测量方法，使用平面光栅周期性遮挡入射平行光，把平行光分割成子光束，把每一份子光束的每一级衍射光看作一个波带，子光束传播经过三棱镜与待测样品后，任意相邻两份子光束的同级次波带具有相同的相位延迟量之差，利用会聚透镜会聚这些子光束，利用光阑选取平面光栅的衍射光级次，构造多光束干涉，实现低成本、高灵敏度、高分辨率的折射率测量。
[0020]本专利技术采用平面光栅与三棱镜组合的技术方案，可以等效代替具有楼梯状结构的透射式阶梯光栅，但是与具有楼梯状结构的透射式阶梯光栅相比制作成本极大降低，但是仍然可以实现高灵敏度、高分辨率的折射率传感，促进了高精度折射率传感器在物理、化学、生物量测量领域的应用与推广。解决现有技术中出现的问题。
附图说明
[0021]图1为本专利技术基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器连接的示意图；
[0022]图2为本专利技术基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器中传播路径图；
[0023]图3为本专利技术基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器中衍射光传播经过三棱镜
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待测样品时产生光程差的原理图；
[0024]图4为本专利技术基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器测量盐水折射率时的干涉条纹图；
[0025]图5为本专利技术基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器测量盐水折射率时，随样品折射率增加，干涉条纹向短波长漂移图；
[0026]图中：1、平行光；2、平面光栅；3、样品池；4、待测样品；5、三棱镜；6、会聚部件；7、光谱分析系统。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明：
[0028]实施例1：
[0029]如图1所示，本专利技术所述的基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器，包括依次设置的平行光1、平面光栅2、样品池3、会聚部件6和光谱分析系统7，样品池3中设有三棱镜5和待测样品4，平行光1传播经过所述平面光栅2，所述平面光栅2把平行光1分割成多份子光束，每一份子光束的每一级衍射光都看作一个波带，子光束传播经过三棱镜5与待测样品4后，任
意相邻两份子光束的同级次波带具有相同的相位延迟量之差，而后经会聚部件6会聚，到达光谱分析系统7进行折射率测量。
[0030]本实施例中，平面光栅2为透射式振幅调制型光栅，平面光栅2由一系列透光与不透光的结构周期性排列而成。
[0031]本实施例中，平面光栅2与三棱镜5构造多光束干涉系统。
[0032]本实施例中，平行光1为宽带光或激光。
[0033]本实施例中，样品池3前后具有两个通光面，所述平行光1从前后两个面依次通过。
[0034]本实施例中，光谱分析系统7为光谱仪或光功率计。
[0035]本实施例中，光谱分析系统7中设置有光阑，光阑与所述会聚部件6配合，用于选取平面光栅2的衍射光级次。
[0036]本实施例中，会聚部件6为会聚透镜。
[0037]图2为本专利技术中光栅
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棱镜系统光线传播路径图，平行光1入射到平面光栅2，作为优选，图2以平面光栅的零级衍射光为例，介绍光栅
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棱镜系统的工作原理。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器，其特征在于：包括依次设置的平行光(1)、平面光栅(2)、样品池(3)、会聚部件(6)和光谱分析系统(7)，所述样品池(3)中设有三棱镜(5)和待测样品(4)，所述平行光(1)传播经过所述平面光栅(2)，所述平面光栅(2)把平行光(1)分割成多份子光束，每一份子光束的每一级衍射光都看作一个波带，子光束传播经过三棱镜(5)与待测样品(4)后，任意相邻两份子光束的同级次波带具有相同的相位延迟量之差，子光束而后经会聚部件(6)会聚，到达光谱分析系统(7)进行折射率测量。2.根据权利要求1所述的基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器，其特征在于：所述平面光栅(2)与三棱镜(5)构造多光束干涉系统。3.根据权利要求1或2所述的基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器，其特征在于：所述的平面光栅(2)为透射式振幅调制型光栅，平面光栅(2)由一系列透光与不透光的结构周期性排列而成。4.根据权利要求1所述的基于光栅
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棱镜系统的折射率传感器，其特征在于：所述的平行光(1)为宽带光或激光。5.根据权利要求1所述的基于光栅
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棱镜系统的折射率传...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓平，马任德，潘岳，曹洪忠，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：