[發明專利]一種液體折射率測量方法

有效

• 申請號: 201811654139.2
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109709072B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 牛海莎;祝連慶;何巍;宋言明;董明利;婁小平;劉鋒
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 北京科名專利代理有限公司 11468
• 代理人: 陳朝陽

1.一種液體折射率測量方法，其特征在于，包括如下步驟：1)首先建立單光路雙重外腔激光回饋效應的理論模型，并分析折射率在設定范圍內的雙重外腔回饋激光功率調諧曲線；

單光路雙重外腔激光回饋效應的理論模型的具體內容為：

以反射率分別為r₁、r₂的高反鏡M₁、M₂構成激光器的諧振腔，腔長為L；待測液體的上表面S₁反射率為r_s,液體底部反射鏡S₂的反射率為r_u；激光器的出射光分別被S₁和S₂沿原路反射回諧振腔內，構成單光路雙重外腔激光回饋效應的理論模型，雙重外腔的腔長分別為d₁和d₂；

折射率在設定范圍內的雙重外腔回饋激光功率調諧曲線的分析過程為：

設待測液體的折射率設為n_x，反射鏡S₂的折射率為n₂,空氣折射率為n_a，根據菲涅爾定律，液面反射率、液底反射率分別為

根據激光自洽條件，光波在諧振腔內往返一周后需要有相同的相位和幅值才能激發，該條件同樣適用于激光回饋系統，理論推導得雙重回饋光引起的激光光強相對變化量為

由式(1)可知，雙外腔的長度變化都將引起激光功率的波動，波動周期均為為λ/2，假設液面以速度v(t)升高x(t)時，光強的變化可以改寫為

I(t)＝acos[2k(d₁+△L₁(t))]+bcos[2k(d₂+△L₂(t)],a＝A'/ln|r₁r₂|,b＝B'/ln|r₁r₂| (3)

其中，

根據波動頻率和速度的關系得到

由式(5)可見，光程變化比值等于所引起的光強波動頻率的比值，且在液面升高的過程中為一常數，計算過程中消掉了波長系數，因此激光器的波長漂移不影響最終結果；

2)搭建單光源雙外腔回饋系統，再將一束激光同時入射液體表面和液體底部，并使液體外表面和液體底部的反射光沿原路返回激光諧振腔，構成單光源雙外腔回饋系統；

單光源雙外腔回饋系統具體為：

以自來水為樣品搭建雙重回饋系統，在腔鏡M₂上固定鋯鈦酸鉛壓電陶瓷PZT₁，用以微調諧振腔使激光器維持在單縱模狀態；通過水平儀調整光源，使出射光束平行于光學平臺；在光學平臺上靜止時，容器C₂水面在重力作用下平行于光學平臺；輸出光經光束擴展器擴束后，由平面反射鏡M₃反射，垂直入射水面；待測液體通過輸液器從容器C₁注入容器C₂中；

之后，在容器底部放置將底面反射鏡作為外腔d₂的反射面，其與激光器、液體表面一起構成單光源雙重外腔回饋系統；容器去掉反射鏡M₅容器為單外腔狀態，外腔d₂由于底面散射無法產生回饋光，此時回饋系統僅有液體表面反射回到諧振腔內的光；

3)當入射液體表面升高時，液面高度變化和液面底部光程變化引起的自混合干涉信號疊加在激光器的光強調諧曲線上，通過解調波動曲線頻率以獲得待測液體的折射率。

2.根據權利要求1所述一種液體折射率測量方法，其特征在于，步驟3)，打開輸液器的控制閥，調整灌滴速度，得到的單外腔回饋曲線。

3.根據權利要求1所述一種液體折射率測量方法，其特征在于，盛放水的容器C₂底面為磨砂玻璃，底面反射鏡M₅為K9玻璃。

4.根據權利要求1所述一種液體折射率測量方法，其特征在于，光源為波長632.8nm的半外腔氦氖激光器，輸出單縱模、線偏振光。