一种基于表面等离子共振的液体折射率测量系统

折射率是反映物质信息的重要物理量,在化学、生物、医药等领域中,经常需要将样品制成低浓度溶液进行化学或物理反应,通过对其折射率微小变化的检测来测定样品的各种性质及参数。为此,提出了一种利用表面等离子体共振传感原理测量液体介质折射率的激光相位测量方法,采用Kretschmann结构并建立模型。理论分析表明,在1.333~1.336的折射率变化范围内,反射光p、s分量相位差的变化与折射率变化呈近似线性关系,并由此得到测量公式。设计并搭建了基于双频激光外差干涉光路的折射率测量系统,系统具有良好的共光路结构,抗干扰能力强,信号处理采用相位调制方法,光路结构简单,测量精度较高。通过甘油溶液折射率测量实验表明其与理论分析结果一致,且与其他方法的结果吻合,两者的相互误差小于2.0×10-5。该方法可广泛应用于生物检测、化学分析、环境污染研究、医学诊断、食品卫生检测等领域。     

基于LabVIEW的表面等离激元共振测量液体折射率

利用LabVIEW编写硬件控制软件,搭建了基于表面等离激元共振原理的光强探测型液体折射率测量实验平台.实验测量纯水和纯酒精的表面等离激元共振的共振角分别与理论计算数据相吻合,证明该系统测量的共振角数值能正确地反映液体折射率的变化.利用该系统测量了不同浓度的酒精-水混合液的折射率.     

折射率调制脉冲射线探测技术原理验证

为验证折射率调制的脉冲射线束探测技术,建立了原理验证系统。该系统基于平行平板干涉原理,测量传感介质的折射率在射线激发下的瞬时变化。传感介质为GaAs,探针光为1310nm单模激光,外界激发射线源平均能量为300keV,脉宽为20ns。使用带宽775kHz的近红外InGaAs光电探测器,观测到了GaAs晶体在脉冲射线激发下的折射率变化。初步理论分析表明,射线脉冲在GaAs中产生的非平衡载流子浓度为1014 cm-3量级,折射率变化为10-6量级。折射率变化的实验结果与理论计算在量级上是符合的。实验结果表明,基于折射率调制的脉冲射线束探测技术基本可行,利用该系统可进一步发展高时间分辨的脉冲射线束探测技术。     

菌紫质薄膜光致折射率变化的理论计算和实验测量

基因改性细菌视紫红质BR-D96N由于M态寿命的延长而具有显著的光致变色特性.根据Kramers-Kronig变换关系,样品吸收光谱的变化会引起样品折射率的变化.本文首先从实验上测量了BR-D96N薄膜样品在光激发前后的吸收光谱,然后根据Kramers-Kronig变换关系,理论计算了对应此光致变色光谱变化的光致折射率变化光谱.实验上为了直接测量样品的光致折射率变化,采用Michelson干涉方法测量BR-D96N薄膜在不同探测波长下的光致折射率变化量,并与理论计算曲线进行了比较.     

大穿透深度折射率传感器对活细胞药物敏感性的研究

针对现有表面等离子激元折射率传感器纵向探测深度小、探测范围无法覆盖整个细胞厚度的问题,提出一种大探测深度、高灵敏度的活细胞折射率实时测量方法,并利用该方法开展了药物敏感性的实验研究。基于偏振选择吸收效应,设计并搭建了全内反射条件下的石墨烯折射率传感系统,进行了不同质量分数氯化钠溶液折射率的测量,结果表明系统具有9.5×10~6 mV/RIU的灵敏度和5.5×10~(-7) RIU的分辨率;利用该系统开展了活细胞药物敏感性的实验研究,分别研究了顺铂和紫杉醇作用于Ramos细胞和Jeko-1细胞时生物演化过程中细胞折射率的实时变化规律,验证了折射率变化与其药性机理作用的一致性。     

探测大气湍流的光强闪烁激光雷达

基于残余光强闪烁理论,分析了与大气湍流探测有关的激光雷达各项硬件参数并获得参数的优化范围,据此研制了一台用于大气湍流探测的光强闪烁激光雷达。背景基线、线性特征等性能测试表明,激光雷达各硬件工作正常,数据获取可靠。实验测量中获得了水平方向上闪烁指数和大气折射率结构常数随探测距离和时间的变化趋势,其中闪烁指数在450~2000 m探测距离范围内由0.001逐渐增大至0.350左右;大气折射率结构常数基本保持水平均匀性,在1.010-16~1.010-15m-2/3范围之内;大气折射率结构常数在10:00~21:00时间内大致呈现上午上升、下午下降、晚上上升的变化趋势,具有较明显的日变化特征。实验结果与理论和常规测量较为相符,表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流的探测距离变化和日变化特征信息。     

基于非完整表面缺陷模式的一维光子晶体高分辨率折射率传感器

介绍了一种新型一维光子晶体非完整表面缺陷模式折射率传感器的原理及方法,并构建了高分辨率、高Q值传感器探测实验系统,利用二甲基砜溶液验证了这种传感器.实验结果表明,该折射率传感器的灵敏度为3 025 nm·RIU-1(Refractive index LJnit),当光谱仪的分辨率为0.01 mn时,传感器的分辨率为3.3×10-6RIU.该传感器的Q值为260,并且在1.4～1.42范围内具有良好的线性度(线性度为0.991 27).文章分析了传感器Q值与光子晶体周期数及被探测液体厚度之间的关系.理论和实验证明这种全反射型光子晶体表面波传感器具有与SPR相似的无标、实时生物检测的特点且可获得更高的探测灵敏度、Q值和分辨率.     

基于导模共振效应的自支撑超灵敏生物探测器

基于多层平面波导理论,采用自支撑共振光栅,提出了一种应用于生物探测领域的超高准确度传感器,理论计算表明,本文提出的生物传感器,其探测准确度于共振光栅的周期成正比,接近基于共振效应传感器的理论极限,采用单层共振光栅的归一化色散方程,计算了色散曲线随探测介质折射率的变化关系,从而证明了其探测准确度,此外,基于此共振光栅结构,设计了工作在近红外和中红外波段的生物探测器,分别应用于液体(1.3～1.7)和气体探测,折射率的分辨能力在近红外波段可以达到1×10-5,在红外波段优于1×10-6,能满足绝大多数生物材料的探测.相比于传统的基于导模共振效应的共振传感器,本文提出的生物传感器,其探测准确度有一至两个数量级的提高.     

基于光学外差干涉的折射率测量方法

基于光学折射率是材料的一个重要的物理参数,提出了一种在泰曼格林干涉系统基础上的光学外差干涉折射率测量方法及系统。测量系统将样品放置在系统外,采用双光束干涉探测,使系统更加稳定、调整简单、测量更加精准。实验上测量了K9玻璃块样品在超连续激光光源中心波长790nm、带宽20nm下的折射率,验证了方法的有效性和可靠性。实验结果表明,系统能够准确测量出样品的折射率,测量稳定性较高,精度可以达到10-4;适用于可见光和近红外波段透明物质的折射率测量,应用领域广泛。     

石英玻璃紫外波段折射率测量

 折射率是光学材料基本参数之一,采用直角照射法折射率测量原理,以光电瞄准法紫外光信号探测、气浮轴承构成精密测角仪角度精确测量、锁相放大器微弱信号检测、软件分析角度值与光强度变化的数据处理模型、计算机自动控制等手段,完成了一套光学材料紫外波段折射率测量仪,实现了光学石英玻璃紫外波段折射率自动测量,并实际测量得到了250 nm~450 nm波长下光学石英玻璃的折射率值。     

渐变折射率波导表面折射率的确定

单调变化的渐变折射率波导的表面折射率大于波导基模的有效折射率,因而不能用传统的m-线方法测量。利用分析转移矩阵(ATM)方法研究了渐变折射率波导中的表面等离子波,提出了一种确定波导近表面折射率的实验技术,在波导折射率分布的拟合中,得到了比传统逆WKB方法更为合理的结果。     

模拟实验研究最小偏向角的规律

用分光计测量三棱镜折射率是一个间接测量实验,通过测量三棱镜的顶角和最小偏向角来计算获得折射率．本文通过编译程序模拟实验,描绘出偏向角随入射角、折射率变化的规律,进一步研究了最小偏向角与折射率间的对应关系．     

一种新型温度自补偿高灵敏度折射率计

基于高频CO2激光脉冲写入的新型超长周期光纤光栅(ULPFG),提出了一种可实现温度自补偿的新型高灵敏度折射率计。理论与实验表明,新型超长周期光纤光栅不同闪耀阶次谐振峰对外界折射率与温度变化的灵敏度各自不同,特别的是,该光栅存在对外界折变不敏感的谐振峰,测量中除了可以利用该峰实现温度同时测量外,还可以补偿另一个测量折变的谐振峰因温度变化带来的测量误差。该折射率计具有制作简单、成本低、强度好,灵敏度高等优点,当外界折射率在1.43~1.45范围内变化时,其折射率测量灵敏度可达每单位折射率240 nm,在实际工业应用中具有较大的潜在实用价值。     

高折射玻璃微珠粒径与折射率关系的研究

利用激光照射高折射率玻璃微珠下形成的二次彩虹现象,以艾里的虹理论为基础对玻璃微珠折射率进行了测量。推导了玻璃微珠尺寸对折射率影响的计算公式,表明半径差异在10μm时,折射率的测量误差为10^-3数量级。此外,通过软件模拟计算玻璃微珠的二次彩虹现象,并对微珠的折射率进行了测量,验证了二次彩虹方法的正确性,同时也表明玻璃微...     

掺半导体玻璃(SDG)波导非线性饱和的导波测量方法

掺半导体玻璃波导的折射率分布是通过多模波导有效折射率测量得到的.当耦合进入波导的激光功率密度变化时,可在不同模深度处,测量到波导的非线性折射率系数,并获得波导非线性折射率系数与功率密度的关系.从而得到波导的非线性饱和值为1.54×10-4.     

Study on measurement of refractive index profile of GI-POF by light scattering

This paper is devoted to the study on measurement of refractive index profile of graded-index polymer optical fiber (GI-POF) by light scattering. Using Generalized Airy theory and Debye series of an inhomogeneous cylinder, the scattering intensity distributions are obtained of Airy structure of rainbows for different refractive index profile. The results show that positions of Airy peaks depend closely on refractive index profile of GI-POF. Since each order of rainbow penetrates it to different depths, such methods could be used to provide information of the refractive index profile of GI-POF. For GI-POF with given diameter, positions of Airy peaks of rainbows are simulated as a function of refractive index profile, which can be used to inverse unknown parameters of refractive index profile. The least square method is used in inversion of refractive index profile with the given refractive index of the cladding. The results obtained agree with theoretical values with high precision. The method has the advantages of non-instructive and on-line measurement, and can be used for the measurement of other inhomogeneous droplets.     

Investigation on an evanescent wave fiber-optic absorption sensor based on fiber loop cavity ring-down spectroscopy

An improved ring-down measurement principle for optical waveguides is presented. Fiber loop ring-down spectroscopy allows for measurement of minute optical losses in high-finesse fiber-optic cavities and immunity to the fluctuation of laser source. The evanescent wave absorption losses dependent on the absorption and the refractive index of ambient solution have been theoretically analyzed. The complex refractive index is introduced into our model and extinction coefficient can be calculated accurately through finite element analysis by setting the boundaries of the fiber and the ambient conditions. Using this method, the refractive index of environment can be taken into consideration. Our principle is validated by the highly-sensitive measurement of evanescent wave absorption loss. By chemically processing the surface of sensing segment along an extending ring-down cavity, the concentration of small volume Diethyl Sulphoxide solution where the etched fiber immersed into has been successfully measured and discussed.     

Measurement of air refractive index based on surface plasmon resonance and phase detection

A method for refractive index of air measurement is presented based on surface plasmon resonance (SPR) and phase detection using a dual-frequency laser interferometer. Theoretical analyses indicate that the phase-difference variation of the measurement signal versus the reference signal is linear with refractive index of air (RIA) fluctuation, and the calculation formula of RIA is derived. The structure design of the self-adaptive SPR sensor greatly reduces the measurement error resulting from the incident angle shift and improves the sensitivity. The experiments show that measurement uncertainty of 10(-6) order has been achieved when phase detection precision is 0.1°. The phenomenon of sudden phase variation during air pumping and air filling, which is caused by temperature fluctuation, is discussed.     

量子真空计量标准中的非极性稀薄气体折射率测量研究

为进一步提高真空量值的复现性和准确性,最新研究采用量子技术实现对真空量值的测量与表征.该方法利用Fabry-Perot谐振腔实现腔内气体折射率的精密测量,并反演出气体密度,进而获得对应的真空量值,其中气体折射率的测量是影响真空量值准确性的关键.本文基于第一性原理,利用从头计算理论计算了在已知压力和温度条件下的氦气折射率,给出腔内气体压力与折射率关系的表达式,并利用基于Fabry-Perot激光谐振腔的真空测量装置,通过双腔谐振激光拍频精确测量了充气前后谐振激光频率的变化,测出了氦气折射率,并分析了测量不确定度.将理论计算值与实验测量值进行了对比分析,得出了制约准确度提高的主要因素,并提出了修正方法.     

Measurement of refractive index homogeneity of parallel optical component

In this paper, we present a method for enhancing the measurement capability of refractive index homogeneity for parallel optical components, which phase-shifting interferometry cannot handle with. With the help of wavelength-modulation phase-shifting interferometry, a series of multiple-surface interference fringes are obtained and analyzed by Fourier transform. Based on the fact that the interference fringe corresponding to each interference cavity has its own variation frequency, the wavefront aberrations induced by each interference cavity are obtained and the refractive index homogeneity is then obtained. It is proved by experiment that the enhanced method can measure the refractive index homogeneity of parallel optical components more accurately and conveniently compared with the traditional measurement approach. Therefore, it will have potential application forwards in optical measurement field.