CN117434353A - 一种基于斜入射光反射差技术的介电常数测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法，所述激光器1发射的探测光经起偏器2变为p偏振光，随后由光弹调制器3调制为p偏振光和s偏振光，所述p偏振光和s偏振光以50kHz的频率交替出射，并经过相移器4后产生固定相位差，再经第一透镜5聚焦斜入射到待测样品6的表面，入射范围在50°‑60°之间；从待测样品6表面反射后的信号光，经第二透镜8后射入检偏器9，利用检偏器9将***的基频信号调零；通过检偏器9后的信号光被光电探测器10吸收并转化为电信号，所述电信号分别由第一锁相放大器11和第二锁相放大器12解调为直流信号、基频信号I(Ω)与倍频信号I(2Ω)；解调出的信号由数据采集与处理单元13进行采集与处理。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及光传感与光电探测技术。
背景技术
在电介质科学和工程领域中，介电常数是衡量电介质材料介电性能的重要参数。对于液体电介质，介电常数的测量对于理解其电学性质、优化其应用性能以及开发新的电介质材料具有重要意义。
传统的介电常数测量方法主要包括平行板电容法、电桥法、谐振腔法等。这些方法在不同程度上均存在测量精度低、对样品要求高、操作繁琐等问题。以申请号为CN116773915A的专利为例，该专利采用空气耦合超声检测技术测量介电常数，通过调整电容器上极板和电容器下极板的正对长度和正对宽度，改变电容器上极板和电容器下极板间的电容值。双通道信号发生器生成两个连续正弦波信号，数字示波器根据空气耦合超声换能器接收端的电信号和连续正弦波信号生成李萨如图像，电容测量仪根据李萨如图像的变化特征记录电容器上极板和电容器下极板间的多个电容值，并利用多个电容值的变化计算介电常数。
该方法适用于待测物质介电常数在一定时间保持不变的情况下进行测量，无法得到介电常数实时变化的数据。在实际情况中，介电常数难以保持不变，采用传统方法得到的介电常数存在一定的滞后性。因此，开发一种实时介电常数测量方法以提高测量的精度和适用性是当前技术发展的需求。
发明内容
本发明主要解决现有技术的介电常数测量方法操作复杂、无法实时测量等技术问题，提出一种基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法。
本发明的基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法，利用基于斜入射光反射差技术的介电常数测量装置及与其数据连接的数据采集与处理单元13完成测量过程。
所述基于斜入射光反射差技术的介电常数测量装置包括：激光器1、起偏器2、光弹调制器3、相移器4、第一透镜5、样品台7、第二透镜8、检偏器9、光电探测器10、第一锁相放大器11和第二锁相放大器12。
所述激光器1发射的探测光经起偏器2变为p偏振光，随后由光弹调制器3调制为p偏振光和s偏振光，所述p偏振光和s偏振光以50kHz的频率交替出射，并经过相移器4后产生固定相位差，再经第一透镜5聚焦斜入射到待测样品6的表面，入射范围在50°-60°之间。
从待测样品6表面反射后的信号光，经第二透镜8后射入检偏器9，利用检偏器9将***的基频信号调零；通过检偏器9后的信号光被光电探测器10吸收并转化为电信号，所述电信号分别由第一锁相放大器11和第二锁相放大器12解调为直流信号、基频信号I(Ω)与倍频信号I(2Ω)；解调出的信号由数据采集与处理单元13进行采集与处理，最后通过：
反演计算出待测样品的介电常数ε
其中
为入射角。
进一步的，所述待测样品6置于精密三维移动平台上，可下定量、定向移动。
进一步的，所述起偏器2用于保证出射的是线偏振光并且其偏振方向与起偏器2的光轴同向；通过旋转起偏器2使得出射的线偏振光以p偏振方向入射，p偏振方向指的是与入射光和界面法线所构成的入射面平行的方向。
进一步的，所述光弹调制器3用于对入射光的偏振态进行调制，使偏振态以50kHz在p偏振态和s偏振态之间来回变换。
进一步的，所述相移器4是在p偏振分量和s偏振分量之间引入一个固定的相位差，实现斜入射光反射差信号的背底调零操作。
进一步的，所述第一透镜5用于聚焦入射光束，第二透镜8用于收集经过待测样品6反射后的信号光；第一透镜5的焦距正好等于第一透镜5到待测样品6表面激光入射点的距离，使得到达待测样品6上的探测光斑最小；经第二透镜8到待测样品6表面激光反射点的距离大于第二透镜8的一倍焦距并小于其两倍焦距，使成像点将在第二透镜8的两倍焦距之外，使经待测样品6反射后的成像点在第二透镜8之外的光电探测器10上。
进一步的，所述光电探测器10用于将光信号转换为电信号，其核心部分是一个PN结，光电流的大小正比于入射光强。
进一步的，所述第一锁相放大器11和第二锁相放大器12用于将电信号放大并提取出来的直流信号、基频信号I(Ω)与倍频信号I(2Ω)发送给采集卡，采集卡将锁相放大器输出的模拟信号按采样定理转换成数字信号并采集到数据采集与处理单元13。
进一步的，所述数据采集与处理单元13将采集到的数据信号以txt格式保存在电脑端，读取保存好的数据并计算得到待测样品6的介电常数。
本发明另提供一种基于斜入射光反射差技术的介电常数测量装置，所述装置包括：激光器1、起偏器2、光弹调制器3、相移器4、第一透镜5、样品台7、第二透镜8、检偏器9、光电探测器10、第一锁相放大器11和第二锁相放大器12；
所述激光器1发射的探测光经起偏器2变为p偏振光，随后由光弹调制器3调制为p偏振光和s偏振光，所述p偏振光和s偏振光以50kHz的频率交替出射，并经过相移器4后产生固定相位差，再经第一透镜5聚焦斜入射到待测样品6的表面，入射角范围在50°-60°之间；
从待测样品6表面反射后的信号光，经第二透镜8后射入检偏器9，利用检偏器9将***的基频信号调零；通过检偏器9后的信号光被光电探测器10吸收并转化为电信号，所述电信号分别由第一锁相放大器11和第二锁相放大器12解调为直流信号、基频信号I(Ω)与倍频信号I(2Ω)；解调出的信号由数据采集与处理单元13进行采集与处理，最后通过：
反演计算出待测样品的介电常数ε
其中
为入射角。与现有技术相比，本发明有以下优点：
非破坏性测量：本方法采用光学测量手段，是一种非接触和非破坏性的测量方法，不需要物理接触或取样，因此可以保持样品的完整性，特别适用于敏感或昂贵的样品。
实时监测：本方法采用光学手段，记录样品信息的反射光会被数据采集与处理单元接收。数据采集与处理单元根据接收到的直流、基频、倍频信号自动计算液体介电常数，可以将当前样品的介电常数实时计算出，实现实时检测的目的。
准确度高：采用斜入射光反射差法，可以避免垂直入射光法在某些高吸收性液体样本测量时精度下降的问题，提高了测量精度。还可以通过精确控制光源模块、反射镜模块和角度传感器等组件，实现高精度的测量。
灵活性强：本***的设计使得其可以根据不同的需要调整光学路径、反射角度等参数，具有很强的灵活性。
附图说明
图1是本发明提供的OIRD检测装置结构示意图；
图2是本发明提供的LabView后面板降噪模块示意图；
图3是本发明提供的LabView后面板数据记录模块示意图；
图4是本发明提供的LabView前面板示意图；
图5是本发明提供的基于斜入射光反射差技术的液体介电常数实时测量方法的工艺流程图；
图6是本发明提供的蔗糖溶液及氯化钠溶液介电常数对比及误差图。
附图标记：1、激光器；2、起偏器；3、光弹调制器；4、相移器；5、第一透镜；6、待测样品；7、样品台；8、第二透镜；9、检偏器；10、光电探测器；11、第一锁相放大器；12、第二锁相放大器；13、数据采集与处理单元。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
本实施例的斜入射光反射差法(0IRD)是一种无损伤、实时在线的探测样品变化的新方法，通过测量斜入射到界面的反射光的p光和s光分量差值的变化来反应界面特征的变化。
如图1所示，本方法使用的装置包括激光器1、起偏器2、光弹调制器3、相移器4、第一透镜5、样品台7、第二透镜8、检偏器9、光电探测器10、第一锁相放大器11和第二锁相放大器12。本方法利用LabView程序来记录和处理数据。LabView程序后面板由程序框图构成，如图2、3所示；前面板主要由控件和指示件构成，如图4所示。
图5是本发明提供的基于斜入射光反射差技术的液体介电常数实时测量方法的工艺流程图，具体测量方法及原理如下：
所述激光器1为氦氖激光器，用于发射波长λ＝632.8nm的探测光。所述探测光经起偏器2变为p偏振光，随后由光弹调制器3调制为交替出射的p偏振光和s偏振光。从光弹调制器3出射的两种偏振光经过相移器4后产生固定相位差再经第一透镜5聚焦斜入射到待测样品6表面，入射角等于布儒斯特角。
从待测样品6表面反射后的探测光，经第二透镜8后射入检偏器9，通过检偏器9后的信号光被光电探测器10吸收并转化为电信号，由两个锁相放大器将电信号解调为直流信号、基频信号与倍频信号。解调出的信号由数据采集与处理单元13进行采集与处理，最后计算出待测样品的介电常数。
所述光弹调制器3，将原始的p偏振光调整为以50kHz的频率交替出射的p光和s光。
所述相移器4在p光和s光之间引入固定的相位差。
所述第一透镜与第二透镜均为汇聚透镜，第一透镜5将入射光汇聚到待测样品6表面上，使得到达待测样品6上的探测光斑最小，因此待测样品6到第一透镜5的距离为第一透镜5的焦距；第二透镜8为了将反射光聚焦到光电探测器10上，使得光电探测器10能采集更多样品信息，则第二透镜8离待测样品6表面光点的距离大于第二透镜8的一倍焦距但小于两倍焦距。
所述样品台7用于承载待测样品6，样品台7连接了步进电机，有手动和自动两种模式。手动模式下通过旋转样品台7下方的不同旋钮来控制样品台7三维移动；自动模式下会锁定手动旋钮，通过电脑端给步进电机下达指令来控制样品台7的移动。
所述起偏器2和检偏器9固定在45度，起偏器2用来将探测光变成p光，检偏器9用来检测探测光的偏振状态，并调零***的基频信号。
所述光电探测器10用于将光信号转换为电信号，再将电信号传输到锁相放大器。其核心部分是一个PN结，当光子进入PN结后，PN结内会产生电子空穴对，电子-空穴对在外电场的作用下会发生定向移动，这样就形成了光电流。光电流的大小，在一定范围内正比于入射光强。为保证输出的电信号和所接收的光信号成正比关系，光电探测器10接收的光信号不能太强。
所述第一锁相放大器11和第二锁相放大器12从光电二极管收集的总强度中将直流、基频、倍频信号分离，能抑制各种非参考载波频率,从而实现对特定载波频率的信号放大。
所述数据采集与处理单元13包括软件、硬件两部分，硬件包括计算机采集卡以及连接线，采集卡用以接收从锁相放大器传输过来的电信号，并将其转换为能被计算机处理的数字信号。软件包括数据采集软件和数据处理软件，数据采集软件用以将采集到的数据记录并保存到计算机，数据处理软件用以读取保存的数据并根据公式计算。
所述数据处理软件的原理如下：
由矩阵光学可知，光电探测器接收到的总光强为
Iphotodiode＝Idc+I(Ω)sinΩt+I(2Ω)cos2Ωt，其中：
直流信号
基频信号
倍频信号
I0是出射光的初始强度，I(Ω)和I(2Ω)是由OIRD的锁相放大器测得的基频与倍频信号，J0(A)，J1(A)，J2(A)分别是零阶、一阶、二阶贝塞尔函数，直流成分为Idc，为相移器引入的相位差，Ω＝50kHz为光弹调制器的调制频率，rp和rs分别是表面对P和S偏振光的反射率，/>和/>是rp和rs的相位差。实验前通过调节检偏器使/>即将基频信号调制为零。
由菲涅尔公式：
计算得到
其中
其中
***的初始光强和入射角可以确定，最后直流、基频和倍频信号就只与样品介电常数有关。测定样品直流、基频和倍频信号后即可将其代入公式解得介电常数。
图6中圆圈代表使用本方法计算得到的介电常数，三角形代表使用网络分析仪测得的介电常数，每种浓度下介电常数的计算值和测量值误差均小于0.3，说明本方法的准确度较高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法，利用基于斜入射光反射差技术的介电常数测量装置及与其数据连接的数据采集与处理单元(13)完成测量过程，其特征在于，
所述基于斜入射光反射差技术的介电常数测量装置包括：激光器(1)、起偏器(2)、光弹调制器(3)、相移器(4)、第一透镜(5)、样品台(7)、第二透镜(8)、检偏器(9)、光电探测器(10)、第一锁相放大器(11)和第二锁相放大器(12)；
所述激光器(1)发射的探测光经起偏器(2)变为p偏振光，随后由光弹调制器(3)调制为p偏振光和s偏振光，所述p偏振光和s偏振光以50kHz的频率交替出射，并经过相移器(4)后产生固定相位差，再经第一透镜(5)聚焦斜入射到待测样品(6)的表面，入射范围在50°-60°之间；
从待测样品(6)表面反射后的信号光，经第二透镜(8)后射入检偏器(9)，利用检偏器(9)将***的基频信号调零；通过检偏器(9)后的信号光被光电探测器(10)吸收并转化为电信号，所述电信号分别由第一锁相放大器(11)和第二锁相放大器(12)解调为直流信号、基频信号I(Ω)与倍频信号I(2Ω)；解调出的信号由数据采集与处理单元(13)进行采集与处理，最后通过：
反演计算出待测样品的介电常数ε
其中
f20＝0,f22＝0
f24＝0,/>f26＝0
为入射角。
2.根据权利要求1所述的基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法，其特征在于，所述待测样品(6)置于精密三维移动平台上，可下定量、定向移动。
3.根据权利要求1所述的基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法，其特征在于，所述起偏器(2)用于保证出射的是线偏振光并且其偏振方向与起偏器(2)的光轴同向；通过旋转起偏器(2)使得出射的线偏振光以p偏振方向入射，p偏振方向指的是与入射光和界面法线所构成的入射面平行的方向。
4.根据权利要求1所述的基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法，其特征在于，所述光弹调制器(3)用于对入射光的偏振态进行调制，使偏振态以50kHz在p偏振态和s偏振态之间来回变换。
5.根据权利要求1所述的基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法，其特征在于，所述相移器(4)是在p偏振分量和s偏振分量之间引入一个固定的相位差，实现斜入射光反射差信号的背底调零操作。
6.根据权利要求1所述的基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法，其特征在于，所述第一透镜(5)用于聚焦入射光束，第二透镜(8)用于收集经过待测样品(6)反射后的信号光；第一透镜(5)的焦距正好等于第一透镜(5)到待测样品(6)表面激光入射点的距离，使得到达待测样品(6)上的探测光斑最小；经第二透镜(8)到待测样品(6)表面激光反射点的距离大于第二透镜(8)的一倍焦距并小于其两倍焦距，使成像点将在第二透镜(8)的两倍焦距之外，使经待测样品(6)反射后的成像点在第二透镜(8)之外的光电探测器(10)上。
7.根据权利要求1所述的基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法，其特征在于，所述光电探测器(10)用于将光信号转换为电信号，其核心部分是一个PN结，光电流的大小正比于入射光强。
8.根据权利要求1所述的基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法，其特征在于，所述第一锁相放大器(11)和第二锁相放大器(12)用于将电信号放大并提取出来的直流信号、基频信号I(Ω)与倍频信号I(2Ω)发送给采集卡，采集卡将锁相放大器输出的模拟信号按采样定理转换成数字信号并采集到数据采集与处理单元(13)。
9.根据权利要求1所述的基于斜入射光反射差技术的介电常数测量方法，其特征在于，所述数据采集与处理单元(13)将采集到的数据信号以txt格式保存在电脑端，读取保存好的数据并计算得到待测样品(6)的介电常数。
10.一种基于斜入射光反射差技术的介电常数测量装置，其特征在于，所述装置包括：激光器(1)、起偏器(2)、光弹调制器(3)、相移器(4)、第一透镜(5)、样品台(7)、第二透镜(8)、检偏器(9)、光电探测器(10)、第一锁相放大器(11)和第二锁相放大器(12)；
所述激光器(1)发射的探测光经起偏器(2)变为p偏振光，随后由光弹调制器(3)调制为p偏振光和s偏振光，所述p偏振光和s偏振光以50kHz的频率交替出射，并经过相移器(4)后产生固定相位差，再经第一透镜(5)聚焦斜入射到待测样品(6)的表面，入射角范围在50°-60°之间；
从待测样品(6)表面反射后的信号光，经第二透镜(8)后射入检偏器(9)，利用检偏器(9)将***的基频信号调零；通过检偏器(9)后的信号光被光电探测器(10)吸收并转化为电信号，所述电信号分别由第一锁相放大器(11)和第二锁相放大器(12)解调为直流信号、基频信号I(Ω)与倍频信号I(2Ω)；解调出的信号由数据采集与处理单元(13)进行采集与处理，最后通过：
反演计算出待测样品的介电常数ε
其中
f20＝0,f22＝0
f24＝0,/>f26＝0
为入射角。
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