CN102645418B - 流体折射率探测器 - Google Patents

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Abstract

一种基于二维光子晶体负折射效应的流体折射率探测器包括发射探测光的激光器，使探测光经过其所承载的待测流体而只发生一次负折射效应在其外表面上产生负折射光的光子晶体，接收所有负折射光并测定负折射光的负折射功率的光功率探头，根据负折射功率计算出待测流体的折射率的计算部。本发明提供的流体折射率探测器结构简单、体积小巧、测量精度高、响应速度快、操作方便，性能稳定可靠，能够有效的减小杂散光的干扰问题。

Description

流体折射率探测器
技术领域
一种快速测量流体折射率的流体折射率探测器，特别是涉及一种基于二维光子晶体负折射效应的流体折射率探测器。
背景技术
光子晶体的概念最早是在1987年提出的。光子晶体是一种按照晶体的结构对称性制备的周期性微介电结构材料，其最基本的特性就是具有光子禁带。频率在光子禁带频率内的光不能在光子晶体中传播。负折射现象是俄国科学家Veselago在1968年提出的：当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时，光波的折射与常规折射相反，入射波和折射波处于界面法线方向同一侧。直到本世纪初这种具有负折射率的材料才被制备出来。光在光子晶体中传播时会出现负折射现象，而光子晶体的负折射效应会受某些特征参数影响。基于光子晶体的光电器件最近得到了广泛的研究开发，相较于其他的光电器件，光子晶体器件具有体积小，易于集成以及器件不受外界电磁环境影响等优点。这些特点为光电子器件向高度集成化发展提供了新的应用前景。
液体折射率测量在医药、化工、食品、以及科研方面等领域都有重要意义。目前在溶液浓度的检测方面，常用的光学检测方法有阿贝折射计临界角法、等厚干涉法、V型棱镜测量法、衍射光栅法、激光照射法和ＣＣＤ测量法等。这些方法都具有各自的优势，但同时也都存在不足与限制：阿贝折射计临界角法受到仪器中折射棱镜自身材料折射率和顶角的限制，无法测量折射率较大和较小的物质。等厚干涉法中测量精度不仅受显微镜精度影响，且条纹极值需要人眼分辨，受主观影响较大，无法满足高精度测量要求。V型棱镜测量法中对棱镜顶角以及两个平面的平面度有很高精度要求，增加了***成本，且操作精度要求较高。其他方法分别存在待测参数多、待测样品需要量较大或对测量装置的要求高等局限性。
发明内容
针对现有流体折射率测量装置的诸多缺陷，本发明提出一种新颖的基于光子晶体负折射效应的流体折射率探测器。
本发明提供的流体折射率探测器，包括：发射探测光的激光器；由被待测液体完全浸没的按照六边形晶格周期性排列的圆形硅柱以及在外层为密封而设置的光电导体薄板组成的光子晶体；测定负折射功率的光功率探头；计算待测流体的折射率的计算部；
其中，光电导体薄板上设有能够打开和关闭的开口，
探测光垂直入射光子晶体经过待测流体只发生一次负折射，在光子晶体外表面上产生负折射光，
光功率探头接收所有负折射光并测定负折射光的负折射功率，
计算部根据负折射功率计算出待测流体的折射率。
进一步，本发明提供的流体折射率探测器还可以具有这样的特征：圆形硅柱的直径的范围可以为0.2μm～0.35μm。
进一步，本发明提供的流体折射率探测器还可以具有这样的特征：晶格的晶格常数可以为0.22μm～0.54μm。
进一步，本发明提供的流体折射率探测器还可以具有这样的特征：待测流体的折射率的范围可以为1.33～1.50。
进一步，本发明提供的流体折射率探测器还可以具有这样的特征：探测光的波长范围可以为0.8μm～1.8μm。
进一步，本发明提供的流体折射率探测器还可以具有这样的特征：光功率探头可以为半导体光功率探头。
另外，本发明提供的流体折射率探测器还可以具有这样的特征：当探测光的波长为1.55μm，圆形硅柱的直径为0.2852μm时，计算部中的计算公式为y=27.505x3-9.4932x2+1.54x+1.3219，其中，x表示光功率探测头探测到的折射光的功率，y为光子晶体中的待测流体的折射率。
发明作用与效果
综上所述，本发明提供的流体折射率探测器结构简单、体积小巧、测量精度高、响应速度快、操作方便，性能稳定可靠，适合大规模集成，大规模快速测量，另外，该流体折射率探测器无需花费精力去调整复杂的探测光路，整个测量过程中也不需要人为调整任何部件，只要打开光源开关即可，而且，基于负折射的原理，该流体探测器的折射光的方向与入射光的方向相反，能够有效的减小杂散光的干扰问题。
附图说明
图1为本发明在实施例中的流体折射率探测器的结构示意图；
图2为本发明在实施例中的光子晶体的侧面结构示意图；
图3为本发明在实施例中的折射光功率与待测液体的折射率关系图；
图4为本发明在实施例中的待测液体的折射率与输出光功率曲线关系图。
图中：1为入射光束    2为反射光束    3为负折射出射光束4为半导体光功率探测头    5为光子晶体    6为填充的待测液体7为硅柱    8为光电导体薄板    9为计算部    10为激光器
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图1为本实施例中的流体折射率探测器的结构示意图；图2为本实施例中的光子晶体的侧面结构示意图。如图1、2所示，该流体探测器包括：一个能够发射波长为1.55μm的探测光的激光器10；一个梯形柱体结构的光子晶体5，该光子晶体5是将直径为0.2852μm的圆柱硅体7按照六边形晶格周期性排列在其中，晶格常数为0.46μm，其外层通过光电导体薄板8密封而成，该光电导体薄板8上有一个能够打开和闭合的用于导入待测流体6和导出待测流体6的开口；一个根据接收的折射光测定其功率的半导体光功率探测头4；一个根据半导体光功率探测头4所测定的折射光的功率计算出与该折射光相对应的待测流体的折射率的计算部9；
使用该流体折射率探测器时：
首先，通过光子晶体上的开口向其中注入待测液体使得待测液体完全浸没圆柱硅体。
然后，激光器10向光子晶体5的底面上垂直发射探测光1，探测光1以原始入射方向经过待测流体到达光子晶体5的左斜侧层面上，发射光1部分光发生反射成为反射光2远离入射光1，部分光发生负折射并折射出该层面成为折射光3，位于上述左斜侧层面的左端的半导体光功率探测头完全接收折射光3并测定出该折射光3的功率。
最后，计算部9根据半导体光功率探测头所测定的折射光3的功率计算出待测流体的折射率。
图3为本发明在实施例中的折射光功率与待测液体的折射率关系图；如图3所示，通过大量实验数据显示，在探测光的波长为1.55μm，圆形硅柱的直径为0.2852μm的情况下，待测流体的折射率与折射光的功率两者之间的关系曲线有拟合度最高的拟合曲线，对应的关系式为：，其中，x为光子晶体的背景折射率（即待测流体的折射率），y为半导体光功率探测头探测到的折射光的功率，该曲线的拟合率高达99.98%。
图4为本实施例中的待测液体的折射率与输出光功率曲线关系图。如图4所示，将图3的横坐标和纵坐标相互交换，可相对应的得到拟合度最高的关于待测液体的折射率与折射光功率的关系曲线，该曲线的表达式为：，其中，x表示半导体光功率探测头探测到的折射光的功率，y为光子晶体的背景折射率（即待测流体的折射率），根据该公式，计算部9计算出与待测流体的折射率。
实验表明，光子晶体中不同待测流体折射率对应不同的负折射光功率。根据测试本流体折射率探测器得到的数据显示：随着背景折射率的增大，发生负折射产生的折射光的功率会显现单调递增的变化趋势。
本实施例提供的流体折射率探测器能够测定折射率在1.33～1.50范围内的待测流体。
实施例作用与效果
综上所述，本实施例提供的流体折射率探测器具有结构简单、体积小巧、测量精度高、响应速度快、性能稳定，操作方便，能够有效的减小杂散光的干扰的优点。
以上实施例中的流体折射率探测器采用波长为1.55μm的探测光，本发明提供的流体折射率探测器能够采用的探测光并不仅限于此，还可以为1.33～1.50μm范围内任一波长的探测光。
以上实施例中的流体折射率探测器采用的圆形硅柱的直径为0.2852μm，本发明提供的流体折射率探测器能够采用直径在0.2μm～0.35μm范围内的统一圆形硅柱。
以上实施例中的流体折射率探测器采用晶格常数为0.46μm的晶格，也可以采用晶格常数为0.22μm～0.54μm范围内的晶格。
根据不同波长的探测光、不同直径的圆形硅柱，计算部中可以存有相对应的拟合度最高的关于待测液体的折射率与折射光功率的关系式。
本发明提供的流体折射率探测器能够测定折射率在1.33～1.50范围内的待测流体。

Claims (7)

1.一种基于二维光子晶体负折射效应的流体折射率探测器，其特征在于，包括：
激光器，发射探测光；
光子晶体，设有被待测液体完全浸没的按照六边形晶格周期性排列的圆形硅柱，以及在外层为密封而设置的光电导体薄板；
光功率探头，用来测定负折射功率；
计算部，计算所述待测流体的折射率；
其中，所述光电导体薄板上设有能够打开和关闭的开口，
所述探测光垂直入射所述光子晶体经过所述待测流体只发生一次负折射，在所述光子晶体外表面上产生负折射光，
所述光功率探头接收所有所述负折射光并测定所述负折射光的负折射功率，
所述计算部根据所述负折射功率计算出所述待测流体的折射率。
2.根据权利要求1所述的流体折射率探测器，其特征在于：
其中，所述圆形硅柱的直径的范围为0.2μm～0.35μm。
3.根据权利要求1所述的流体折射率探测器，其特征在于：
其中，所述晶格的晶格常数为0.22μm～0.54μm。
4.根据权利要求1所述的流体折射率探测器，其特征在于：
其中，所述待测流体的折射率的范围为1.33～1.50。
5.根据权利要求1所述的流体折射率探测器，其特征在于：
其中，所述探测光的波长范围为0.8μm～1.8μm。
6.根据权利要求1所述的流体折射率探测器，其特征在于：
其中，所述光功率探头为半导体光功率探头。
7.根据权利要求1、3、5所述的流体折射率探测器，其特征在于：
其中，所述探测光的波长为1.55μm，所述圆形硅柱的直径为0.2852μm，计算部中的计算公式为y=27.505x3-9.4932x2+1.54x+1.3219，其中，x表示光功率探测头探测到的折射光的功率，y为光子晶体中的待测流体的折射率。
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