一种基于光延迟技术的介质折射率测量装置及其测量方法

摘要

本发明公开了一种基于光延迟技术的介质折射率测量装置及其测量方法，涉及光电技术领域，包括信号处理与控制模块、光发射模块和光接收模块；光发射模块经信号处理与控制模块控制发出某一确定波长的光信号，注入被测介质，光信号在被测介质内传输产生延迟，光接收模块接收延迟后的光信号，并将延迟后的光信号转换成电信号并放大后传输至信号处理与控制模块，信号处理与控制模块测量发射光信号和接收光信号的延迟时间，利用已知的被测介质长度，即可计算得到被测介质在某一确定波长的折射率。本发明回避了测量反射角或折射角获取折射率的复杂方法，采用测量光信号在介质中的传输延迟来得到折射率，降低了系统的复杂度，提高了效率，便于推广运用。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于光延迟技术的介质折射率测量装置及其测量方法。

背景技术

介质折射率的测量可分为透射型和反射型两类。

透射型是利用光线穿过被测介质的透射光的特性来计算得到介质的折射率。主要的方法是通过测量入射光线的入射角和折射光线的折射角，再利用折射定律（又称Snell定律）的公式计算得到。其特点是方法简单，易于实现；测量精度依赖于对入射角和折射角的精确测量，装置较为复杂；同时要求所测量的介质为光学透明介质，如水、玻璃、晶体等，对于浑浊介质（液体，如牛奶），透射光将受到散射和吸收影响，该方法是不适用的。

反射型是利用光线在介质界面处的反射特性，如反射率、偏振、相位、临界角等特征参数，来得到被测介质的折射率。临界角法是反射型的典型代表。根据折射定律，光线自光密介质入射到光疏介质时，折射角大于入射角，而且，随着入射角的增大，折射角将增大，当入射角增大到一定值时，折射角将增大到90度，即折射光将沿两介质界面折射，此时的入射角称为临界角。若入射角达到临界角后继续增大，光线将不再折射入光疏介质，而全部被界面反射回原光密介质，这种现象称为光的全反射现象。当光密介质折射率一定时，介质临界角由光疏介质折射率唯一确定。利用该方法设计的仪器，称为临界角折光计。这种测量方法原理简单，测量精确依赖于对角度的准确测量，装置较为复杂，可测量对象范围较广，可覆盖非透明、部分透明和透明等大部分介质，例如金属和牛奶等。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种基于光延迟技术的介质折射率测量装置及其测量方法，其旨在解决现有介质折射率的测量方法需要对光线角度进行测量的技术问题，而针对光线角度的测量系统较复杂，成本高、效率低。

本发明的工作原理：在信号处理与控制模块的控制下，电信号经光发射模块调制到光载波上，发射某一确定波长的光信号，并注入被测介质传输，延迟后的光信号到达光接收模块，完成光电转换、放大后电信号送到信息处理与控制模块，信号处理与控制模块测量发射光信号和接收光信号的延迟时间，再利用已知的被测介质长度，由此计算得到被测介质在某一确定波长处的折射率。例如当某一波长l₀的光信号在介质中传输将会产生延迟，其延迟时间用公式表示为：Δt= (L·n)/c，其中Δt为延迟时间，L为介质传输路径的长度，n为介质在波长l₀处的折射率，c为真空中的光速（为常数300000km/s）。由此可见通过准确的测量延迟时间、已知传输介质长度L，即可以计算得到传输介质在波长l₀处的折射率n，n=（c·Δt）/L。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于光延迟技术的介质折射率测量装置，其特征在于，包括信号处理与控制模块、光发射模块和光接收模块；所述信号处理与控制模块控制光发射模块发出确定波长的光信号，所述光信号注入被测介质，光信号在被测介质内传输产生延迟，延迟后的光信号传输至光接收模块，所述光接收模块将延迟后的光信号转换成电信号并放大后传输至信号处理与控制模块，信号处理与控制模块测量发射光信号和接收光信号的延迟时间，利用已知的被测介质长度，计算得到被测介质在某一确定波长的折射率。

所述光发射模块采用半导体激光器或固体激光器，能够发射某一确定波长的光信号，通过直接强度调制或间接强度调制，发射连续正弦波或脉冲光波信号，并注入被测介质。

所述光接收模块采用PIN或APD光电探测器，探测由被测介质传输延迟的光信号，其接收波长应与发射模块的波长匹配，并转换成电信号放大后输出，送达信号处理与控制模块。

所述被测介质为各种能够透过光信号的介质，如各种玻璃、各种晶体材料、石英光纤、朔料光纤等。

所述信号处理与控制模块采用高精度模拟和数字电路来产生和控制发射信号，并测量发射信号和接收信号的延迟时间，由此来计算折射率。

本发明提供的一种基于光延迟技术的介质折射率测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

①利用基于光延迟技术的介质折射率测量装置，首先测量已知折射率和长度的标准具（参数为n₁，L₁）的延迟时间，测得值为t₁；

②将标准具移去，置入被测介质（参数为n₂，L₂），并保持其他测试状态不变，再次测量延迟时间，测得值为t₂；

③计算被测介质引起光信号的附加延迟时间，附加延迟时间Δt= t₁–t₂；

④计算被测介质的折射率，由公式Δt= (n₁·L₁–n₂·L₂)/c ，计算得到被测介质的折射率为：n₂ =( n₁·L₁–c·Δt)/L₂；

所述标准具为已知折射率和长度的介质，或者为空气或真空形成的传输介质。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

一、光学系统简单、易行，将光学参数的测量转化为光电信号的测量，降低了测量系统地复杂度；

二、利用本发明提出的方法建立的装置成本低，易于推广应用；

三、所采用的测量方法和步骤，消除了电路系统的影响，提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于光延迟技术的介质折射率测量装置的结构示意图；

图2为测量石英光纤折射率的测量方案示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一种基于光延迟技术的介质折射率测量装置，如图1所示，包括信号处理与控制模块、光发射模块和光接收模块；所述信号处理与控制模块控制光发射模块发出确定波长的光信号，所述光信号注入被测介质，光信号在被测介质内传输产生延迟，延迟后的光信号传输至光接收模块，所述光接收模块将延迟后的光信号转换成电信号并放大后传输至信号处理与控制模块，信号处理与控制模块测量发射光信号和接收光信号的延迟时间，利用已知的被测介质长度，计算得到被测介质在某一确定波长的折射率。

实施例

所述光发射模块采用1.55μm半导体激光器，通过直接强度调制，发射脉冲光波信号。而被测介质由石英光纤构成。光接收模块采用1.55μm波段 PIN光电探测器、前置放大器和主放大器构成，探测经过被测石英光纤传输延迟的光信号，并转换成电信号放大后输出，送达信号处理与控制模块。信号处理与控制模块采用高精度模拟和数字电路来产生和控制发射信号，并测量发射信号和接收信号的延迟时间，再利用已知的被测石英光纤的长度，即可计算得到被测石英光纤在1.55μm的折射率。

采用如下步骤来准确测量光信号的延迟时间：

①利用基于光延迟技术的介质折射率测量装置，如图2所示，首先测量已知折射率和长度的的石英光纤（参数为n₁，L₁）的延迟时间，测得值为t₁；

②将标准具移去，置入被测光纤（参数为n₂，L₂），并保持其他测试状态不变，再次测量延迟时间，测得值为t₂；

③计算被测光纤引起光信号的附加延迟时间，附加延迟时间Δt= t₁–t₂。

④计算被测光纤的折射率，由公式Δt= (n₁·L₁–n₂·L₂)/c ，计算得到被测介质的折射率为：n₂ =( n₁·L₁–c·Δt)/L₂。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据发明构思所能够想到的等同技术手段。