PL B1. Sposób pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01N 21/45 ( ) G01N 9/24 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 02/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/18 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL (72) Twórca(y) wynalazku: MAŁGORZATA JĘDRZEJEWSKA-SZCZERSKA, Gdańsk, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Małgorzata Kluczyk PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy, dla różnych długości fali, zarówno światła widzialnego jak i bliskiej podczerwieni. Znany jest z opisu patentowego PL B1, refraktometr światłowodowy stosowany do pomiarów zmian współczynnika załamania światła i gazów w fizyce, medycynie i chemii. W rozwiązaniu tym do pomiaru współczynnika załamania światła wykorzystuje się zmiany fazy światła prowadzonego w jednomodowym światłowodzie. Światło prowadzone jest ze źródła do jednomodowego sprzęgacza, w którym rozdzielane jest na dwie wiązki biegnące w przeciwnych kierunkach w pętli światłowodowej przy czym głowicę czujnikową stanowi odcinek światłowodu jednomodowego z przewężeniem w kształcie dwóch stożków odwróconych względem siebie podstawami. Za pomocą nastawników polaryzacji ustawiane są różne stany polaryzacji wiązek światła na wejściu do głowicy czujnikowej. Zmiany faz wiązek są różne i zależne od współczynnika ośrodka otaczającego głowicę czujnikową. Znany jest także z opisu patentowego US 4,682,889 refraktometr do pomiaru współczynnika załamania cieczy dla danej temperatury, w którym kieruje się wiązkę światła na pryzmat. W związku z krzywizną powierzchni pryzmatu, kąt padania wiązki światła stopniowo wzrasta osiągając kąt krytyczny, przy którym promienie wiązki światła ulegają załamaniu. Kąt ten jest funkcją stosunku między współczynnikiem załamania cieczy i pryzmatu. Znany jest także z opisu patentowego US4,455,089 detektor współczynnika załamania i absorpcji cieczy, oparty na interferometrze Fabry-Perot. Monochromatyczna wiązka laserowa jest przepuszczana przez interferometr i kuwetę przepływową do detektora fotoelektrycznego, gdzie następuje pomiar zmian współczynnika załamania światła. Z dokumentacji zgłoszeniowej JPH A znany jest sposób pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy polegający na tym, że na badaną próbkę, za którą umieszczone jest srebrne zwierciadło, kieruje się światłowodem wiązkę światła szerokopasmową o krótkiej drodze koherencji, a następnie rejestruje się powstałą interferencję na granicach ośrodków światłowód badany materiał i badany materiał zwierciadło i uzyskany sygnał interferencyjny poddaje się detekcji w dziedzinie widma albo fazy i wyznacza się współczynnik załamania lub charakterystykę dyspersyjną w oparciu o widmo sygnału pomiarowego, które zależy od interferujących wiązek promieniowania. W wielu znanych rozwiązaniach wykorzystuje się optykę światłowodową, co umożliwia elastyczne sprzężenie aparatury pomiarowej. Zespół z Texas A&M University opracował układ pomiarowy, w którym wykorzystuje się kryształy fotoniczne, w tym płytki z mikrokanalikami, których działanie jest zbliżone do działania siatek Bragga. Układ zawiera także światłowód polarny, przez który promieniuje źródło szerokopasmowe. W metodzie poddaje się badaniu charakterystykę widmową sygnału na wyjściu, co jest zależne od współczynnika załamania płynu umieszczonego w kanalikach. Po dostrojeniu współczynnika załamania do długości fali następuje zanik sygnału, co widoczne jest w widmie sygnału na wyjściu, które pozwala na określenie długości fali cieczy w mikrokanalikach. Znany jest także sposób wykorzystujący zjawisko Dopplera, polegający na skierowaniu dwóch wiązek laserowych o różnych długościach fali na rozpylony roztwór glukozy. Współczynnik załamania wyznacza się z zależności pomiędzy współczynnikiem a przesunięciem fazowym rejestrowanej fali w odbiorniku układu. Sposób pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy polegający na generowaniu interferencji fal świetlnych odbitych na granicy dwóch ośrodków z udziałem badanej próbki, rejestracji powstałej interferencji a następnie jej detekcji, według wynalazku charakteryzuje się tym, że na badaną próbkę za którą umieszczone jest srebrne zwierciadło kieruje się światłowodem wiązkę światła szerokopasmową o krótkiej drodze koherencji a następnie rejestruje się powstałą interferencję na granicach ośrodków światłowód badany materiał i badany materiał zwierciadło i uzyskany sygnał interferencyjny poddaje się detekcji w dziedzinie widma albo fazy i wyznacza się współczynnik załamania i/lub charakterystykę dyspersyjną w oparciu o widmo sygnału pomiarowego, które zależy od interferujących wiązek promieniowania. Korzystnie, wykonuje się serię pomiarów przy zastosowaniu diod super luminescencyjnych o środkowych długościach fali, odpowiadającym długościom fali, dla jakich ma zostać wyznaczony współczynnik załamania.

3 PL B1 3 Sposób według wynalazku oparty na interferencji niskokoherentnej, daje wysoką czułość i rozdzielczość intereferometrii klasycznej z możliwością określenia położenia prążka zerowego rzędu odpowiadającego zerowej różnicy dróg optycznych w interferometrze, a dzięki temu także możliwość pomiaru absolutnych wartości wielkości mierzonych. Na pomiar nie mają wpływu zanieczyszczenia, czy też gazy mogące znajdować się pomiędzy detektorem a badanym ciałem. Wynalazek pozwala na pomiar współczynnika załamania cieczy w szerokim zakresie długości fal, a zastosowanie światłowodów umożliwia automatyzację pomiarów. Sposób pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy według wynalazku został bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, na którym: fig. 1 przedstawia przykładowy schemat zestawu pomiarowego do realizacji sposobu według wynalazku, fig. 2 przedstawia interferogram układu niskokoherencyjnego w przypadku użycia spektrometru jako procesora sygnałowego dla różnych wartości różnicy dróg optycznych i, fig. 3 przedstawia interferogram układu niskokoherencyjnego w przypadku użycia interferometru skanującego jako procesora sygnałowego, fig. 4 przedstawia wyniki pomiaru współczynnika załamania w oparciu o przetwarzanie sygnałów w dziedzinie widma, a fig. 5 przedstawia zmierzone zmiany współczynnika załamania światła wodnego roztworu cukru w zależności od stężenia cukru w roztworze z przetwarzaniem sygnału w dziedzinie fazy. Promieniowanie optyczne z szerokopasmowego źródła światła 1 o krótkiej drodze koherencji (niskokoherencyjnego), w szczególności diody super luminescencyjnej, kierowane jest przez sprzęgacz optyczny 2 i odcinek światłowodu 3 telekomunikacyjnego do interferometru czujnikowego 4, w którym generowany jest sygnał interferencyjny (fig. 1). Sygnał ten kierowany jest zwrotnie poprzez sprzęgacz 2 do procesora optycznego 5, gdzie jest przetwarzany i rejestrowany. Zarejestrowany sygnał zawiera informację o różnicy dróg optycznych interferujących wiązek promieniowania, co pozwala na określenie wartości wielkości mierzonej. W przypadku przetwarzania sygnałów w dziedzinie widma zmiana różnicy dróg optycznych interferujących wiązek promieniowania obserwowana jest w widmie optycznym, rejestrowanym w analizatorze widma lub spektrometrze. W analizie tej informacja o wartości mierzonej wielkości zawarta jest w częstotliwości modulacji sygnału optycznego, przy czym zmiana różnicy dróg optycznych powoduje modulację częstotliwości widma transmitowanego sygnału, co przedstawiono na fig. 2. Sygnał pomiarowy analizowany w dziedzinie widma można przedstawić w postaci: I(v) = S 0 (v)[1 + V cos( φ(v))] gdzie: S 0(v) charakterystyka widmowa źródła, V kontrastu widma sygnału pomiarowego, (v) różnica faz interferujących wiązek promieniowania: Δϕ(v) = 2πvδ ; c różnica dróg optycznych interferujących wiązek; v częstotliwość optyczna; c prędkość światła w próżni. Przy zerowej różnicy dróg optycznych interferujących wiązek ( = 0) nie występuje modulacja widmowa, interferometr jest optycznie przezroczysty. Modulacja pojawia się, gdy różnica dróg optycznych interferujących wiązek przyjmuje wartość 1 ( 1 > 0) i wzrasta wraz ze wzrostem wartości. Odległość między sąsiednimi wartościami szczytowymi jest odwrotnie proporcjonalna do, więc ze wzrostem maksima zagęszczają się, co szczególnie jest widoczne w przypadku analizy transmisji interferometru. W analizie tej poprzez pomiar zmian liczby maksimów w widmie sygnału pomiarowego i/lub odległości między sąsiednimi maksimami można uzyskać informację na temat wartości wielkości mierzonej, np. współczynnika załamania badanego materiału. W przypadku przetwarzania sygnałów w dziedzinie fazy, rolę procesora optycznego pełni drugi interferometr. Kompensuje on różnicę dróg optycznych interferometru czujnikowego. W przypadku, gdy

4 4 PL B1 sumaryczna różnica dróg optycznych obu interferometrów jest mniejsza od drogi koherencji źródła możliwe jest odzyskanie informacji o mierzonej wielkości, w szczególności współczynniku załamania materiału. Sygnał z niskokoherencyjnego układu pomiarowego z analizą sygnału w dziedzinie fazy można przedstawić w uproszczonej postaci: I( 1, 2) = I 0 {1 + V ( 1 2) cos ( ( 1 2))} gdzie: 1, 2 różnica dróg optycznych pierwszego (czujnikowego) i drugiego (odbiorczego) interferometru; I 0 natężenie sygnału optycznego źródła; V kontrast; liczba falowa. Zmiana różnicy drogi optycznej w interferometrze pomiarowym określana jest poprzez analizę sygnału optycznego na wyjściu interferometru skanującego (fig. 3). W przypadku, gdy różnica różnic dróg optycznych obu interferometrów ( 1 2) przekroczy długość koherencji źródła prążki interferencyjne zanikają. W przetwarzaniu sygnału w dziedzinie fazy informację o wielkości mierzonej uzyskuje się poprzez określenie położenia centralnego prążka interferencyjnego w tzw. interferogramie zerowego rzędu, gdyż prążek ten odpowiada zerowej wartości różnicy dróg optycznych obu interferometrów. Położenie tego prążka określa wartości wielkości mierzonej. Podczas pomiaru współczynnika załamania szerokość wnęki głowicy pomiarowej (kapilary światłowodowej) pozostaje stała. Zanurzenie głowicy w badanym ośrodku powoduje, że badany roztwór przez otwór w kapilarze dostaje się do wnęki rezonansowej interferometru i zmienia jego współczynnik załamania. Wpływa w ten sposób na zmianę różnicy dróg optycznych w interferometrze czujnikowym. Zmiana różnicy dróg optycznych i wynikająca z niej zmiana sygnału interferencyjnego wynika wyłącznie ze zmiany współczynnika załamania ośrodka, co pozwala na określenie jego wartości. W celu dokonania pomiaru charakterystyki dyspersyjnej, czyli zależności współczynnika załamania od długości fali, wykonuje się serię pomiarów przy zastosowaniu diod super luminescencyjnych o środkowych długościach fali, odpowiadającym długościom fali, dla jakich ma zostać wyznaczony współczynnik załamania. Przy braku diody o określonej długości fali istnieje możliwość wykonania pomiaru dla przynajmniej trzech innych długości fali i aproksymacja zależności dyspersyjnej n( ) za pomocą wielomianu. Parametry źródeł niskokoherencyjnych wykorzystywanych w układach pomiarowych mają decydujący wpływ na parametry metrologiczne takiego układu w szczególności szerokość charakterystyki widmowej źródła ma bezpośredni wpływ na rozdzielczość pomiaru, jak również na poziom szumów w układzie poprzez wpływ na optyczny szum natężeniowy. Z tego powodu ich dobór jest problemem krytycznym przy realizacji niskokoherencyjnego układu pomiarowego. W zrealizowanych układach pomiarowych dla zastosowania sposobu według wynalazku wykorzystywano źródła typu SLD firmy Superlum Diodes: SLD-381-MP-DIL-SM-PD: 0 = 810 nm, = 19,42 nm; SLD-481-MP3-DIL-SM-PD: 0 = 970 nm,, = 36,44 nm; Broadlighter SLD S-1300-G-I-20: 0 = 1290 nm, = 50 nm; Broadlighter SLD S-1550-G-I-10: 0 = 1550 nm, = 45 nm. Pomiary współczynnika załamania wykonano z wykorzystaniem do wzorcowych roztworów badanych między innymi woda-cukier i woda-glukoza, których parametry referencyjne określono na podstawie pomiarów refraktometrem Abbego i literatury przedmiotu. Pomiary realizowano za pomocą diody 0 = 1550 nm dla wodnych roztworów glukozy. Wyniki przedstawione na fig. 4, wskazują na poprawne działanie systemu i prawie liniową charakterystykę zmian. Pomiary z przetwarzaniem sygnału w dziedzinie fazy przeprowadzono przy wykorzystaniu specjalnie zaprojektowanego źródła syntezowanego, co pozwoliło na obniżenie minimalnego wymaganego do poprawnej identyfikacji centralnego prążka stosunku sygnału do szumu układu (fig. 5). Analizując ten wykres, można zauważyć praktycznie liniową charakterystykę zmian współczynnika załamania w zależności od stężenia cukru w roztworze wodnym, zgodną z danymi literaturowymi. Ponadto wykonano pomiary weryfikujące przydatność sposobu według wynalazku dla grupy substancji chemicznych o znanych współczynnikach załamania: alkohol metylowy, propanon (aceton),

5 PL B1 5 kwas etanowy (octowy), alkohol etylowy, alkohol butylowy, glikol etylenowy, cykloheksan, glicerol, salicylan metylu. Stwierdzono, że sposób pomiaru według wynalazku pozwala na pomiar współczynnika załamania cieczy w szerokim zakresie długości fali. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy polegający na generowaniu interferencji fal świetlnych odbitych na granicy dwóch ośrodków z udziałem badanej próbki, rejestracji powstałej interferencji a następnie jej detekcji, znamienny tym, że na badaną próbkę za którą umieszczone jest srebrne zwierciadło kieruje się światłowodem wiązkę światła szerokopasmową o krótkiej drodze koherencji a następnie rejestruje się powstałą interferencję na granicach ośrodków światłowód badany materiał i badany materiał zwierciadło i uzyskany sygnał interferencyjny poddaje się detekcji w dziedzinie widma albo fazy i wyznacza się współczynnik załamania i/lub charakterystykę dyspersyjną w oparciu o widmo sygnału pomiarowego, które zależy od interferujących wiązek promieniowania. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wykonuje się serię pomiarów przy zastosowaniu diod super luminescencyjnych o środkowych długościach fali, odpowiadającym długościom fali, dla jakich ma zostać wyznaczony współczynnik załamania.

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)