一種利用光纖環形腔衰蕩測量旋光溶液濃度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于旋光溶液濃度測量裝置技術領域，具體涉及一種利用光纖環形腔衰蕩 測量旋光溶液濃度的方法。
【背景技術】
[0002] 目前常利用旋光法對不同的旋光物質進行濃度測量，但市場上性價比高的高精度 旋光儀還不多見，由于旋光物質的旋光率受光的波長、溫度和溶液的濃度等影響，將嚴重導 致測量的誤差；且微小旋光計、旋光儀和便攜式旋光儀等測量工具雖不斷優化，但測量精度 與體積仍難以匹配，其中有些儀器只適用于物理性實驗方面，而相對精密且應用廣泛的儀 器不僅對測量系統部件精度要求高，而且價格十分昂貴。
【發明內容】
[0003] 本發明為解決利用旋光法測溶液濃度的精密度差、體積大和成本高等問題而提供 了一種利用光纖環形腔衰蕩測量旋光溶液濃度的方法，該方法通過分析光衰蕩波形實現對 多種類型旋光溶液濃度的測量。
[0004] 本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，一種利用光纖環形腔衰蕩測量旋 光溶液濃度的方法，其特征在于：沿光線傳輸方向依次設有通過光纖相連的調幅激光器、起 偏器、光纖環形腔、檢偏器和光電探測器，其中調幅激光器通過線路與脈沖調制器相連，光 電探測器通過線路與數字信號處理器相連，光纖環形腔由第一光纖耦合器、第二光纖耦合 器、保偏光纖和樣品吸收池構成，第一光纖耦合器與第二光纖耦合器之間設有并聯的光纖， 其中一側的光纖斷面上設有空隙微腔并且在該空隙微腔處設有樣品吸收池，另一側的光纖 上設有保偏光纖，首先樣品吸收池內未加溶液時，讓調幅激光器經起偏器和第一光纖耦合 器進入光纖環形腔，再由第二光纖耦合器輸出，最后通過檢偏器和光電探測器測出光纖衰 蕩基準波形。然后讓光纖偏振信號經過不同濃度的旋光溶液，由于調幅激光器在光纖環形 腔中形成偏振光，當偏振光經過旋光溶液后產生旋光角度，此時光信號經第二光纖耦合器 一部分輸出并記錄，另一部分繼續返回光纖環形腔，當光再次經過旋光溶液時會再次產生 旋光偏轉，輸出光強也隨之變化，多次循環后，直到光強信號衰減為零，由示波器實時觀察 對應的衰蕩波形，觀察衰蕩波形的同時對輸出的模擬信號經數字信號處理器進行參數采 集、存儲并處理。當旋光溶液材料一定時，改變旋光溶液濃度得到不同的衰蕩輸出曲線和采 樣值，記錄不同種類旋光溶液不同濃度時的衰蕩輸出，由此得到衰蕩系數與被測旋光溶液 濃度的對應關系從而實現待測溶液濃度的測量。
[0005] 本發明與現有技術相比具有以下優點：（1)研究了一種利用光纖環形腔衰蕩測量 旋光溶液濃度的方法；（2)靈敏度高，結構簡單，體積小巧，可以實現對多種類型尤其是低 濃度旋光溶液的精確測量；（3)測量過程簡化，方便快捷，有效克服了傳統旋光溶液測量方 法中存在的繁瑣流程；（4)實驗所需材料簡單，大大降低實驗成本。
【附圖說明】
[0006] 圖1是本發明的光路原理圖。
[0007] 圖面說明：1、脈沖調制器，2、調幅激光器，3、起偏器，4、第一光纖耦合器，5、樣品吸 收池，6、第二光纖耦合器，7、檢偏器，8、光電探測器，9、數字信號處理器，10、保偏光纖。
【具體實施方式】
[0008] 結合附圖詳細描述本發明的具體內容。一種利用光纖環形腔衰蕩測量旋光溶液濃 度的方法，沿光線傳輸方向依次設有通過光纖相連的調幅激光器2、起偏器3、光纖環形腔、 檢偏器7和光電探測器8,其中調幅激光器2通過線路與脈沖調制器1相連，光電探測器8 通過線路與數字信號處理器9相連，光纖環形腔由第一光纖耦合器4、第二光纖耦合器6、保 偏光纖10和樣品吸收池5構成，第一光纖耦合器4與第二光纖耦合器6之間設有并聯的光 纖，其中一側的光纖斷面上設有空隙微腔并且在該空隙微腔處設有樣品吸收池5,另一側的 光纖上設有保偏光纖10。下面簡要來說明【具體實施方式】。
[0009] (1)光纖環形腔衰蕩系統 由脈沖調制器、調幅激光器、起偏器、檢偏器、光纖耦合器、樣品吸收池、光電探測器和 數字信號處理器構成光纖環形腔衰蕩旋光溶液濃度測量系統。
[0010] (2)光纖彎曲損耗及溶液濃度測量 首先樣品吸收池內未加溶液時，讓調幅激光器經起偏器和第一光纖耦合器進入光纖環 形腔，再由第二光纖耦合器輸出，最后通過檢偏器和光電探測器測出由于光纖彎曲的衰蕩 基準波形，然后讓光纖偏振信號經過不同濃度的旋光溶液，由于調幅激光器在光纖環形腔 中形成偏振光，當偏振光經過旋光溶液后產生旋光角度，此時光信號經光纖親合器一部分 輸出并記錄，另一部分繼續返回光纖環形腔，當光再次經過旋光溶液時會再次產生旋光偏 轉，輸出光強也隨之變化，多次循環后，直到光強信號衰減為零，由示波器實時觀察對應的 衰蕩波形。
[0011] (3)數據采集和處理 觀察衰蕩波形的同時，對輸出的模擬信號經數字信號處理器進行參數采集、存儲并處 理，當旋光溶液材料一定時，改變旋光溶液濃度得到不同的衰蕩輸出曲線和采樣值，記錄不 同種類旋光溶液不同濃度時的衰蕩輸出得到衰蕩系數與被測旋光溶液濃度的對應關系從 而實現待測溶液濃度的測量。
[0012] 如圖1所示，偏振的光信號從第一光纖耦合器進入光纖環形腔，其在光纖環形腔 中經歷的損耗包括固有損耗和非固有損耗，固有損耗A包括光纖的吸收損耗和色散損耗以 及兩個耦合器的插入損耗，表示為：
式（1)中@和I分別為與波長相關的吸收系數和色散系數，L為光纖的長度，E為兩個 光纖耦合器總的插入損耗。非固有損耗B是由樣品吸收池引起的，包括插入損耗和樣品吸 收池的色散損耗，表示為：
式（2)中&.表示樣品吸收池的插入損耗，議.:表示根據比爾-郎伯定律樣品吸收池 的損耗，〇為樣品吸收池長度，s為消光系數，C為樣品吸收池內溶液濃度。
[0013] 兩偏振片保持平行時，光電探測器探測到的光強最強，記錄此時刻為初始時刻。脈 沖光經耦合器耦合入光纖環形腔，沿著環可以繞行很多圈，每繞一圈，因樣品吸收池、耦合 器和光纖等的光損耗，以及偏振溶液使偏振光產生偏振角，由探測器探測光的強度隨著時 間不斷減小，通過實驗和理論分析可知光在光纖環形腔中傳輸時，光強I的分布規律為： M；：：..
... 式（3)中|β:為初始時刻光電探測器探測到的光強的99倍，I為t = d-i )了時光 電探測器探測到的光強理論值，fe為光在光纖中的傳輸速度，L為光纖環長度，T為光在衰 蕩腔中旋轉一周所用的時間，Θ為旋光溶液產生的旋光角。
[0014] 旋光溶液的濃度c與旋光角e的關系為：
其中C為溶液濃度，J表示透過旋光溶液的厚度，表示旋光率。通過分析衰蕩曲線 與旋光角θ的對應關系，最終可以測量出旋光溶液的濃度c。
[0015] 本發明通過光纖環形腔衰蕩結構，偏振的光信號經過旋光溶液產生旋光角，輸出 的光強發生改變，然后通過分析不同濃度的旋光溶液下相應的輸出光強衰蕩曲線，來測量 旋光溶液濃度，光纖環形腔衰蕩結構靈敏度高，測量結果免受光源強度起伏影響。
[0016] 以上顯示和描述了本發明的基本原理，主要特征和優點，在不脫離本發明精神和 范圍的前提下，本發明還有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明的 范圍。
【主權項】
1. 一種利用光纖環形腔衰蕩測量旋光溶液濃度的方法，其特征在于：沿光線傳輸方向 依次設有通過光纖相連的調幅激光器、起偏器、光纖環形腔、檢偏器和光電探測器，其中調 幅激光器通過線路與脈沖調制器相連，光電探測器通過線路與數字信號處理器相連，光纖 環形腔由第一光纖親合器、第二光纖親合器、保偏光纖和樣品吸收池構成，第一光纖親合器 與第二光纖耦合器之間設有并聯的光纖，其中一側的光纖斷面上設有空隙微腔并且在該空 隙微腔處設有樣品吸收池，另一側的光纖上設有保偏光纖，首先樣品吸收池內未加溶液時， 讓調幅激光器經起偏器和第一光纖耦合器進入光纖環形腔，再由第二光纖耦合器輸出，最 后通過檢偏器和光電探測器測出光纖衰蕩基準波形，然后讓光纖偏振信號經過不同濃度的 旋光溶液，由于調幅激光器在光纖環形腔中形成偏振光，當偏振光經過旋光溶液后產生旋 光角度，此時光信號經第二光纖耦合器一部分輸出并記錄，另一部分繼續返回光纖環形腔， 當光再次經過旋光溶液時會再次產生旋光偏轉，輸出光強也隨之變化，多次循環后，直到光 強信號衰減為零，由示波器實時觀察對應的衰蕩波形，觀察衰蕩波形的同時對輸出的模擬 信號經數字信號處理器進行參數采集、存儲并處理，當旋光溶液材料一定時，改變旋光溶液 濃度得到不同的衰蕩輸出曲線和采樣值，記錄不同種類旋光溶液不同濃度時的衰蕩輸出， 由此得到衰蕩系數與被測旋光溶液濃度的對應關系從而實現待測溶液濃度的測量。
【專利摘要】本發明公開了一種利用光纖環形腔衰蕩測量旋光溶液濃度的方法，首先衰蕩腔內未加溶液時，讓調幅激光器經起偏器和第一光纖耦合器進入光纖環形腔，再由第二光纖耦合器輸出，通過檢偏器和光電探測器測出光纖衰蕩基準波形。然后讓光纖偏振信號經過不同濃度的旋光溶液，當偏振光經過旋光溶液后產生旋光角度，此時光信號經光纖耦合器一部分輸出并記錄，另一部分繼續返回光纖環形腔，當光再次經過旋光溶液時會再次產生旋光偏轉，輸出光強也隨之變化，多次循環后，直到光強信號衰減為零，由示波器實時觀察對應的衰蕩波形。本發明靈敏度高，結構簡單，體積小巧，可以實現對多種類型尤其是低濃度旋光溶液的精確測量。
【IPC分類】G01N21/21
【公開號】CN105092481
【申請號】CN201510551637
【發明人】王芳, 楊琳琳, 王旭, 于坤, 孫云娟, 劉玉芳
【申請人】河南師范大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年9月2日