用双液芯柱透镜测量蔗糖水溶液的液相扩散系数

基于双液芯柱透镜的折射率空间分辨测量精度高的特点,本文采用两种方法在室温(25℃)下分别测量了不同浓度的蔗糖水溶液的液相扩散系数。方法一:等折射率薄层移动法,通过记录扩散过程中特定折射率薄层随时间的变化关系计算液相扩散系数。方法二:瞬态图像分析法,通过读取一幅瞬态扩散图像中图像宽度与扩散位置之间的关系确定液相扩散系数。双液芯柱透镜的前液芯作为扩散池和主要成像元件,后液芯作为消球差辅助系统。充分利用了双液芯柱透镜可以按需减小特定液体薄层处的球差以及能够在一定的折射率范围内同时减小球差,两种方法均具有测量精度高的特点。两种方法的测量结果与文献值的相对误差分别小于1.3%和3.9%,表明用双液芯柱透镜测量液相扩散系数时,测量系统稳定可靠,测量结果准确。     

基于双液芯柱透镜测量液相扩散系数-等观察高度测量法

介绍了一种基于双液芯柱透镜(DLCL)测量液相扩散系数的方法-等观察高度测量法,该方法利用双液芯柱透镜的前液芯作为扩散池和主要成像元件,后液芯作为辅助消球差元件。选择双液芯柱透镜上某一固定高度作为观测位置,根据观测位置处扩散图像宽度随时间的变化规律,基于Fick第二定律计算液相扩散系数。用等观察高度测量法测得室温(25℃)下0.33mol/L氯化钾水溶液的扩散系数D=1.8530×10-5 cm2/s,测量结果与文献值之间的相对误差为0.65%。该方法利用双液芯柱透镜在一定折射率范围内减小球差的优势,使得测量液相扩散系数具有精度高(相对误差小于1%)、速度快(测量时间约为60min)和扩散过程可视化的特点。     

基于液芯柱透镜实现透明液体质量分数的测量

通过测量基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片的液芯柱透镜的后焦距,可实现液体折射率的快速测量;根据液体质量分数与折射率之间的良好线性关系,准确计算出待测透明液体的质量分数.搭建光学测量系统,以NaCl溶液和蔗糖溶液为例,构建了液体质量分数与液体折射率的关系模型,实现了溶液质量分数的测量,并对其测量不确定度进行了分析.基于PDMS基片的液芯柱透镜对注入其中的液体折射率的最小分辨能力优于0.000 2 RIU,质量分数测量不确定度可控制在0.12%以内.该测量方法适用于微量液体折射率及质量分数的测量.     

用液芯柱透镜测量液体折射率

制作了一种液芯变焦柱透镜并将其用于精确测量液体的折射率.在空心的柱透镜内注入待测折射率的液体,通过测量液芯透镜的焦距,根据焦距和折射率之间的关系,计算出液芯介质的折射率.此方法有效地提高了折射率测量的灵敏度,减小了测量系统的景深.选取×20倍显微物镜可实现液体折射率1.3～1.642范围内的精确测量,单次测量误差小于0.000 2.     

用液芯柱透镜快速测量液相扩散系数-折射率空间分布瞬态测量法

本文提出了一种快速测量液相扩散系数的方法, 该方法以液芯柱透镜作为液相扩散池和成像元件, 利用柱透镜成像过程中特有的折射率空间分辨测量能力, 只需记录一幅瞬态扩散图像, 根据图像的像宽与折射率的对应关系, 基于扩散定律快速计算出液相扩散系数. 实验研究了室温(25℃)下乙二醇和纯水间的扩散过程, 用折射率空间分布法测量了扩散系数, 和其他测量方法得到的结果进行了分析对比, 结果表明:用折射率空间分布法测量液相扩散系数具有数据采集耗时短(～20 ms)、测量速度快(<1 s)、精度高(相对误差<3%)和操作简单的特点, 为快速测定液相扩散系数提供了一种有效的新方法.     

用等浓度薄层移动法测量液相扩散系数

基于消球差液芯柱透镜特有的浓度空间分辨测量能力,并利用其较宽浓度范围可消除系统像差的特点,采用等浓度薄层移动测量法,在室温下测量了葡萄糖水溶液的液相扩散系数,同时研究了浓度薄层和初始扩散浓度的选取以及柱透镜的焦深对扩散系数测量结果的影响.等浓度薄层移动测量法具有装置和操作简单、扩散过程可视化等特点,是利用基础光学知识和基本光学元器件精确测量液相扩散系数的方法.     

用穆蒂剪切干涉仪测定单透镜的折射率

本文叙述测定单透镜折射率的一项创新的非破坏性技术。所提出的方法可以减小调焦误差和球差,比现有的方法优越。此外,完全不需要透镜的光度参数(如r_1,r_2),因为所推导出的透镜折射率公式与透镜的物理参数无关。剪切干涉技术是检测透镜焦面的灵敏手段。采用了经改进的测定焦距的准则,所以不需要两种易混合的液体或化合物。本技术采用众所熟知的液体浸没方法,并且穆蒂剪切干涉仪作为光学装置观察呈条纹状的散焦缺陷,因而很容易计算出散焦量。现已在理论上推导出了此误差方程式并经实验证明。此技术操作迅速,易于掌握。本文亦讨论了由于透镜孔径、象差、玻璃池壁厚、液柱等所产生的影响。对N种液体,有N(N-1)/2种计算透镜折射率的方法。由于这一性质,这一技术已被命名为测定透镜折射率的非破坏性的非混合液体浸没技术。     

连续变焦微型液体柱透镜系统的设计与制备

设计并制备了一种具有较大变倍比及较高成像质量的充液式连续变焦微型柱透镜系统。该系统由埋入聚二甲基硅氧烷基片的两片对称弯月柱透镜及一片双凸柱透镜构成：两弯月柱透镜边缘位置胶合形成空腔,改变注入其中的液体折射率,可实现柱透镜系统的连续变焦;双凸柱透镜的优化设计可控制柱透镜系统整个变焦范围内的像差。当柱透镜系统中注入的液体折射率由1.3330变化到1.5530时,可实现系统后焦距由52.292～4.972 mm的连续平滑变化。整个变焦范围内,柱透镜系统径向弥散斑均方根半径始终小于5μm,接近衍射极限。对柱透镜系统的可能公差进行了详细分析,证实了该设计的可行性,并完成了透镜系统的加工制备及后焦距、调制传递函数曲线的测量。该变焦系统具有变倍比高、体积小、结构简单稳定、成像质量高等优势,可用于集成化的微型设备中。     

基于PDMS基片的可变焦柱透镜

设计并制作了一种基于聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）基片的可变焦微型柱透镜。这种柱透镜主要由一根埋入PDMS基片中的玻璃毛细管构成,通过选择毛细管内液体的折射率实现变焦功能。液体折射率为1.451 8～1.550 2时,柱透镜焦距可由21.369 mm减小到3.362 mm,变焦倍数达到6.4倍。用散射光成像方法观察并拍摄了平行光通过这种可变焦柱透镜后的光线轨迹图;用ZEMAX光学设计软件摸拟了成像过程,模拟结果和实验图像相符;用高斯光学的逐次成像方法推导出了这种柱透镜的焦距公式,焦距的计算结果和实验以及模拟结果吻合。PDMS基片中可变焦微型柱透镜的成功制作,为＂芯片上的实验室＂提供了一种重要的光学成像元件。     

散焦光栅测量光束漂移的光路设计仿真

传统的光束漂移量测量系统利用近、远场测量设备分别测量光束的平漂量和角漂量,结构复杂、实时性低。散焦光栅焦平面处正、负一级衍射斑的位置变化可同时反映光束的平漂量和角漂量,为验证该理论、搭建简化的测量系统需要对光路设计进行仿真。基于散焦光栅的成像机理,利用Matlab软件构建了光束通过散焦光栅的成像模型,仿真结果与理论分析一致;最后对光栅和透镜等不同光路设计参数与最大漂移量测量幅值的关系进行了模拟。结果表明,在成像单元约1 cm2、短焦透镜焦距约12 cm的条件下,为实现漂移量测量精度和可测幅度的最大化,散焦光栅需要离轴15 mm,散焦光栅与短焦透镜的焦距比为6。