Устройство для измерения показателя преломления жидкостей Советский патент 1987 года по МПК G01N21/43 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного измерения показателя преломления и, в осо- бенцости, малых изменений показателя преломления жидких сред.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На фиг.1 приведена схема устрой- ства; на фиг.2 - статическая характеристика устройства.

Устройство содержит полупроводниковый лазер 1, планарный диэлектполненным веществом (например, оптический клей), имеющим показатель преломления меньший, чем показатель преломления на поверхности волновода (при использовании матрицы типа муль- тискан). 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 Л„ на поверхности волновода в области под

рический волновод 2, волноводную лин-15 измерительным фотоприемным устройстзу 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 последрвательного 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. В 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 поверх- Ности волновода либо с загерметизированным по периметру корпуса мат- воздушньм зазором (при использовании ПЗС типа А1033), либо с зазором толщиной порядка 10 мкм, завом будет неизменным и равным

(

),

(1)

20

где 91 - длина волны света в вакууме;

WV

Пд и п, - эффективные показатели преломления интерферирующих волноводных мод в области под измерительным фотоприемным устройством. Эта ин- 5 терференционная картина регистриру ется измерительным фотоприемным устройством.

Набеги фаз 1 и 1 интерферирующих мод при прохождении по участку 7 волновода длиной 1, который непосредственно соприкасается со средой с показателем преломления п для 0-й и

30

ср

35

1-й мод соответственно равны

1;

ч,-

п.

21Г q , п,-1,

где П| и п - эффективные показатели

преломления интерферирующих мод на

40 -,

участке 7 волновода.

Начальная разность фаз интерферирующих мод

45 Ч нам г-Ч , 1(п: - nt)|-l(in)(2)

определяет ,начальное положение интерференционной картины, регистрируемой измерительным фотоприем- 50 ным устройством.

При изменении показателя преломления среды на величину дп соот- вественно изменяются и эффективные показатели преломления интерферирующих мод на йп и йп, вследствие чего интерферирующие моды приобретают при прохождении участка волновода 8 дополнительные набеги фаз

%о иScf,

55

полненным веществом (например, оптический клей), имеющим показатель преломления меньший, чем показатель преломления на поверхности волновода (при использовании матрицы типа муль- тискан). 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 Л„ на поверхности волновода в области под

измерительным фотоприемным устройством будет неизменным и равным

(

),

(1)

где 91 - длина волны света в вакууме;

WV

Пд и п, - эффективные показатели преломления интерферирующих волноводных мод в области под измерительным фотоприемным устройством. Эта ин- терференционная картина регистриру ется измерительным фотоприемным устройством.

Набеги фаз 1 и 1 интерферирующих мод при прохождении по участку 7 волновода длиной 1, который непосредственно соприкасается со средой с показателем преломления п для 0-й и

ср

1-й мод соответственно равны

1;

ч,-

п.

21Г q , п,-1,

где П| и п - эффективные показатели

преломления интерферирующих мод на

40 -,

участке 7 волновода.

Начальная разность фаз интерферирующих мод

45 Ч нам г-Ч , 1(п: - nt)|-l(in)(2

определяет ,начальное положение интерференционной картины, регистрируемой измерительным фотоприем- 50 ным устройством.

При изменении показателя преломления среды на величину дп соот- вественно изменяются и эффективные показатели преломления интерферирующих мод на йп и йп, вследствие чего интерферирующие моды приобретают при прохождении участка волновода 8 дополнительные набеги фаз

%о иScf,

55

. 21Г fr, Чо -оГйп,1

f 21 ,, 6(f,

Дополнительная разность фаз интерферирующих мод

uCf . |Г1йп:-Дп)2%п (3)

определяет сдвиг интерференционной картины под измерительным фотоприемным устройством на величину Дх в направлении распространения света. Если зависимость Sn от йПсв линейна

дп,р KSn,

ср

ср (4)

где К коэффициент, зависящий от параметров используемого волновода и определяемый при калибровке,

тогда,подставляя в (4) S n из (3),

получим

К 2irl

что

(5)

ДХ

й(

2

(6)

(5) примет вид

йх-Л

- ГУ. Г Лп1

(7)

Подставив в лучим

(7) А„ из (1), подп

Р

К(п1-п,у)Лх/1 кЦлх/1. (8)

ои

Таким образом, при. изменении по- казателя преломления среды интерференционная картина в области под измерительным фотоприемным устройством сдвигается на расстояние ДХ, которое регистрируется с помощь измерительного фотоприемно,го устройства.

Достижимая на практике относителная точность измерения линейного сдвига полосы составляет величину порядка 2Т/10 : 10 ., В устройстве имеет место двухлучевая интерференция, т.е. интенсивность интерференционной картины меняется по косину0

5

5

0

5

0

5 g

g

соидальному закону. Наиболее высокая точность измерения сдвига периодически изменяющихся величин ( 10) достигается при использовании фазовых методов. Т-ак как крепление опорного фотоприемного устройства выполнено идентично с измерительным (одинаковы показатели преломления вещества, заполняющего зазор между матрицей фЬтоприемников и поверхностью волновода) , то период интерференционной картины Лд, регистрируемой им, будет равен А , 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 noka- зателя 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). t .

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 п 1,52 на подложку из стекла К-8 с п 1,51, а изменения показателя преломления окружающей среды отсчитывались относительно показателя преломления толуола (п 1,497).

Формула изобретения

1. Устройство для измерения показателя преломления жидкостей, содержащее источник излучения и расположенные по ходу излучения планарньш диэлектрический световод, установленный в контакте с кюветой для исследуемой жидкости, и измерительное фотоприемное устройство, соединенное с электронным устройством индикации отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, световод выполнен в виде волновода, канализирующего две мпды низшего порядка одной поляризации, а измери- тельное фотоприемное устройство выполнено в виде многозлементной линейной матрицы фотоприемников и расположено на поверхности волновода после участка волновода, установлен- кого 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 - чающе е ся тем, что в него введено опорное фотоприемное устрой- ство, выполненное в Bi-ще многоэле

5

5

0

ментной матрицы фотоприемников и расположенное на пове рхности 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, отличающее с я тем, что, с целью повьшения надежности работы, в устройство между источником излучения и опорным фотоприемным устройством введен селектор волноводных мод.

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 волновод- ных мод одной поляризации мапомодо- вого 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

Редактор Л.Гратилло

Составитель С.Голубев

Техред Л.Сердюкова Корректор И.Муска

Заказ 5278/43Тираж 776Подписное

ВНРШПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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

(PUIZ