Устройство для измерения показателя преломления жидкостей

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 9) 01) 01 Н 21 43 уРррр п 5;,1 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ СВИДЕТЕЛЬСТ двтоеск(56) Нагибина И.М, Ии дифракция света. Мние, 1974, с. 104.Авторское свидетелУ 840711, кл. С 01 И Р 4 Е.Марасин,опов и Л.Ю, терференция Машиностро ьство СССР21/43, 1981 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного измерения показателя преломления и в особенности малых изменений показателяпреломления жидких сред. Цель изобретения - повышение точности измерений. В устройстве используется явление интерференции полей волноводных мод одной поляризации маломодового планарного оптического волновода. 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. Измеритель- Е ный и опорный каналы состоят иэ схемы последовательного опроса матрицы фотоприемников и узкополосного уси- С лителя. По сдвигу интерференционной картины, регистрируемой одномерными ф матрицами фотоприемников, можно судить о показателе преломления жидкости, контактирующей с поверхностью волновода.между одномерными матрица- Д ми фотоприемников. 2 з.п. ф-лы, 2 ил,1350563 Л= 9 /(и - и),20 25 30 35 40 50 55 Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольэовано для оператйвного измерения показателя преломления и, в асобенцости, малых изменений показателя преломления жидких сред.Целью изобретения является повышение точности измерений. На фиг.1 приведена схема устройства; на фиг.2 - статическая характеристика устройства.Устройство содержит полупроводниковый лазер 1, планарный диэлектрический волновод 2, волноводную линзу 3, измерительное 4 и опорное 5фотоприемные устройства, электронноеустройство 6 индикации, кювету сосредой, соприкасающейся на участке 7с волноводом. Устройство б индикациисодержит измерительный 8 и опорный 9каналы и фазометр 10. Измерительный8 и опорный 9 каналы содержат схемыпоследовательного опроса матриц фотоприемников 11 и узкополосные усилители 12. В устройстве имеется селектор 13 волновых мод и поглотитель14 мод подложки,Устройство работает следующим образом,Излучение полупроводникового лазера 1 одновременно возбуждает вдвухмодовом планарном диэлектрическомволноводе 2 обе моды низшего порядкаодной поляризации, например, ТЕ, иТЕ,Волновод может быть изготовленионообменной диффузией ионов калия вподложку из стекла К. В плоскостиволновода излучение коллимируетсяволноводной линзой 3. Вследствие интерференции волноводных мод наблюдающийСя на поверхности волновода трекпромодулирован по интенсивности ипредставляет собой последовательностьэквидистантных интерференционныхполос,Эта интерференционная картина регистрируется измерительным фотоприемным устройством 4, сигнал с которого поступает на электронное устройство 6 индикации,В зависимости от конструктивногоисполнения используемой матрицы фотоприемников она крепится к поверхности волновода либо с загерметизированным по периметру корпуса матрицы воздушным зазором (при использовании ПЗС типа А 1033), либо с зазором толщиной порядка 10 мкм эагполненным веществом (например, оптический клей), имеющим показатель преломления меньший, чем показатель преломления на поверхности волновода (при использовании матрицы типа мультискан), 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 где 9 - длина волны света в вакууме; и и и - эффективные показателисОи ипреломления интерферирующих волноводных мод в области под измерительным фотоприемным устройством. Эта интерференционная картина регистрируется измерительным фотоприемным устройством.Набеги фаз 1 О и 1 интерферирующих мод при прохождении по участку 7 волновода длиной 1, который непосредственно соприкасается со средой с показателем преломления п для О-й и 1-й мод соответственно равны2 Т- и 1Оо ф 27где п и п - эффективные показателио 1преломления интерферирующих мод на участке 7 волновода.Начальная разность фаэ интерферирующих мод 22 ГМноц=Чо Ж= - 1(п - и, )=-1(дп ) (2) определяет ,начальное положение интерференционной картины, регистрируемой измерительным фотоприемным устройством.При изменении показателя преломления среды на величину дп, соотвественно изменяются и эффективные показатели преломления интерферирующих мод на дп н дп, вследствие чего интерферирующие моды приобретают при прохождении участка волнозода 8 дополнительные набеги фаз Р, иВ, 1350563Дополнительная разность фаз интерферирующих мод Ь=.З - ЯЯ,= - 1(Ьп -Ьп,) =-,-18 п (3)27+ 2 Г определяет сдвиг интерференционной картины под измерительным фотоприемным устройством на величину Ьх в направлении распространения света, Если зависимость Зп" от Ьп . линейкаЬп = К 3 п, (4) где К - коэффициент, зависящий отпараметров используемого вол 20новода и определяемый прикалибровке,тогда, подставляя в (4) Ып иэ (3),получим Ьс(5) Учитывая, что 30 Ьх ЬЧ Ли 2 Т(7) Подставив в (7) Л из (1), по- лучим Ьп, = К(п,-п,")Ьх/1=Капьх/1. (8) Таким образом, при.изменении показателя преломления среды на дпЧ,интерференционная картина в областипод измерительным фотоприемным устройством сдвигается на расстояниеЬх, которое регистрируется с помощьюизмерительного фотоприемного устройства,Достижимая на практике относительная точность измерения линейногосдвига полосы составляет величинупорядка 2/10 = 10., В устройствеимеет место двухлучевая интерференция, т.еинтенсивность интерференционной картины меняется по косинусоидальному закону, Наиболее высокая точность измерения сдвига периодически изменяющихся величин ( 10 ) достигается при использовании фазовых методов, Так как крепление опорного фотоприемного устройства выполнено идентично с измерительным (одинаковы показатели преломления вещества, заполняющего зазор между матрицей фотоприемников и поверхностью волновода), то период интерференционной картины Л , регистрируемой им, будет равен Л , 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 показателя 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).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 и = 1,52 на подложку из стекла Кс и = 1,51, а изменения показателя преломления окружающей среды отсчитывались относительно показателя преломления толуола (и =1,497).Формула из обретения1, Устройство для измерения показателя преломления жидкостей, содержащее источник излучения и расположенные по ходу излучения планарный диэлектрический световод, установ 1350563ленный в контакте с кюветой для исследуемой жидкости, и измерительное фотоприемное устройство, соединенное с электронным устройством индикации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, световод выполнен в виде волновода, каналиэирующего две моды низшего порядка одной поляризации, а измерительное фотоприемное устройство выполнено в виде многоэлементной линейной матрицы фотоприемников и расположено на поверхности волновода после участка волновода, установленного 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 - ч а ю щ е е с я тем, что в него введено опорное фотоприемное устройство, выполненное в виде многоэлементной матрицы фотоприемников и расположенное на поверхности 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, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности работы, в устройство между источником излучения и опорным фотоприемным устройством введен селектор волноводныхмод..Му Подписно комии о ская роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 каз 5278/43 Тираж 776 ВНИИПИ Государственног по делам изобретении 113035, Москва, Ж, Рауш