Способ измерения показателя преломления жидкостей Советский патент 1992 года по МПК G01N21/43 

Изобретение относится к оптике, а именно к экспериментальным способам определения показателя поеломления (ПП) жидкостей.

Известен способ определения ПП жидкостей с помощью прецизионных угловых измерений на рефрактометре разных марок. Рефрактометрический способ, реализуемый в рефрактометре типа Пульфриха (например, марки ИРФ-457), имеет рабочую область измерений ПП жидкостей пж 1,25- 2,15 с возможностью исследования дисперсии ПП в спектральном диапазоне 0,435-0,706 мкм. При термостатировании ( ±0,05-0,1°С) в специальной кювете достигается точность измерений ±(4-5) . Объем используемой жидкости для измерений достаточно большой (0,5-1 мл), что является существенным недостатком данного способа.

Наиболее близким к изобретению является способ определения показателя преломления, реализованный в рефрактометре типа Аббе (например, марки ИРФ-454), который имеет рабочую область пж 1,2-1.7. Измерения, которые ведутся только на желтой линии натрия по с термостатиров анием (±0,1-0,2°С), обеспечивают точность определения ПП (1-2) . Объем используемой жидкости для измерений ( 0.05 мл) примерно на порядок меньше, чем в данном способе При определении ПП дисперсных (статистически неоднородных и рассеивающих) жидкостей этим способом возникают затруднения в измерениях из-за размытия оптического изображения границы полного внутреннего отражения. Это приводит к увеличению времени определения величины ПП жидкостей такого типа из-за необходимости большой статистики при измерениях. Применение данных способов для исследования дисперсии ПП в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра связано с техническими сложностями, так как такие

to

iGS ICG

измерения в принципе возможны только в случае применения специальных визуали- заторов. Необходимость непосредственного контакта поверхности рабочей призмы с исследуемой жидкостью обуславливает не- применимость гониометрических способов к измерению ПП химически агрессивных жидкостей.

Целью изобретения является уменьшение объема исследуемой жидкости, увеличе- ние быстродействия и упрощение измерений ПП жидкостей в ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра.

Поставленная цель достигается тем, что по способу измерения показателя прелом- ления жидкостей, включающему освещение коллимированным монохроматическим излучением с длиной волны Я слоя жидкости через одну из граней измерительной призмы с показателем преломления пр, большим показателя преломления жидкости пж, и углом А при основании, освещают слой жидкости в виде волноводной пленки, образованной прижимом жидкости полированной поверхностью пластины с показате- лем преломления ns, меньшим Пж, к согласующему покрытию с показателем преломления Пс, меньшим пж, и толщиной

П2

нанесенному на основание призмы, возбуждают в пленке жидкости три волновод- ные моды, измеряют резонансные углы OQ , «1 , и возбуждения трех волноводных мод и рассчитывают искомый показатель пре- ломления жидкости п по формуле

О -

Пж

25пр - (4щ 4-П2) 25пр - (4Щ 16 (25 по - 20 п - 5г$)

-4%

где величины п0, ги и П2 определяют из соотношения

пт Пр51п А±агсз1п(),

Пр

где ат - резонансные углы возбуждения волноводных мод (,1,2), при этом знак (-) соответствует расположению отраженного луча между основанием призмы и нормалью к входной грани.

На чертеже представлена схема измерений.

Способ осуществляется следующим образом.

Для измерения используются измерительная призма 1 с ПП , на основание которой нанесено согласующее покрытие 2 со значением ПП и пр и пластина 3 с одной полированной поверхностью и значением ПП . Между основанием призмы и обработанной поверхностью пластины располагается исследуемая жидкость и с помощью прижима образуется тонкопленочный волноводный слой 4 жидкости, далее на одну из граней призмы направляется луч 5 света зондирующего излучения, реализуется волноводное распространение света в тонкой пленке жидкости, измеряются резонансные углы возбуждения трех волноводных мод «о , #1 и аг , рассчитываются соответствующие им величины эффективных ПП По, ni и П2 и по соответствующей формуле определяется искомая величина пж на длине волны зондирующего излучения.

Соотношение, связывающее эффективный ПП волноводной моды nm со значением ПП вводной призмы, имеет следующий вид:

nm nPsin A.tarcsin()b (1)

В рамках рассматриваемой задачи прямоугольного волновода получается простое аналитическое выражение, которое позволяет по измеренному модовому спектру получить прецизионное значение ПП исследуемой жидкости.

Исходным является дисперсионное уравнение волновода

qm h-arctg (- ) - arctg () ят ;(2) чтчто

,1,2...(М-1),

где h - толщина пленки жидкости под основанием призмы; qm K{n«2-nm2)1/2; (пт2- 1)1/2,- (Пт2-П32)1/2; Пж И П8 - ПП

исследуемой жидкости и подложки; К --г- (Я -длина волны света в вакууме);

nm - эффективный ПП m-й моды.

Выражение qw можно представить в виде ряда Тейлора:

)om+(f.)0. (3) 0md т z

Дифференцируя уравнение (2), получим d qm л dm

Ьэфф

где

h h+J-+- -.(4)

Гт I т

Из уравнения (4) с учетом (3) можно получить выражение для пж: пж

25 по-(4 Щ +П2)2 25по-(4щ -п2)2|1//

(5)

Очевидно, что это выражение справедливо для числа резонансных мод .

I

16 (25 п2 - 20 п2 - 5п)

четная точность волноводного способа согласно формуле (4) не хуже ± 1-10 .

Способ был апробирован применительно к измерению ПП жидкости соединения а-метил нафталин с ПП пж ci,1,6. Измерения проводились на длине волны излучения с ,6328 мкм. В качестве пластины использован элемент из стекла марки К-8 с ,5142 с одной обработанной поверхностью. Рабочие призмы были изготовлены из стекла марки ТФ-10 (,7999), на основании которой нанесено покрытие из SI02 (,483) с разной толщиной. Толщина покрытия варьировалась для идентификации оптимальной величины зазора между призмой и жидкостью, которая для данной длины волны света определяется следующими факторами. При возбуждении волновода с помощью призмы призменный элемент связи влияет на величину измеренных эффективных ПП волноводных мод. На практике можно увеличением толщины зазора уменьшить это влияние, приближая значения измеренных эффективных ПП к предельным величинам для ненагруженного волновода. Однако эта процедура одновременно приводит к энергетическим потерям, т.е. к снижению мощности излучения в волноводе из-за подавления туннелирования света в волновод через буферный слой зазора при полном внутреннем отражении на основании призмы. Оценки показывают, что в случае слабой связи, реализуемой при толщине покрытия

1

S

K nl-пГ

2000 А,

влиянием призменной связи можно пренебречь,

В устройстве, с помощью которого был измерен ПП жидкости, использовались рабочие призмы с разной толщиной нанесенного покрытия на основании 500-8000 А. Экспериментальные данные сравнивались с прецизионными рефрактометрическими измерениями дисперсии ПП исследуемой жидкости, выполненными на рефрактометре Пульфриха при разных температурах. Исследовали зависимость точности измерений от толщины покрытия на основании призмы. Исследования показали, что оптимальным вариантом для данной длины волны зондирующего излучения Я 0,6328 мкм является толщина покрытия А. Измеренная волноводным способом величина ПП исследуемой жидкости оказалась равной пж1о 1,60791, что хорошо согласуется с рефрактометрическими данными. При дальнейшем увеличении толщины покрытия наблюдается заметное ослабление туннелирования света в тонкопленочный слой жидкости вплоть до полного подавления первых двух волноводных мод при величине толщины покрытия, равной 8000 А.

Таким образом, волноводный способ

определения ПП несложен и основан на измерении резонансных углов возбуждения волноводных мод и вычислении неизвестных ПП жидкости по формуле(5). Для прове0 дения измерений необходима рабочая площадь исследуемой жидкости с линейными размерами порядка 5 мм, что соответствует диаметру зондирующего пучка. Учитывая также, что обеспечение трехмодо5 вого режима возбуждения в тонкой пленке жидкости реализуется при толщине порядка 4 мкм, получим оценку рабочего объема жидкости, требуемой для измерений, V.Ј см3 или мл. Таким обра0 зом, в волноводном способе используетсяминимальное количество исследуемой жидкости ( 1 «10 мл), что намного меньше, чем требуется для измерений в рефрактометрическом способе Аббе,

5 и при этом обеспечивается идентичная точность ± . Существенное уменьшение объема жидкости, требуемой для проведения измерений ПП, особенно важно при исследовании уникальных жидкостей.

0 Волноводный способ основан на определении углов возбуждения резонансных мод с помощью энергетических измерений максимума выходной интенсивности с использованием фотодетектора 6. Поэтому

5 применение в качестве фотодетектора пи- роприемника позволяет провести с помощью волноводного способа измерение дисперсии ПП исследуемой жидкости в широком спектральном диапазоне, включая

0 ультрафиолетовую и инфракрасную области спектра без использования специальных визуализаторов. Другое преимущество предлагаемого способа перед рефрактометрическим способом проявляется при изме5 рениях дисперсных жидкостей. В этом случае энергетические измерения максимума интенсивности резонансных волноводных мод в предлагаемом способе обеспечивает увеличение быстродействия

0 измерений ПП жидкостей такого типа. Наличие реальной возможности использования согласующей пленки в качестве защитного покрытия из химически стойких материалов делает волноводный способ уникальным

5 применительно к изучению дисперсии ПП химически агрессивных жидкостей. Формула изобретения Способ измерения показателя преломления жидкостей, включающий освещение коллимированным монохроматическим излучением с длиной волны Я слоя исследуемой жидкости через одну из граней измери- тельной призмы с показателем преломления п,, большим покеазателя преломления жидкости пж и углом А при основании, отличающейся тем, что, с целью уменьшения объема исследуемой жидкости, повышения быстродействия и упрощения способа, освещают слой жидкости в виде волноводной пленки, образованной прижимом жидкости полированной поверхностью пластины с показателем преломления ns меньше пж к согласующему покрытию с показателем преломления пс меньше пж и толщиной

нанесенному на основание призмы, возбуждают в пленке жидкости три волноводные

моди, измеряют резонансные углы OQ , ом и «г , возбуждения трех волнсвод- ных мод и рассчитывают искомый показатель преломления жидкости пж по формуле пж

(25пр-(4п1 +na)23 25no-(4ni -г 1/ (1б(25пЈ-20г -5пЗ)

П2

г

где величины n0, ni, П2 определяют из соотношения

nm npSin A+arcsin(),

Пр

где От - резонансные углы возбуждения волноводных мод (, 1, 2), при этом знак (-) соответствует расположению отраженного луча между основанием призмы и нормалью к входной грани.

Сущность изобретения: используют измерительную призму с показателем преломления (ПП) (пж - ПП жидкости), на основание которой нанесено согласующее покрытие со значением ПП и пр, и пластину с одной полированной поверхностью и значением ПП . Между основа- нием призмы и обработанной поверхностью пластины располагается исследуемая жидкость, и с помощью прижима образуется тонкопленочный волноводный слой жидкости. На одну из граней призмы направляют луч зондирующего излучения, измеряют резонансные углы возбуждения трех волноводных мод, рассчитывают соответствующие им величины эффективных ПП и по соответствующей формуле определяют искомую величину пд на длине волны зондирующего излучения. 1 ил.

,/, ,/, /, /, /, , у, / / / / / У 4 /