CN202956340U - 一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于光子晶体负折射效应的溶液检测器，包括发射探测光的激光器，使探测光经过检测器所承载的待测溶液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功率的光功率探头以及根据所测定的负折射光的相对于激光器发出的入射光的相对功率计算出待测溶液的折射率的计算部。本实用新型提供的溶液检测器结构简单、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
技术领域
本实用新型涉及一种快速检测溶液浓度的检测器，特别涉及一种基于二维光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器。
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带隙。频率处在光子带隙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。
对溶液浓度的测量与控制在造纸、化工、制糖、乳制品、制药、饮料等行业中有着广泛的应用，它是保证和提高产品质量的重要技术手段。目前在溶液浓度的检测方面，在化学方法中用渗透压法，在物理方法中有旋光计方法；也有用浮球法测液体的比重然后换算成溶液浓度，或者用基于朗伯定律的光吸收原理测量溶液浓度的方法，但前者需要合适的浮球和高精度重量传感器，并且测量时需要浮球相对稳定，测量装置体积大，操作不方便，后者仅适合于测量透明或者半透明的溶液，测量局限性大．随着物理光学一系列理论和实验研究的不断完善和光纤技术、棱镜镀膜技术以及光电检测技术的不断发展，目前高精度测量溶液浓度的方法有:棱镜表面等离子体共振技术、光纤表面等离子体共振传感技术和电介质薄膜增强古斯汉欣位移技术．但这些技术和方法是以棱镜反射光为测量基础，结构复杂且体积较大，不利于集成化发展。
发明内容
本实用新型针对现有溶液浓度检测装置的诸多缺陷，提供了一种新颖、易于集成化的基于二维光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器，其特征在于：所述溶液浓度检测器包括激光器、光子晶体、光功率探测头以及与之相连的计算部，其中，所述激光器发射探测光的波长为0.8μm～1.8μm，所述光子晶体由圆柱硅体和硅基板组成，圆柱硅体有序排列在光子晶体中，其直径为0.2μm～0.35μm，六边形晶格的晶格常数为0.22μm ～0.54μm。
另外，所述激光器（10）发射探测光的波长为1.55μm。所述光子晶体（5）为梯形柱状结构。所述圆柱硅体（7）按照六边形晶格周期性排列在光子晶体（5）中，其直径为0.2852μm。所述溶液浓度检测器的检测范围为0～100%（质量分数）。所述光功率探测头（4）为半导体光功率探测头。所述六边形晶格的晶格常数为0.46μm。
进一步，当探测光的波长为1.55μm，圆形硅柱的直径为0.2852μm时，可出现线性拟合度最高的实验曲线。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供的溶液浓度检测器结构简单、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，该溶液浓度检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，该溶液浓度检测器的折射光的方向与入射光的方向相反，能够有效地减小杂散光的干扰问题。
附图说明
下面结合附图对本实用新型一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器作进一步说明
图1 为实施方式中的溶液浓度检测器的结构示意图。
图2 为实施方式中的光子晶体的侧面结构示意图。
图3 为实施方式中的折射光的相对功率与待测溶液折射率的关系曲线。
图4 为实施方式中的折射光的相对功率与待测溶液浓度的关系曲线。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述：
为了使检测器能够快速检测待测溶液的浓度，本实用新型采用了以下结构：
如图1、2所示，本实用新型溶液浓度检测器包括：包括激光器10、光子晶体5、光功率探测头4以及与之相连的计算部9。其中，激光器10能够发射波长为1.55μm的探测光。光子晶体5呈梯形柱体结构，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，整个硅圆柱体群由硅基板8作为基底承载。该光子晶体5能够使所述探测光经过其所承载的待测溶液而只发生一次负折射效应在其外表面上产生负折射光。半导体光功率探测头4能够接收所有所述负折射光，并据此得到所述负折射光的相对功率（相于激光器10的发出的入射光）。计算部9能够根据所得到的相对功率计算出对应待测溶液的浓度。
本实用新型的操作步骤如下：
首先，向光子晶体中注入蔗糖溶液6并使得蔗糖溶液完全浸没圆柱硅体7。应注意，蔗糖溶液必须完全浸没圆柱硅体7，这样得到的结果比较准确。
然后，激光器10向光子晶体5的入射面上垂直发射探测光1，探测光1在以原始入射方向经过待测蔗糖溶液到达光子晶体5的左斜侧层面上时，发射光1的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4完全接收折射光3并测定出该折射光3相对于入射光1的功率。
最后，计算部9再根据所测定的折射光3的相对于激光器10发出的入射光的相对光功率计算出待测蔗糖溶液的浓度。
如文献1：BAI Ze-sheng, LIU Zhu-qin, XU Hong. An experienced formula about the connection of refraction index and consistence of several liquid [J]. Journal of Yanan University, 2004,23(1)：33-34.中公开了的0-60%浓度的蔗糖溶液的折射率与其浓度关系的经验公式。再又由RSOFT软件，用时域有限差分（FTDT）的方法得出本实用新型中待测蔗糖溶液折射率与功率探测头4接 收到的相对功率的关系。对应曲线如图3所示，x轴为待测蔗糖溶液的折射率，y轴为半导体光功率探测头4探测到的折射光的相对功率。由上述两个关系，可以得到本实用新型在实施例中的折射光功率与待测蔗糖溶液浓度的关系图：如图4所示，在探测光的波长为1.55μm，圆形硅柱的直径为0.2852μm的情况下，待测蔗糖溶液的浓度与折射光的相对功率有对应的关系曲线图，其中，y轴为待测溶液的浓度，x轴为半导体光功率探测头4探测到的折射光的相对功率。计算部9根据该对应关系计算出待测溶液的浓度。
图4表明，随着待测溶液浓度的增大，发生负折射而产生的折射光的相对功率会显现单调递增的变化趋势。
本实用新型提供的溶液浓度检测器在本实施例中能够较精确地测定浓度0～60%范围内的蔗糖溶液浓度。
以上实施例仅用予说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳的实例进行了详细的说明，本领域的普通技术工人应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。
Claims (8)
1.一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器，其特征在于：所述溶液浓度检测器包括激光器（10）、光子晶体（5）、光功率探测头（4）以及与之相连的计算部（9），其中，所述激光器（10）发射探测光的波长为0.8μm～1.8μm，所述光子晶体（5）由圆柱硅体（7）和硅基板（8）组成，圆柱硅体（7）有序排列在光子晶体（5）中，其圆柱硅体（7）直径为0.2μm～0.35μm，六边形晶格的晶格常数为0.22μm ～0.54μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器，其特征在于：所述激光器（10）发射探测光的波长为1.55μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器，其特征在于：所述光子晶体（5）为梯形柱状结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器，其特征在于：所述圆柱硅体（7）按照六边形晶格周期性排列在光子晶体（5）中。
5.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器，其特征在于：所述圆柱硅体（7）的直径为0.2852μm。
6.根据权利要求3所述的一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器，其特征在于：所述溶液浓度检测器的质量分数的检测范围为0～100%。
7.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器，其特征在于：所述光功率探测头（4）为半导体光功率探测头。
8.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器，其特征在于：所述六边形晶格的晶格常数为0.46μm。
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