CN115165803A - 一种液体折射率的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体折射率的测量装置及测量方法，属于测量技术领域，解决了现有技术中的测量液体折射率的装置及测量方法测量精度低、测量范围窄的问题。本发明的液体折射率的测量装置包括激光器、波分复用器、光学延迟器、第一光纤准直器、透明方形容器、第二光纤准直器、合束器、和频模块、单光子探测器和现场可编辑逻辑门阵列。本发明的测量装置及方法结构简单、操作方便，且测量结果准确，折射率的测量范围广。

Description

一种液体折射率的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种液体折射率的测量装置及测量方法。

背景技术

折射率是液体的重要的光学参数之一，通过折射率可以了解液体的浓度、纯度和光学性质等特性，因此，在液体的制造、生产和使用的过程中，都具有及其重要的作用。随着现代科技的发展，新材料不断涌现，对折射率的测量精度和测量范围都提出了更高的要求。目前，折射率测量技术主要为基于折射定律的几何光学测量法和基于物理光学的干涉测量法两大类。

公告号为CN215414992U的实用新型专利公开了一种全反射法液体折射率测量试验仪，该装置结构简单、操作方便，然而全反射法是一种基于折射定律的几何光学测量法，通过测量光线全反射的临界角得出被测介质的折射率大小，但测量的折射率范围仅为1.3-1.7，无法对大折射率介质进行测量。

公开号为CN114354542A的发明专利公开了一种利用微波光子滤波器测量液体折射率(盐度)的装置及方法。该装置及方法基于马赫-曾德尔干涉仪结构，采用宽谱激光光源，降低了光源要求，同时不需要使用光谱仪对波长进行解调，减少了***成本，可实现长距离的液体折射率检测，但无法对液体折射率进行高精度测量。

可见，目前测量液体折射率的装置及测量方法测量精度低、测量范围窄。

发明内容

鉴于上述分析，本发明实施例旨在提供一种液体折射率的测量装置及测量方法，用以解决现有液体折射率测量精度低、测量范围窄的问题。

一方面，本发明提供了一种液体折射率的测量装置，包括激光器、波分复用器、光学延迟器、第一光纤准直器、透明方形容器、第二光纤准直器、合束器、和频模块、单光子探测器和现场可编辑逻辑门阵列；

波分复用器位于激光器的下游，用于将从激光器射出的激光分成泵浦光和信号光并分别射出；光学延迟器位于波分复用器的下游，用于延迟泵浦光的光程；

第一光纤准直器位于波分复用器的下游，用于接收信号光并射出；

透明方形容器位于第一光纤准直器的下游，并位于信号光的光路上；透明方形容器内盛装被测液体并且其底边与信号光的光线相平行；

第二光纤准直器位于透明方形容器的下游，并位于信号光的光路上，接收从透明方形容器射出的信号光，将信号光耦合至第二光纤准直器的光纤中然后射出；

合束器位于光学延迟器和第二光纤准直器的下游，接收分别由光学延迟器和第二光纤准直器射出的泵浦光和信号光，并将分别由光学延迟器和第二光纤准直器射入的泵浦光和信号光合束成一路合束激光；

和频模块位于合束器的下游，用于将合束激光转换为和频光；

单光子探测器位于和频模块的下游，用于对从和频模块射出的和频光进行探测；

现场可编辑逻辑门阵列分别与光学延迟器和单光子探测器连接，用于控制光学延迟器改变泵浦光的光程，并使单光子探测器对和频光的脉冲信号进行同步计数，计算得到被测液体折射率。

可选地，第一光纤准直器将信号光以平行光的形式从第一光纤准直器射出。

可选地，平行光形式的信号光水平地射出。

可选地，和频模块包括和频晶体和滤波器。

可选地，激光器为光纤脉冲激光器。

可选地，使用波分复用器作为合束器。

另一方面，本发明还提供了一种液体折射率测量方法，使用前述的液体折射率测量装置进行测量，包括以下步骤：

步骤S1，对液体折射率的测量装置进行标定：

（1）测量透明方形容器的底边长度，记为s ₀，调整透明方形容器位置，使透明方形容器的底边与第一光纤准直器发射出的信号光的光线相平行，向透明方形容器中倒入折射率已知的溶液，折射率为n ₀；

（2）激光器发射激光，将激光射入波分复用器，使用波分复用器将激光分束成不同波长的泵浦光和信号光，其中，泵浦光射入光学延迟器再射出，信号光射入第一光纤准直器再射出；从第一光纤准直器射出的信号光投射于装在透明方形容器中的折射率已知的溶液并射出，射出后经过第二光纤准直器耦合后射出；从光学延迟器射出的泵浦光和从第二光线准直器射出的信号光均射入合束器，合束器将泵浦光和信号光合束后射入和频模块得到和频光，和频光射入单光子探测器；（3）使用现场可编辑逻辑门阵列改变光学延迟器的延迟量；同时控制单光子探测器对和频光的脉冲信号进行同步计数，记录计数量最大时光学延迟器的延迟量，记为l ₀；

步骤S2，倒出透明方形容器中的已知折射率的溶液，并清理干净，随后向透明方形容器中倒入待测液体；

步骤S3，激光器发射激光，重复S1的步骤，获得对于待测液体的当单光子探测器计数的和频光的脉冲信号计数量最大时，光学延迟器的延迟量，记为l；

步骤S4，计算被测液体折射率n：

。

可选地，步骤S1还包括以下步骤：

调整第一光线准直器，使信号光以水平的平行光的形式从第一光纤准直器输出端射出。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

（1）本发明的测量装置及方法结构简单、操作方便；

（2）本发明的测量装置及方法测量结果准确，折射率的测量范围广。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的液体折射率测量装置的结构示意图。

附图标记：

1.激光器；2.波分复用器；3.光学延迟器；4.第一光纤准直器；5.透明方形容器；6.第二光学准直器；7.合束器；8.和频模块；9.单光子探测器；10.现场可编辑逻辑门阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一个具体实施例，如图1，公开了一种液体折射率的测量装置，包括激光器1、波分复用器2、光学延迟器3、第一光纤准直器4、透明方形容器5、第二光纤准直器6、合束器7、和频模块8、单光子探测器9和现场可编辑逻辑门阵列10（即：FPGA）。

波分复用器2，包括波分复用器输入端、波分复用器第一输出端和波分复用器第二输出端，波分复用器2位于激光器1的下游；波分复用器输入端接收与激光器1发射的激光，用于将从激光器射出的激光分成泵浦光和信号光，使得激光被分为两路波长不同的分束光，其中泵浦光从波分复用器第一输出端射出，信号光从波分复用器第二输出端射出。

光学延迟器3，包括光学延迟器输入端和光学延迟器输出端，光学延迟器3位于波分复用器2的下游；光学延迟器输入端接收波分复用器第一输出端射出的泵浦光，用于延迟泵浦光的光程。

第一光纤准直器4，包括第一光纤准直器输入端和第一光纤准直器输出端，第一光纤准直器4位于波分复用器2的下游；第一光纤准直器输入端接收波分复用器第二输出端射出的信号光，然后将信号光以平行光的形式从第一光纤准直器输出端射出，进一步地，平行光形式的信号光水平地射出。

透明方形容器5，包括透明方形容器输入端和透明方形容器输出端，透明方形容器5位于第一光纤准直器4的下游；透明方形容器输入端和透明方形容器输出端分别设置于透明方形容器5相对的两侧边，透明方形容器输入端接收第一光纤准直器输出端射出的平行光形式的信号光，并位于平行光形式的信号光的光路上；透明方形容器5内盛装被测液体并且其底边与平行光形式的信号光的光线相平行，使得平行光形式的信号光从透明方形容器输入端射入，然后从透明方形容器输出端射出，由此透射于透明方形容器5，使得透明方形容器的底边长度和平行光形式的信号光在液体中传播路径长度相同。

第二光纤准直器6，包括第二光纤准直器输入端和第二光纤准直器输出端，第二光纤准直器位于透明方形容器的下游，并位于平行光形式的信号光的光路上；第二光纤准直器输入端接收透明方形容器输出端射出的平行光形式的信号光，将平行光形式的信号光耦合至第二光纤准直器的光纤中然后射出。

合束器7，包括合束器第一输入端、合束器第二输入端和合束器输出端，合束器7位于光学延迟器3和第二光纤准直器6的下游；合束器第一输入端接收光学延迟器输出端射出的泵浦光，合束器第二输入端接收第二光纤准直器输出端射出的信号光，合束器7将分别由光学延迟器和第二光纤准直器射入的泵浦光和信号光合束成一路合束激光。

和频模块8，设置有和频模块输入端和和频模块输出端，和频模块8位于合束器7的下游；和频模块输入端接收合束器输出端射出的合束激光；和频模块8包括和频晶体和滤波器，对合束激光产生二阶非线性光学的和频转换效应，将合束激光转换为和频光，并通过滤波器对和频光去除噪声，如泵浦光中的二倍频光。

单光子探测器9，单光子探测器9位于和频模块8的下游，用于接收和频模块输出端射出的和频光，并对和频光进行探测。

现场可编辑逻辑门阵列10分别与光学延迟器3和单光子探测器9连接，用于控制光学延迟器3改变泵浦光的光程，并使单光子探测器9对和频光的脉冲信号进行同步计数，最后分析数据，计算得到被测液体折射率。

可选地，激光器1为光纤脉冲激光器，优选地，光纤脉冲激光器发射出重复率为50MHz、中心波长为1560nm的激光，波分复用器2将激光分成两路：一路为1565.5nm的泵浦光，另一路为1554.1nm的信号光。

可选地，使用波分复用器作为合束器7。

本发明的另一个具体实施例，公开了一种液体折射率测量方法，利用前述液体折射率测量装置进行测量，包括以下步骤：

步骤S1，对液体折射率的测量装置进行标定：

（1）测量透明方形容器5的底边长度，记为s ₀，调整透明方形容器5位置，使透明方形容器5的底边与第一光纤准直器4发射出的平行光形式的信号光的光线相平行，向透明方形容器5中倒入折射率已知的溶液，折射率为n ₀。

（2）激光器1发射激光，将激光射入波分复用器2，使用波分复用器2将激光分束成不同波长的泵浦光和信号光，其中，泵浦光射入光学延迟器3再射出，信号光射入第一光纤准直器4再射出；从第一光纤准直器4射出的信号光投射于装在透明方形容器5中的折射率已知的溶液并射出，射出后经过第二光纤准直器6耦合后射出；从光学延迟器3射出的泵浦光和从第二光线准直器6射出的信号光均射入合束器7，合束器7将泵浦光和信号光合束后射入和频模块8得到和频光，和频光射入单光子探测器9；

进一步地，调整第一光线准直器4，使信号光以水平的平行光的形式从第一光纤准直器输出端射出；调整透明方形容器5，使透明方形容器5的底边与平行光形式的信号光的光线相平行，使得透明方形容器5是底边长度和平行光形式的信号光在被测液体中传播路径长度相同。

（3）使用现场可编辑逻辑门阵列10控制光学延迟器3的延迟件通过步进的方式从光学延迟器延迟量最小端移动到光学延迟器延迟量最大端；同时控制单光子探测器9对和频光的脉冲信号进行同步计数，具体的，单光子探测器9对在光学延迟器3中步进的泵浦光的每次步进后的停止时间段的和频光的脉冲信号进行计数，获得不同的计数量，选取单光子探测器9计数的和频光的脉冲信号的计数量最大时所对应的光学延迟器3的延迟量，记为l ₀。其中，单光子探测器9和频光的脉冲信号的计数量最大时，此时，信号光和泵浦光的光程相同，和频模块8的和频效率最大，和频光的强度最大。

其中，光程为光传播的几何路程与所在介质折射率的乘积。光程差为两束光的光程的差值。在透明方形容器5中加入折射率已知的溶液，得到一光学延迟器3的延迟量；在透明方形容器5中加入折射率未知的溶液，得到另一光学延迟器3的延迟量。两光学延迟器3的延迟量差即为两束光的光程差，光传播的几何路程为固定值，即可计算得到未知溶液的折射率。

步骤S2，倒出透明方形容器5中的已知折射率的溶液，并清理干净透明方形容器5；向透明方形容器5中倒入待测溶液。

步骤S3，激光器1发射激光，重复S1的步骤，获得对于待测液体的当单光子探测器9计数的和频光的脉冲信号计数量最大时，光学延迟器3的延迟量，记为l。

步骤S4，计算被测液体折射率n：

。

由于本发明采用了单光子探测技术，可实现对高折射率、低透过率溶液折射率的测量，在保证测量精度的前提下，有效增大了液体折射率测量范围；使用的装置较少，结构简单，方便操作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液体折射率的测量装置，其特征在于，包括激光器、波分复用器、光学延迟器、第一光纤准直器、透明方形容器、第二光纤准直器、合束器、和频模块、单光子探测器和现场可编辑逻辑门阵列；

波分复用器位于激光器的下游，用于将从激光器射出的激光分成泵浦光和信号光并分别射出；光学延迟器位于波分复用器的下游，用于延迟泵浦光的光程；

第一光纤准直器位于波分复用器的下游，用于接收信号光并射出；

透明方形容器位于第一光纤准直器的下游，并位于信号光的光路上；透明方形容器内盛装被测液体并且其底边与信号光的光线相平行；

第二光纤准直器位于透明方形容器的下游，并位于信号光的光路上，接收从透明方形容器射出的信号光，将信号光耦合至第二光纤准直器的光纤中然后射出；

合束器位于光学延迟器和第二光纤准直器的下游，接收分别由光学延迟器和第二光纤准直器射出的泵浦光和信号光，并将分别由光学延迟器和第二光纤准直器射入的泵浦光和信号光合束成一路合束激光；

和频模块位于合束器的下游，用于将合束激光转换为和频光；

单光子探测器位于和频模块的下游，用于对从和频模块射出的和频光进行探测；

现场可编辑逻辑门阵列分别与光学延迟器和单光子探测器连接，用于控制光学延迟器改变泵浦光的光程，并使单光子探测器对和频光的脉冲信号进行同步计数，计算得到被测液体折射率。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，第一光纤准直器将信号光以平行光的形式从第一光纤准直器射出。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，平行光形式的信号光水平地射出。

4.根据权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于，和频模块包括和频晶体和滤波器。

5.根据权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于，激光器为光纤脉冲激光器。

6.根据权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于，使用波分复用器作为合束器。

7.一种液体折射率测量方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一项所述的液体折射率测量装置进行测量，包括以下步骤：

步骤S1，对液体折射率的测量装置进行标定：

（1）测量透明方形容器的底边长度，记为s ₀，调整透明方形容器位置，使透明方形容器的底边与第一光纤准直器发射出的信号光的光线相平行，向透明方形容器中倒入折射率已知的溶液，折射率为n ₀；

（2）激光器发射激光，将激光射入波分复用器，使用波分复用器将激光分束成不同波长的泵浦光和信号光，其中，泵浦光射入光学延迟器再射出，信号光射入第一光纤准直器再射出；从第一光纤准直器射出的信号光投射于装在透明方形容器中的折射率已知的溶液并射出，射出后经过第二光纤准直器耦合后射出；从光学延迟器射出的泵浦光和从第二光线准直器射出的信号光均射入合束器，合束器将泵浦光和信号光合束后射入和频模块得到和频光，和频光射入单光子探测器；

（3）使用现场可编辑逻辑门阵列改变光学延迟器的延迟量；同时控制单光子探测器对和频光的脉冲信号进行同步计数，记录计数量最大时光学延迟器的延迟量，记为l ₀；

步骤S2，倒出透明方形容器中的已知折射率的溶液，并清理干净，随后向透明方形容器中倒入待测液体；

步骤S3，激光器发射激光，重复S1的步骤，获得对于待测液体的当单光子探测器计数的和频光的脉冲信号计数量最大时，光学延迟器的延迟量，记为l；

步骤S4，计算被测液体折射率n：

。

8.根据权利要求7所述的一种液体折射率测量方法，其特征在于，步骤S1还包括以下步骤：

调整第一光线准直器，使信号光以水平的平行光的形式从第一光纤准直器输出端射出。

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