專利名稱：一種基于光延遲技術的介質折射率測量裝置及其測量方法
技術領域：
本發明涉及光電子技術領域，具體涉及一種基于光延遲技術的介質折射率測量裝置及其測量方法。
背景技術：
介質折射率的測量可分為透射型和反射型兩類。透射型是利用光線穿過被測介質的透射光的特性來計算得到介質的折射率。主要的方法是通過測量入射光線的入射角和折射光線的折射角，再利用折射定律(又稱Snell定律)的公式計算得到。其特點是方法簡單，易于實現；測量精度依賴于對入射角和折射角的精確測量，裝置較為復雜；同時要求所測量的介質為光學透明介質，如水、玻璃、晶體等，對于渾濁介質(液體，如牛奶)，透射光將受到散射和吸收影響，該方法是不適用的。 反射型是利用光線在介質界面處的反射特性，如反射率、偏振、相位、臨界角等特征參數，來得到被測介質的折射率。臨界角法是反射型的典型代表。根據折射定律，光線自光密介質入射到光疏介質時，折射角大于入射角，而且，隨著入射角的增大，折射角將增大，當入射角增大到一定值時，折射角將增大到90度，即折射光將沿兩介質界面折射，此時的入射角稱為臨界角。若入射角達到臨界角后繼續增大，光線將不再折射入光疏介質，而全部被界面反射回原光密介質，這種現象稱為光的全反射現象。當光密介質折射率一定時，介質臨界角由光疏介質折射率唯一確定。利用該方法設計的儀器，稱為臨界角折光計。這種測量方法原理簡單，測量精確依賴于對角度的準確測量，裝置較為復雜，可測量對象范圍較廣，可覆蓋非透明、部分透明和透明等大部分介質，例如金屬和牛奶等。
發明內容
針對上述現有技術，本發明的目的在于提供一種基于光延遲技術的介質折射率測量裝置及其測量方法，其旨在解決現有介質折射率的測量方法需要對光線角度進行測量的技術問題，而針對光線角度的測量系統較復雜，成本高、效率低。本發明的工作原理在信號處理與控制模塊的控制下，電信號經光發射模塊調制到光載波上，發射某一確定波長的光信號，并注入被測介質傳輸，延遲后的光信號到達光接收模塊，完成光電轉換、放大后電信號送到信息處理與控制模塊，信號處理與控制模塊測量發射光信號和接收光信號的延遲時間，再利用已知的被測介質長度，由此計算得到被測介質在某一確定波長處的折射率。例如當某一波長Itl的光信號在介質中傳輸將會產生延遲，其延遲時間用公式表示為At= (L*n)/c，其中At為延遲時間，L為介質傳輸路徑的長度，η為介質在波長Itl處的折射率，c為真空中的光速(為常數300000km/s)。由此可見通過準確的測量延遲時間、已知傳輸介質長度L，即可以計算得到傳輸介質在波長^處的折射率 n，n= (c · At) /L0為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案
一種基于光延遲技術的介質折射率測量裝置，其特征在于，包括信號處理與控制模塊、光發射模塊和光接收模塊；所述信號處理與控制模塊控制光發射模塊發出確定波長的光信號，所述光信號注入被測介質，光信號在被測介質內傳輸產生延遲，延遲后的光信號傳輸至光接收模塊，所述光接收模塊將延遲后的光信號轉換成電信號并放大后傳輸至信號處理與控制模塊，信號處理與控制模塊測量發射光信號和接收光信號的延遲時間，利用已知的被測介質長度，計算得到被測介質在某一確定波長的折射率。所述光發射模塊采用半導體激光器或固體激光器，能夠發射某一確定波長的光信號，通過直接強度調制或間接強度調制，發射連續正弦波或脈沖光波信號，并注入被測介質。所述光接收模塊采用PIN或APD光電探測器，探測由被測介質傳輸延遲的光信號，其接收波長應與發射模塊的波長匹配，并轉換成電信號放大后輸出，送達信號處理與控制模塊。所述被測介質為各種能夠透過光信號的介質，如各種玻璃、各種晶體材料、石英光 纖、朔料光纖等。 所述信號處理與控制模塊采用高精度模擬和數字電路來產生和控制發射信號，并測量發射信號和接收信號的延遲時間，由此來計算折射率。本發明提供的一種基于光延遲技術的介質折射率測量裝置的測量方法，其特征在于，包括如下步驟
①利用基于光延遲技術的介質折射率測量裝置，首先測量已知折射率和長度的標準具(參數為/^Z1)的延遲時間,測得值為G ;
②將標準具移去，置入被測介質(參數為Z2),并保持其他測試狀態不變，再次測量延遲時間，測得值為t2 ’
③計算被測介質引起光信號的附加延遲時間，附加延遲時間Ji= & - 2 ;
④計算被測介質的折射率，由公式」t二Qi1 · L1 -n2 · L2) /c，計算得到被測介質的折射率為-M2 =( H1' L1-C · Δ t) /L2 ；
所述標準具為已知折射率和長度的介質，或者為空氣或真空形成的傳輸介質。與現有技術相比，本發明的有益效果表現在
一、光學系統簡單、易行，將光學參數的測量轉化為光電信號的測量，降低了測量系統地復雜度；
二、利用本發明提出的方法建立的裝置成本低，易于推廣應用；
三、所采用的測量方法和步驟，消除了電路系統的影響，提高了測量精度。
圖I是本發明提供的一種基于光延遲技術的介質折射率測量裝置的結構示意圖； 圖2為測量石英光纖折射率的測量方案示意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步的描述。一種基于光延遲技術的介質折射率測量裝置，如圖I所示，包括信號處理與控制模塊、光發射模塊和光接收模塊；所述信號處理與控制模塊控制光發射模塊發出確定波長的光信號，所述光信號注入被測介質，光信號在被測介質內傳輸產生延遲，延遲后的光信號傳輸至光接收模塊，所述光接收模塊將延遲后的光信號轉換成電信號并放大后傳輸至信號處理與控制模塊，信號處理與控制模塊測量發射光信號和接收光信號的延遲時間，利用已知的被測介質長度，計算得到被測介質在某一確定波長的折射率。
實施例所述光發射模塊采用I. 55 μ m半導體激光器，通過直接強度調制，發射脈沖光波信號。而被測介質由石英光纖構成。光接收模塊采用1.55μπι波段PIN光電探測器、前置放大器和主放大器構成，探測經過被測石英光纖傳輸延遲的光信號，并轉換成電信號放大后輸出，送達信號處理與控制模塊。信號處理與控制模塊采用高精度模擬和數字電路來產生和控制發射信號，并測量發射信號和接收信號的延遲時間，再利用已知的被測石英光纖的長度，即可計算得到被測石英光纖在I. 55 μ m的折射率。采用如下步驟來準確測量光信號的延遲時間 ①利用基于光延遲技術的介質折射率測量裝置，如圖2所示，首先測量已知折射率和長度的的石英光纖(參數為L1)的延遲時間，測得值為q ；
②將標準具移去，置入被測光纖(參數為Z2),并保持其他測試狀態不變，再次測量延遲時間，測得值為t2 ’
③計算被測光纖引起光信號的附加延遲時間，附加延遲時間Ji= q - t2。④計算被測光纖的折射率，由公式Z = Ifll · L1 ~η2 · Q /c，計算得到被測介質的折射率為-M2 =( Til-Ll-C- Δ t) /L20本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發明的保護范圍也及于本領域技術人員根據發明構思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求
1.一種基于光延遲技術的介質折射率測量裝置，其特征在于，包括信號處理與控制模塊、光發射模塊和光接收模塊；所述信號處理與控制模塊控制光發射模塊發出某一確定波長的光信號，所述光信號注入被測介質，光信號在被測介質內傳輸產生延遲，延遲后的光信號傳輸至光接收模塊，所述光接收模塊將延遲后的光信號轉換成電信號并放大后傳輸至信號處理與控制模塊，信號處理與控制模塊測量發射光信號和接收光信號的延遲時間，利用已知的被測介質長度，計算得到被測介質在某一確定波長的折射率。
2.根據權利要求I所述的基于光延遲技術的介質折射率測量裝置，其特征在于，所述光發射模塊采用半導體激光器或固體激光器發射某一確定波長的光信號，通過直接強度調制或間接強度調制，輸出連續正弦波或脈沖光波信號。
3.根據權利要求I或2所述的基于光延遲技術的介質折射率測量裝置，其特征在于，所述光接收模塊采用PIN或Aro光電探測器和放大器組成，探測由被測介質傳輸延遲的光信號，其工作波長與所述光發射模塊匹配。
4.根據權利要求I所述的基于光延遲技術的介質折射率測量裝置，其特征在于，所述被測介質為各種能夠透過光信號的介質。
5.一種如權利要求I所述的基于光延遲技術的介質折射率測量裝置的測量方法，其特征在于，包括如下步驟 ①利用基于光延遲技術的介質折射率測量裝置，測量已知折射率和長度的標準具的延遲時間，延遲時間的測得值為G，標準具的折射率為&、標準具的長度為Z1 ； ②將標準具移去，置入被測介質，并保持其他測試狀態不變，再次測量延遲時間，測得值為； ③計算被測介質引起光信號的附加延遲時間，附加延遲時間為J =匕- 2 ; ④計算被測介質的折射率，由公式」t二Qi1 · L1 -n2 · L2) /c，計算得到被測介質的折射率為-M2 =( H1' L1- c · Δ t) /L20
6.根據權利要求5所述的基于光延遲技術的介質折射率測量裝置的測量方法，其特征在于，所述標準具為已知折射率和長度的介質或為由空氣或真空形成的傳輸介質。
全文摘要
本發明公開了一種基于光延遲技術的介質折射率測量裝置及其測量方法，涉及光電技術領域，包括信號處理與控制模塊、光發射模塊和光接收模塊；光發射模塊經信號處理與控制模塊控制發出某一確定波長的光信號，注入被測介質，光信號在被測介質內傳輸產生延遲，光接收模塊接收延遲后的光信號，并將延遲后的光信號轉換成電信號并放大后傳輸至信號處理與控制模塊，信號處理與控制模塊測量發射光信號和接收光信號的延遲時間，利用已知的被測介質長度，即可計算得到被測介質在某一確定波長的折射率。本發明回避了測量反射角或折射角獲取折射率的復雜方法，采用測量光信號在介質中的傳輸延遲來得到折射率，降低了系統的復雜度，提高了效率，便于推廣運用。
文檔編號G01N21/41GK102879358SQ201210425600
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月31日 優先權日2012年10月31日
發明者邱琪 申請人:電子科技大學