Способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах Российский патент 2025 года по МПК G01N21/29 

Изобретение относится к оптическим методам анализа, в частности к способу лазерного сканирования жидкостей в полых призмах.

Изобретение может найти применение для получений показателей преломления (онлайн, in situ) различных чистых материалов, жидкостей, газов, их смесей. Использование лазерного сканирования материалов приобретает большое значение при организации безотходного замкнутого производства, на тех его этапах (звеньях), где возникает необходимость мгновенного бесконтактного анализа характера протекания химических реакций, учета концентраций реагентов и продуктов реакции. Наличие матриц, характеризующих оптимальный ход реакции, позволяет организовывать производство наиболее экономически и экологически выгодным образом. Предлагаемый способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах, выполненных в форме оптической ячейки, может быть использован для анализа жидкостей как с большим, так и с малым показателем преломления. Любое преломление света происходит при его прохождении на границе фаз, как минимум в двух оптических средах. Обычно в качестве системного оптического основания в измерении показателя преломления берется воздух, показатель преломления которого приравнивается к единице, а все другие показатели преломления других материалов представляются «по умолчанию» как показатели преломления (n) относительно воздуха. В отличие от воздуха, как обычного системного оптического основания, в данном способе, в качестве системного оптического основания берется монолитная призма из стекла ТФ10, с показателем преломления гораздо больше единицы (1.806). Смена системного оптического основания, где все лучи, выходящие в анализируемую среду из единственной преломляющей грани монолитной призмы, выполненной из материала ТФ10, в разы увеличивает разрешающую способность измерения показателя преломления.

Из уровня техники известны различные способы сканирования жидкостей в полых призмах (Рефрактрометрические методы в физико-химических измерениях / Под ред. проф. Л.А. Конопелько. - М: Изд-во «Триумф», 2020), однако известные способы требуют достаточно много времени и имеют недостаток, заключающийся в невозможности использования в качестве излучения плотного пучка лазерных лучей с различной длиной волны.

Известен способ сканирования жидкостей в полых призмах с использованием традиционного рефрактометра, где осветительная и измерительная призма обычно выполнены из стекла одной марки, с одинаковыми оптическими свойствами. В отличие от обычной полой призмы (Фиг. 2), где осветительная и измерительная грани призмы выполнены из стекла одной марки, с одинаковыми оптическими свойствами, в оптической ячейке «осветительная» призма выполнена из стекла с большим показателем преломления. Для более точного измерения показателя преломления жидкостей, используется гониометрический метод. Метод основан на измерении отклонения траектории светового луча, проходящего через образец, где используются полые призмы, заполняемые исследуемой жидкостью. Вычисления показателя преломления анализируемого материала в таких полых призмах-кюветах требует особой фиксации и перерасчета целого ряда независимых переменных, углов θ, i и Е (Рефрактрометрические методы в физико-химических измерениях / Под ред. проф. Л.А. Конопелько. - М: Изд-во «Триумф», 2020) (Фиг. 1).

На Фиг. 1 представлен принцип измерения преломляющего образца и угла выхода луча методом автоколлимации, где θ - преломляющий угол, i - угол падения и отклонения луча света на грани призмы.

Известен способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах и принятый за прототип (RU 2820424 С2, 03.06.2024), включающий формирование посредством отдельных лазерных модулей лазерных лучей с длинами волн 405, 450, 488, 532, 589, 635 и 685 нм, которые через систему светофильтров сведены в один плотный параллельный пучок, который проходя через полую прозрачную призму, заполненную анализируемым материалом, преломляется в соответствии с оптической плотностью материала, находящегося в призме, при этом характер преломления каждого из лазерных лучей, прошедших через призму с анализируемым материалом, фиксируется на экране и передается на дисплей компьютера, где сравнивается с характером преломления этих же лазерных лучей, прошедших и преломленных через контрольные материалы, выполненные как из твердых прозрачных материалов, так и жидкостей, помещенных в призму, с известными химическими характеристиками. Однако известный способ не позволяет анализировать материалы с малым показателем преломления и имеет целый ряд погрешностей, связанных с наличием нескольких преломляющих фракций (Фиг. 2).

На Фиг. 2 представлена обычная полая призма, используемая как в прототипе, так и традиционном гониометрическом методе измерения показателя преломления, где И - излучатель, Э - экран на который проецируется преломленное излучение лазеров (405, 450, 488, 532, 589, 635, 685 нм), R - расстояние до экрана, L - степень рефракции в области видимого света между проекциями лазерных лучей (405 и 685 нм), х - воздушная среда, окружающая ячейку, у - среда стекла, из которого изготовлена призма (обычно легкие марки), z - среда анализируемой жидкости, i - не стандартизированная область преломления и выхода лазерных лучей, 1 - угол входа пучка лазерных лучей по нормали (90°), 2 - преломляющий угол между гранями призмы (задающий степень рефракции L).

Отличием предлагаемого способа от известного является использование в качестве системного оптического основания не воздуха, а призмы из монолитного материала с большим показателем преломления, таким как тяжелый флинт, например ТФ10. Геометрическая форма предлагаемой полой призмы в виде оптической ячейки задает стандартную зону преломления только двух сред между ТФ10 и анализируемым материалом. Другим отличием предлагаемого способа от гониометрического метода с учетом автоколлимации является минимизация влияния воздушной среды, путем расположения второй, выходной грани призмы под углом близким к 90°, т.к. погрешность в методе автоколлимации при измерении угла выхода луча i из преломляющего образца может задаваться наличием не учтенной в преломлении самой гранью полой призмы, выполненной из стекла, как промежуточной оптической фракцией, обозначенной на Фиг. 2, как у.

Оптические возможности использования полой равнобедренной призмы в анализе жидкостей по различным длинам волн ограничены различием в показателе преломления измеряемых жидкостей, где рефракция L (около 25 см) у жидкостей с большим показателем преломления достаточно разведена при R=600 см и достаточна для анализа таких жидкостей как ксилол, толуол и др., тогда как у жидкостей с малым показателем (метанол, вода и др.) эта рефракция разведена не значительно (L=7-8 см при R=600 см). Задачей настоящего изобретения является создание универсального способа лазерного сканирования жидкостей в полых призмах, позволяющего анализировать материалы, как с большим показателем преломления, так и с малым показателем преломления близким к единице.

Поставленная задача достигается предлагаемым способом лазерного сканирования жидкостей в полых призмах, включающим формирование посредством отдельных лазерных модулей лазерных лучей с длинами волн 405, 450, 488, 520, 532, 589, 635 и 685 нм, которые через систему светофильтров сведены в один плотный параллельный пучок, который проходя через полую прозрачную призму, заполненную анализируемым материалом, преломляется в соответствии с оптической плотностью материала, находящегося в призме, при этом характер преломления каждого из лазерных лучей, прошедших через призму с анализируемым материалом, фиксируется на экране и передается на дисплей компьютера, где сравнивается с характером преломления этих же лазерных лучей, прошедших и преломленных через контрольные материалы с известными химическими характеристиками, выполненные как из твердых прозрачных материалов, так и жидкостей, помещенных в призму, и отличающимся тем, что одна из граней полой призмы выполнена из материала с большим показателем преломления, таким как тяжелый флинт, в форме монолитной призмы и расположена по нормали входящему пучку лазерных лучей, при этом лучи выходящие из монолитной призмы из материала с большим показателем преломления, проходя через стандартную зону преломления, расположенную на границе монолитной призмы и анализируемой жидкости, преломляются и выходят из противоположенной грани полой призмы под углом, близким к 90° (Фиг. 3). На Фиг. 3 представлена оптическая ячейка,

где И - излучатель, Э - экран на который проецируется преломленное излучение лазеров (с длинами волн 405, 450, 488, 520, 532, 589, 635, 685 нм), R - расстояние до экрана, L - степень рефракции в области видимого света между проекциями лазерных лучей с наибольшей и наименьшей длинами волн (405 и 685 нм), X - воздушная среда, окружающая ячейку, Y_ТФ10 - среда материала с большим показателем преломления, например, ТФ10, Z - среда анализируемой жидкости, F(Y) - стандартная область преломления лучей задаваемая границей материала Y, 1 - угол входа пучка лазерных лучей по нормали (90°), «1» - угол выхода преломленных лазерных лучей, близкий к 90° (нормаль по лучу 520 нм), 2 - преломляющий угол между гранями призмы (задающий степень рефракции L).

Оптические возможности использования полой равнобедренной призмы в анализе жидкостей по различным длинам волн ограничены различием в показателе преломления измеряемых жидкостей, где рефракция L (около 25 см) у жидкостей с большим показателем преломления достаточно разведена при R=600 см и достаточна для анализа таких жидкостей как ксилол, толуол и др., тогда как у жидкостей с малым показателем (метанол, вода и др.) эта рефракция разведена не значительно (L=7-8 см при R=600 см). Использование в качестве системного оптического основания материала монолитной призмы (а не воздуха) позволяет минимизировать влияние этой промежуточной фракции (стекла грани) на выходе из оптической ячейки, расположив эту грань под прямым углом (угол «1» на Фиг. 3). При этом изменение системного основания среды оптического преломления с х (воздуха) на Y_ТФ10 позволяет увеличить угловое разведения (степень рефракции) L (около 14 см), при уменьшении R в два раза (230 см) для жидкостей с малым показателем преломления, таких как метанол, вода и др., и соответствующих растворов. Тогда помещение в оптическую ячейку жидкостей с большим показателем преломления (анилин, толуол и др.), наоборот, уменьшает угловое разведение (степень рефракции) L, вплоть до точки на экране, при показателе преломления анализируемой жидкости стремящемуся к показателю преломления ТФ10 (1.806).

Для осуществления предлагаемого способа был использован лазерный сканер материалов (жидкостей), используемый в прототипе, - оптическая система, позволяющая проводить анализ прохождения пучка лазерных лучей с различной длиной волны (405, 450, 488, 532, 589, 635, 685 нм) через материал (жидкость), помещенный в оптическую ячейку (Фиг. 3), с фиксацией на экране показателя преломления (проекции каждого лазерного луча), проходящего через призму, наполненную анализируемым материалом излучатель из семи вертикально поляризованных лазеров, охватывающий весь видимый спектр с шагом 40-50 нм. Как и в прототипе, в данном способе лучи отдельных лазерных модулей с длинами волн 405, 450, 488, 532, 589, 635 и 685 нм через систему светофильтров были сведены в один плотный параллельный пучок, однако в данном случае был добавлен еще один лазерный модуль с длиной волны 520 нм (при необходимости количество лазерных модулей может быть увеличено, изменены параметры модулей и т.п.).

Наглядно отличия оптической ячейки и полой призмы (используемой в прототипе и в гониометрическом методе) проявляются в сравнении оптико-геометрических свойств этих полых призм (Фиг. 3 и Фиг. 2) Нормаль входа и выхода в полую призму как условие исключения погрешностей, вызванных воздушной средой.

1. Если параметры И, Э, R, L, X, Z, 1, «1», 2 и F_(Y) на Фиг. 3 физически выражены и имеют определенное численное значение, то область преломления в полых призмах задается прямым углом вхождения света (нормалью) в грань стандартной равнобедренной призмы, где угол 2 равен 60°. При этом изменение угла вхождения светового луча от нормали, в полую равнобедренную призму, имеет хаотическую динамику преломления этого луча, зависящую от отклонения входящего луча от нормали а (см. прототип Фиг. 7). При этом степень рефракции (значения L Фиг. 6 в прототипе) в полой равнобедренной призме L устойчиво проявляются при анализе жидкостей с большим показателем преломления, таких как бензол и ксилол, тогда как в отношении жидкости с малым показателем преломления (вода, перекись водорода и др.) L имеет малые значения и ничего определенного сказать нельзя.

Измерение показателя преломления света гониометрическим методом с использованием различных кювет физически ограничено интенсивностью и направленностью источника света и требует скрупулезной фиксации углов с дальнейшим их перерасчетом. В отличие от гониометрического метода, где в анализе используется луч с широким спектром световых волн и ограниченной интенсивностью этого излучения, используемый в прототипе пучок лазерного излучения позволяет неограниченно увеличивать расстояние до экрана R. Но даже при этих условиях сложно соотнести между собой полученные проекции лазерных лучей на экран, как при повторном измерении одной и той же жидкости, так и различных жидкостей между собой.

Принимая во внимание, что преломление света происходит на границе двух сред, а на выходе из обычной полой призмы этих сред три, возникла задача исключения влияния промежуточной среды стекла на выходе лучей из призмы. Непосредственным изменением геометрической формы обычной полой призмы этого достичь нельзя, т.к. уменьшение угла равнобедренной призмы с 60° (Фиг. 2) приводит к резкому сужению сектора рефракции, проекции L на экран, вплоть до сведения этой рефракции в одну точку. 2. Для точной настройки излучателя и получения плотного поляризованного пучка из восьми лазерных лучей (в прототипе, в котором использовался пучок из семи лучей, эта предварительная работа не проводилась) была проведена предварительная настройка лазерных модулей по «обобщенному спину» каждого использованного лазерного модуля (И.В. Шабельников, Синхронизация лазерного излучения с различной длиной волны. IX Международный симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур, 29 ноября-1 декабря 2023 г., Москва, 2023, Сборник тезисов докладов, с. 46-47). Для максимального разведения проекций лазерных лучей на экране была использована призма из стекла с наибольшим показателем преломления ТФ10 (Y, Фиг. 3). Дальнейшее исследование характера излучения с преломлением света в монолитных призмах, выполненных из стекла тяжелых марок (ТФ10, и др.) послужили основанием к изменению системного оптического основания в преломлении света.

Любое преломление света происходит при его прохождении на границе фаз, как минимум в двух оптических средах. Обычно в качестве системного оптического основания в измерении показателя преломления берется воздух, показатель преломления которого приравнивается к единице, а все другие показатели преломления других материалов представляются «по умолчанию» как показатели преломления (n) относительно воздуха. В используемой нами оптической ячейке в качестве системного оптического основания берется не воздух, а призма из монолитного материала с большим показателем преломления (ТФ10). Геометрическая форма оптической ячейки задает стандартную область преломления только двух сред F(Y) между ТФ10 и анализируемым материалом (Фиг. 3), на диаграммах (Фиг. 5, Фиг. 6 и Фиг. 7) обозначена как n_ТФ10. В отличие от полой призмы (кюветы) с контрольной жидкостью, используемой в гониометрическом методе (Фиг. 1), при получении количественных показателей преломления в оптической ячейке с призмой из тяжелого флинта, сложные вычисления по углам можно исключить, приняв за константу геометрические пропорции оптической ячейки, задающие для всех анализируемых жидкостей единую, стандартную область преломления.

3. Использование в предлагаемом способе оптической ячейки, где одна из граней полой призмы выполнена из тяжелого флинта (ТФ10 и др.) в форме монолитной призмы, позволяет исключить на входе светового потока само влияние ограничивающих стеклянных стенок кюветы, а на выходе минимизировать влияние воздушной среды, что достигается приближением входящих и выходящих лучей в (из) оптической ячейки к нормали (90°, Фиг. 3). Использование предварительного преломления лучей в призме из ТФ10 (оптической ячейке) заключается как в облегченном, непосредственном получении показателей преломления (онлайн, in situ) различных чистых материалов, жидкостей, газов, их смесей, а также реакционных смесей химических реакций протекающих непосредственно в полости Z (Фиг. 3), так и возможностью определения характера преломления материалов с показателем преломления близким к единице (относительно воздуха) (Фиг. 4) и даже меньше единицы.

Ход работы:

В соответствии с прототипом (Фиг. 4) в оптическую ячейку помещалась анализируемая жидкость Z и снимались показания с экрана Э, например, эти отклонения (см) представлены ниже для следующих жидкостей:

Где начало измерения соответствовало проекции лазера с длиной волны 685 нм (отклонение этого луча принимали равным нулю), далее для исключения боковых погрешностей, проводился перерасчет отклонений по проекции длины волны 520 нм.

Результаты:

На Фиг. 5 представлено сравнение диаграмм показателей преломления различных жидкостей (метанола, гептана и гексана) от длины волны света (лазерное сканирование, RU 2820424 С2) полученные на различных системно-оптических основаниях (относительно тяжелого флинта ТФ10 или относительно воздуха), указывает на системное сходство этих диаграмм.

Масштаб шкалы показателей преломления в значениях в измеренных относительно ТФ10, в шесть раз превышает масштаб шкалы показателей преломления измеренных относительно воздуха. Шестикратное усиление шкалы измерения с опорой на ТФ10 (по сравнению с традиционной шкалой измерения, полученной с опорой на воздух), позволяет проводить более тонкие измерения как жидкостей, так и газов. Степень измерительной шкалы в оптической ячейке обуславливается как высоким показателем преломления ТФ10, так и величиной преломляющего угла 1 (Фиг. 3).

Различия величин показателей преломления относительно ТФ10 достигают несколько десятых, в то время как различия величин показателей преломления тех же жидкостей относительно воздуха не превышают несколько сотых (Фиг. 5). Фактически, оптическая ячейка позволяет увеличить различия между показателями преломления анализируемых материалов (относительно материала с большим показателем преломления, из которого изготовлена призма (ТФ10 и др.)), т.е. усиливать аналитический сигнал, что позволяет как анализировать материалы с малыми показателями преломления, так и дает возможность различать материалы с близкими показателями преломления (относительно воздуха).

На Фиг. 6 представлена достоверность измерений, проведенных с использованием оптической ячейки, что подтверждается воспроизводимостью результатов измерений. Так измерения показателя преломления дистиллированной деионизированной воды, проведенные в одной и той же оптической ячейке, но в разные дни, практически не отличаются. На Фиг. 7 представлены результаты сканирования жидкостей в оптической ячейке. Как видно из Фиг. показания преломления жидкостей относительно монолитной призмы ТФ10, носят четко выраженный характер по всем длинам волн. Жидкости с малым показателем преломления расположены в нижней части диаграммы с различием в характере преломления метанола и воды, воды и физраствора, воды и перекиси водорода, что позволяет сравнивать между преломления гомогенных жидкостей, но и жидкости с растворенными в них веществами.

Технический результат - создание универсального способа лазерного сканирования жидкостей в полых призмах, позволяющего анализировать материалы как с большим показателем преломления, так и с малым показателем преломления, близким к единице.

Изобретение относится к оптическим методам анализа, к способу лазерного сканирования жидкостей в полых призмах. Способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах включает формирование посредством отдельных лазерных модулей с длинами волн 405, 450, 488, 532, 589, 635 и 685 нм лазерных лучей, которые через систему светофильтров сведены в один плотный параллельный пучок, который, проходя через полую прозрачную призму, заполненную анализируемым материалом, преломляется в соответствии с оптической плотностью материала, находящегося в призме, при этом характер преломления каждого из лазерных лучей, прошедших через призму с анализируемым материалом, фиксируется на экране и передается на дисплей компьютера, где сравнивается с характером преломления этих же лазерных лучей, прошедших и преломленных через контрольные материалы, при этом одна из граней полой призмы выполнена из материала с большим показателем преломления, в форме монолитной призмы, и расположена по нормали входящему пучку лазерных лучей. Технический результат - возможность анализировать материалы с большим показателем преломления и с малым показателем преломления, близким к единице. 7 ил.

Способ лазерного сканирования жидкостей в полых призмах, включающий формирование посредством отдельных лазерных модулей лазерных лучей с длинами волн 405, 450, 488, 520, 532, 589, 635 и 685 нм, которые через систему светофильтров сведены в один плотный параллельный пучок, который, проходя через полую прозрачную призму, заполненную анализируемым материалом, преломляется в соответствии с оптической плотностью материала, находящегося в призме, при этом характер преломления каждого из лазерных лучей, прошедших через призму с анализируемым материалом, фиксируется на экране и передается на дисплей компьютера, где сравнивается с характером преломления этих же лазерных лучей, прошедших и преломленных через контрольные материалы с известными химическими характеристиками, выполненные как из твердых прозрачных материалов, так и жидкостей, помещенных в призму, отличающийся тем, что одна из граней полой призмы выполнена из материала с большим показателем преломления, таким как тяжелый флинт, в форме монолитной призмы, и расположена по нормали входящему пучку лазерных лучей, при этом лучи, выходящие из монолитной призмы, из материала с большим показателем преломления, проходя через стандартную зону преломления, расположенную на границе монолитной призмы и анализируемой жидкости, преломляются и выходят из противоположенной грани полой призмы под углом, близким к 90°.