Устройство для измерения показателя преломления жидкостей

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного измерения показателя преломления и в особенности малых изменений показателя преломления жидких сред. Цель изобретения - повышение точности измерений . В устройстве используется явление интерференции полей волноводных мод одной поляризации мапомодового планарного оптического волново Да . Устройство содержит последовательно включенные источник оптического излучения, оптический волновод, канализирующий только две моды низшего порядка одной поляризации, измерительное фотоприемное устройство и электронное устройство индикации. Измерительное фотоприемное устройство представляет собой две одномерные матрицы фотоприемников, расположенные на поверхности волновода вдоль трека распространяющегося по волноводу излучения . Электронное устройство индикации выполнено в виде двух идентичных измерительного и опорного каналов , к выходам которых подключен фазометр, а к входам - одномерные матрицы фотоприемников. Измерительный и опорный каналы состоят из схемы последовательного опроса матрицы фотоприемников и узкополосного усилителя . По сдвигу интерференционной картины, регистрируемой одномерными матрицами фотоприемников, можно судить о показателе преломления жидкости , контактирующей с поверхностью волновода.между одномерными матрицами фотоприемников. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. § (Л со ел о СП О5 СдЭ

3 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (50 4 G 01 N 21 43

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4033102/24-25 (22) 21. 01. 86 (46) 07. 11.87. Бюл. N- 4! (72) А.В.Корчагин, Л.Е.Марасин, Д.В.Свистунов, Ю.В.Попов и Л.Ю.Харбергер (53) 535.024 (088.8) (56) Нагибина И.М. Интерференция и дифракция света. М.: Машиностроение, 1974, с. 104.

Авторское свидетельство СССР

У 840711, кл. С 01 N 21/43, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного измерения показателя преломления и в особенности малых изменений показателя преломления жидких сред. Цель изобретения — повышение точности измерений. В устройстве используется явление интерференции полей волноводных мод одной поляризации маломодового планарного оптического волновода. Устройство содержит последовательно включенные источник оптического излучения, оптический волновод, канализирующий только две моды низшего порядка одной поляризации, измерительное фотоприемное устройство и электронное устройство индикации.

Измерительное фотоприемное устройство представляет собой две одномерные матрицы фотоприемников, расположенные на поверхности волновода вдоль трека распространяющегося по волноводу излучения. Электронное устройство индикации выполнено в виде двух идентичных измерительного и опорного каналов, к выходам которых подключен фазометр, а к входам — одномерные матрицы фотоприемников. Измерительный и опорный каналы состоят иэ схемы последовательного опроса матрицы фотоприемников и узкополосного усилителя. По сдвигу интерференционной картины, регистрируемой одномерными матрицами фотоприемников, можно судить о показателе преломления жидкости, контактирующей с поверхностью волновода.между одномерными матрицами фотоприемников. 2 s.ï. ф-лы, 2 ил..1350563

˄= /(n — n", ), 20

40

55

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольэовано для оператйвного измерения показателя преломления и, в асобенцости, малых изменений показателя преломления жидких сред.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На фиг.1 приведена схема устройства; на фиг.2 — статическая характеристика устройства.

Устройство содержит полупроводниковый лазер 1, планарный диэлектрический волновод 2, волноводную линзу 3, измерительное 4 и опорное 5 фотоприемные устройства, электронное устройство 6 индикации, кювету со средой, соприкасающейся на участке 7 с волноводом. Устройство 6 индикации содержит измерительный 8 и опорный 9 каналы и фазометр 10. Измерительный

8 и опорный 9 каналы содержат схемы последовательного опроса матриц фотоприемников 11 и узкополосные уси.лители 12. В устройстве имеется селектор 13 волновых мод и поглотитель

14 мод подложки.

Устройство работает следующим образом.

Излучение полупроводникового лазера 1 одновременно возбуждает в двухмодовом планарном диэлектрическом волноводе 2 обе моды низшего порядка одной поляризации, например, ТЕ, и

ТЕ, . Волновод может быть изготовлен ионообменной диффузией ионов калия в подложку из стекла К-8. B плоскости волновода излучение коллимируется волноводной линзой 3. Вследствие интерференции волноводных мод наблюдающийСя на поверхности волновода трек промодулирован по интенсивности и представляет собой последовательность эквидистантных интерференционных полос.

Эта интерференционная картина регистрируется измерительным фотоприемным устройством 4, сигнал с которого поступает на электронное устройство 6 индикации.

В зависимости от конструктивного исполнения используемой матрицы фотоприемников она крепится к поверхности волновода либо с загерметизированным по периметру корпуса матрицы воздушным зазором (при использовании ПЗС типа А1033), либо с зазором толщиной порядка 10 мкм эаг полненным веществом (например, оптический клей), имеющим показатель преломления меньший, чем показатель преломления на поверхности волновода (при использовании матрицы типа мультискан), Таким образом, во всех случаях показатель .преломления среды на поверхности волновода под матрицей фотоприемников не меняется в процессе работы устройства и при изменениях показателя преломления исследуемой среды над участком 7 волновода период интерференционных полос A.„ на поверхности волновода в области под измерительным фотоприемным устройс твом будет неизменным и равным где 9 — длина волны света в вакууме; и и п — эффективные показатели

1 с

Оц и преломления интерферирующих волноводных мод в области под измерительным фотоприемным устройством. Эта интерференционная картина регистрируется измерительным фотоприемным устройством.

Набеги фаз Ig и ?< интерферирующих мод при прохождении по участку

7 волновода длиной 1, который непосредственно соприкасается со средой с показателем преломления и для

0-й и 1-й мод соответственно равны

2Т вЂ” n 1 о. о

2Т где п и п — эффективные показатели

Ф о 1 преломления интерферирующих мод на участке 7 волновода.

Начальная разность фаэ интерферирующих мод

2 + + 2Г ь ноц оЖ=--1(па — п,)= -1(дп)(2) определяет,начальное положение интерференционной картины, регистрируемой измерительным фотоприемным устройством.

При изменении показателя преломления среды на величину дп, соотвественно изменяются и эффективные показатели преломления интерферирующих мод на дп н дп",, вследствие чего интерферирующие моды приобретают при прохождении участка волнозода 8 дополнительные набеги фаз

, иBq

1350563

2 II

3q = — an 1 о

Дополнительная разность фаз интерферирующих мод

s q = g,- bq, = — 1 (an -an, ) =-,„-1gn (3)

2 II + «. 2Г «определяет сдвиг интерференционной картины под измерительным фотоприемным устройством на величину дх в направлении распространения света.

Если зависимость Зп" от дп . линейка

I дп = К8п+, (4) где К вЂ” коэффициент, зависящий от параметров используемого вол20 новода и определяемый при калибровке, тогда, подставляя в (4) Рп иэ (3), получим

a(pg с (5) Учитывая, что

30 ьх aV

Ли 2Т (6) (5) примет вид

bx%

" Р Лп1 (7) Подставив в (7) Л „из (1), получим дп, = К(п „-n,"„) õ/1=ÊÇn„ax/1. (8) Таким образом, при. изменении по- 45 казателя преломления среды на дп, интерференционная картина в области под измерительным фотоприемным устройством сдвигается на расстояние дх, которое регистрируется с помощью измерительного фотоприемного устройства.

Достижимая на практике относительная точность измерения линейного сдвига полосы составляет величину порядка 2в/10 = 10 ., В устройстве имеет место двухлучевая интерференция, т.е ° интенсивность интерференционной картины меняется по косинусоидальному закону. Наиболее высокая точность измерения сдвига периодически изменяющихся величин (10 ) достигается при использовании фазовых методов. Tак как крепление опорного фотоприемного устройства выполнено идентично с измерительным (одинаковы показатели преломления вещества, заполняющего зазор между матрицей фотоприемников и поверхностью волновода), то период интерференционной картины Л, регистрируемой им, будет равен Л„, и так как опорное фотоприемное устройство расположено между источником излучения и участком 7 волновода, контактирующим со средой, т.е. участок волновода до опорного фотоприемного устройства, и под ним не соприкасается с исследуемой средой, то при изменении показателя преломления исследуемой среды смещения интерференционной картины под опорной матрицей не будет. Таким образом сигнал с опорного фотоприемного устройства несет информацию о начальной фазе косинусоидального распределения интенсивности и интерференционной картине и может быть использован в качестве опорного, относительно него в фазометре измеряется сдвиг интерференционной картины под измерительным фотоприемным устройством (точнее соответствующая разность фаз распределений интенсивности в интерференционных картинах под опорным и измерительным фотоприемными устройствами).

Наклон кривой на фиг.2 определяет чувствительность измерений и зависит от конкретного выполнения волноводной структуры. Использовались значения параметров простейшей волноводной структуры, полученной методом вакуумного напыления стекла с показателем преломления и = 1,52 на подложку из стекла К-8 с n = 1,51, а изменения показателя преломления окружающей среды отсчитывались относительно показателя преломления толуола (n =

1,497). формулаизобретения

1. Устройство для измерения показателя преломления жидкостей, содержащее источник излучения и расположенные по ходу излучения планарный диэлектрический световод, установ1350563 ленный в контакте с кюветой для исследуемой жидкости, и измерительное фотоприемное устройство, соединенное с электронным устройством индикации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, световод выполнен в виде волновода, каналиэирующего две моды низшего порядка одной поляризации, а измерительное фотоприемное устройство выполнено в виде многоэлементной линейной матрицы фотоприемников и расположено на поверхности волновода после участка волновода, установленного в контакте с кюветой так, что ось линейной матрицы фотоприемников совпадает с оптической осью устройства, а электронное устройство индикации выполнено в виде схемы последовательного опроса матрицы фотоприемников.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что в него введено опорное фотоприемное устройство, выполненное в виде многоэлементной матрицы фотоприемников и расположенное на поверхности волновода между источником излучения и участком волновода,установленным в контакте с кюветой так, что ось линейной матрицы фотоприемников совмещена с оптической осью устройства, а электронное устройство индикации выполнено в виде измерительного и опорного каналов, входы которых соединены соответственно с выходами измерительного и опорного фотоприемных устройств, а выходы соединены с входами фазометра, причем измерительный и опорный каналы идентичны и состоят из последовательно соединенных схемы последовательного опроса матрицы фотоприемников и узкополосного усилителя.

3. Устройство по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности работы, в устройство между источником излучения и опорным фотоприемным устройством введен селектор волноводных мод.

1350563

Составитель С.Голубев

Техред Л.Сердюкова Корректор И.Муска

Редактор Л. Гратилло

Заказ 5278/43 Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4