光纤传感测量液体折射率的方法研究

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1、光纤传感测量液体折射率的方法研究　　摘要：根据菲涅耳公式，推导出了溶液折射率和线偏振光反射率的关系，分别测定不同待测溶液折射率下线偏振光p分量和s分量的反射率，并与理论结果进行比较。实验用阿贝折射仪测定不同浓度下Na2CO3溶液的折射率；立足于光纤传感系统，以棱镜为敏感元器件、光为测量媒介，在敏感角入射的情况下，采用光电探测器对偏振光信号进行探测，经光电变换后利用信号调理电路实现信号采集，模数转换后运用单片机实现信息的处理，测定不同浓度溶液的反射率，?c理论结果进行比较。结果表明，该方法在实时测量液体折射率的灵敏度、精度方面有较大改

2、善。　　关键词：光纤传感；菲涅耳公式；反射率；偏振光　　中图分类号：O436文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.10055630.2016.06.002　　Abstract：AccordingtotheFresnelformulas，therelationshipbetweentherefractiveindexofsolutionandthelinearpolarizedreflectanceisderived.Reflectanceoflinearlypolarizedpandscomponentsatdiffe

3、rentrefractiveindicesofsolutionisrespectivelymeasuredandcomparedwiththetheoreticaldata.TherefractiveindexofNa2CO3solutionwithdifferentconcentrationsismeasuredbyanAbberefractometer.Thedesignisbasedonthefiberopticsensingsystem.Prismisusedasasensitivecomponentandlightisam

4、easuringmedium.PolarizedlightsignalisdetectedwithaPINphotodiode.Afterthephotoelectricconversion，signalmodulationcircuitisusedtoachievesignalcollectionandsignalprocessing.Thereflectanceofsolutionwithdifferentconcentrationsismeasuredandcomparedwiththetheoreticalvalues.Th

5、eresultsshowthatthesensitivityandaccuracyinrealtimemeasurementofliquidrefractiveindexareimproved.　　Keywords：opticalfibersensing；Fresnelformulas；reflectance；polarizedlight　　引言　　折射率是衡量介质光学特性的重要参数，测量介质的折射率时，根据需要可以采用不同的测量方法，如最小偏向角法、衍射光栅法、掠面入射法、激光干涉法以及椭偏仪法等[1]。本文将介绍一种由半导体激光

6、器、光纤偏振光束分束器（PBS）、光纤准直器和传感探头构成的光纤传感系统[25]，以菲涅耳公式和反射率公式为基础，推导出了待测溶液的折射率与线偏振光反射率之间的关系[67]，并采用光纤分叉技术提高了实验的精度和可信度[810]。　　光学仪器第38卷　　第6期戴一帆，等：光纤传感测量液体折射率的方法研究　　1待测溶液折射率与线偏振光反射率的关系　　1.1菲涅耳公式　　菲涅耳公式是光波在两种介质界面上反射和折射时，入射光、反射光和折射光振幅之间的比例关系式。如图1所示，将入射光、反射光和折射光的电矢量振幅分解成两个互相垂直的分量，一个垂

7、直于入射面的电矢量为As，另一个平行于入射面的电矢量为Ap，因此分解为入射光As1和Ap1，反射光A′s1和A′p1，折射光As2和Ap2，且取As，Ap和光的传播方向三者构成右手螺旋关系，菲涅耳公式包括　　式（1）和式（2）表示反射光的2个电矢量振幅分量和入射光的2个对应分量之比；式（3）和式（4）表示折射光和入射光的2个对应振幅分量之比，振动方向的变化由正负号来决定。　　1.2溶液折射率与线偏振光反射率关系的推导　　一束线偏振光以敏感角（i1=62°）从K9玻璃（折射率n1=1.51432）入射到折射率为n2的待测液体表面，以i

8、1，i′1和i2分别表示入射角、反射角和折射角。用As1，A′s1，As2和Ap1，A′p1，Ap2分别表示入射光、反射光和折射光垂直于和平行于入射面的电矢量振动的振幅。Rs为垂直于入射面的振动在介质界面的反射率；Rp为平行于入射界面