CN111537414A - 一种液体光学腔增强测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体光学腔增强测量系统，包括光源模块、光腔模块、探测模块三个部分：光源模块是可切换的单色光源或白光光源经过准直透镜以及滤波片后调制的光；光腔模块是两个平凹高反镜组成的平行腔用于让光在腔内多次反射提高光程，高反镜之间的距离可通过位移台调控；探测模块是雪崩光电二极管和高精度的光栅光谱仪。应用光学腔增强光路结构，建立吸收系数计算模型，用单色光入射系统进而可以检测含杂质的溶液，不同的单色波长光源用于检测不同颗粒大小的物质浓度，构成了多波长检测的应用。当用一定波段范围的非相干宽带光源入射系统时构成了IBBCEAS系统还可以测量液体中微量因子的吸收谱，从而得到更多的信息。本发明具备较高的灵敏性，可用于商业化妆品中浑浊度检测、水体中藻类等样品检测、成分分析等应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种液体光学腔增强测量系统。
背景技术
液体光学腔增强技术可用于液体以及浊液中的浓度测量以及成分分析，在单色光照射下，液体中的一些物质的颗粒以及水分子对光进行吸收和散射，光在高反腔内多次反射增大了探测的光程，也增大了吸收和散射的效应。根据米氏散射的定理，不同的粒径大小的颗粒对光的散射强度不一样，所以针对液体中的颗粒粒径大小不同可以更换不同单色光源，便于测量不同物质的浓度大小。在一定带宽范围的宽带光源照射下，液体中的颗粒物质会对光选择性吸收，探测模块可获得液体物质的吸收谱，从而分析物质的性质。目前还没有相关的设备系统，能同时测量液体中物质的浓度和吸收谱性质。
腔增强技术是利用两个平凹高反镜组成的高反腔，光在腔内多次反射，增大吸收与散射，使得探测信号变得更加明显，腔增强技术大多用于气体测量，探测微量气体的浓度以及吸收谱，将腔增强技术用于液体的物质的测量，不仅弥补了当下测量液体物质的高昂成本的缺陷，还增加了腔增强技术的应用范围。
随着光学腔增强技术的发展，测量低浓度的物质技术越来越成熟，但是目前的一些测量设备一般都不易移动且价格不菲，本发明不仅测量精度高而且便携式，便于携带用于实地的测量。
发明内容
为了提高测量的精度和灵敏度，本发明的目的是提供一种液体光学腔增强技术。
一种液体光学腔增强系统，包括光源模块、光腔模块、探测模块三个部分：光源模块是可切换的单色光源或白光光源；光腔模块是两个平凹高反镜组成的平行腔用于让光在腔内多次反射提高光程从而增强了对光的吸收与散射；探测模块是可切换的雪崩光电二极管和高精度的光栅光谱仪。应用腔增强光路结构，建立吸收系数计算模型，用单色光入射系统进而可以检测含杂质的溶液。当用一定波段范围的非相干宽带光源入射系统时构成了IBBCEAS系统还可以测量液体中微量因子的吸收谱，从而得到光谱信息等更多元的信息。
所述的光源模块包括：单色光源、白光光源、准直器、带通滤波片；所述的单色光源是单色激光光源，所述的白光宽带光源发出的光经过准直器准直后经过带通滤波器片，然后经过反射镜进入光腔模块。
所述的光腔模块是两个平凹高反射率镜片组成的高反腔，将待测样品放于高反腔中，光源进入高反腔后在腔内来回反射，增大光程，从而增强了对光的吸收与散射，可用于探测液体中微量待测物的浓度并获得更好的灵敏度。
所述的探测模块包括雪崩二极管和光栅光谱仪。二者的使用有一定的区分：当测量样品的浓度时，即入射光是窄带光源的单色光时，只需要获取测量的强度信号，将雪崩二极管作为探测器用于获取出射光强度信息；当入射光是非相干宽带光源，将光栅光谱仪作为探测器用于获取样品的光强度信息和光谱信息用于分析。所以系统有这样的组合方式：当光源是可调单色光时，探测器是雪崩二极管；当光源是宽带光源时，探测器是光栅光谱仪。
所述的吸收系数计算模型：当光进入光腔内并在其中来回反射时，样品不仅对光有吸收反应还有散射效应，由此依据吸收系数建立模型：其中λ时入射光波长，
是参考光光强、
是透射光光强、
是高反镜的反射率，
是光腔的有效长度，
和
分别是瑞利散射和米氏散射消光系数。计算公式如下：
所述的光腔模块中放置待测样品，由于入射光波长在高反镜的高反区间，所以光在腔内多次反射增加光程，弥补了单次直接透射的探测灵敏度不够的缺陷，大大降低了可探测样品的浓度极限并提高了探测弱信号的强度。
所述的样品在腔内经过光的多次反射后经过消色差透镜聚焦于光纤中，然后经光纤传输到探测器模块上进行测量。
本发明的有益效果：
本发明首先基于物质的吸收和散射效应，建立了待测样品的吸收系数计算模型，实现了样品的吸收测量，当近似于单色光入射时，在高反镜组成的光腔内，由于光多次反射，增强了物质的吸收和散射效应，从而可以测量更低浓度的样品，一定范围的宽带光源照射系统时，构成了非相干宽带腔增强技术测量物质的吸收谱。系统具有较高的灵敏度，可用于商业化妆品中浑浊度检测、水体中含量小的样品检测、成分分析等应用。
附图说明
图1是本发明的液体光学腔增强测量系统的示意图：
其中1是可切换的光源，2是准直器，3是滤波片， 4是反射镜，改变光轴方向，5是光阑，6和8是高反镜，7是待测样品，9是消色差透镜， 10是光纤转接环，11是光纤，12是探测器，13是可调二维位移台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步阐述。
如图1所示：光源1发出的光经过准直器2后成为准直光斑，使得经过准直器的光束半径变小且光密度增高，准直后的光经过滤波片，再经过反射镜后进入光腔模块，光腔模块是由6和8两块平凹高反镜组成，光束在光腔内多次穿过样品7，然后透射光经过消色差透镜后聚焦于光纤转接环，进而进入光纤中，最终进入探测器。根据探测的目的不同，系统有不同的组合方式：当光源是单色光时探测模块是雪崩二极管（APD）用于探测光强度信号，当光源是非相干宽带光源是可更换为测量光谱信号的光栅光谱仪。
一方面，当测量待测样品的浓度时，探测模块选择雪崩二极管测量光强度信号，雪崩二极管对光强度的敏感度比较强，通过Labview程序来控制信号的采集和存储。另一方面，当测量待测样品的光谱信息时，探测模块选择光栅光谱仪来采集数据。
光经过液体时，液体会对光进行吸收，与此同时，液体中的颗粒会对光散射，存在瑞利散射和米氏散射两种散射，从而衰弱光信号，经过准直后的光需进行光阑限制其光束大小，所以在腔内的吸收系数为：
测量液体中的多种物质时，总的吸收系数是：
其中
是不同物质的吸收系数，
是数密度。
在本发明的实例案例中，光源和探测模块更换方便。在保证机械机构不冲突的前提下（高反镜与前后的光学元件保持一定距离），腔增强技术大大提高探测的灵敏度，增加了本发明的广泛应用性。
作为实例案例，本发明在化妆品的含有物（二氧化钛）溶液中测试并分析，使用了532nm激光器和635nm激光器对样品进行测量，测量了化妆品中含有物二氧化钛溶液的不同浓度样品的光强度信息，最低可测浓度为2.5
，并且在模拟样品存储的过程中测量出随时间变化样品上清液中的浓度变化，有一定的时间分辨率。化妆品中的一些添加剂本身与水混合后时悬浊状态，所以浓度在一定时间内保持不变，根据不同的化妆品中的物质可以调节不同的单色光入射系统进行测量，在实际测量中可以根据不同种类的物体浓度变化曲线得出该物质在水中的沉降速率和沉淀或者悬浊等性质进行分析。
另一方面，作为实施案例的扩展，可以采藻类溶液并测量其光谱信息，藻类在某一波段有特征吸收峰，所以在测量含藻类溶液时光谱信号会有比较大的变化进而可以分析出溶液中的物质分析。测量藻类溶液时，选择一定波带范围的非相干宽带光，与高反腔组成IBBCEAS系统，这种测量方式弥补了用显微镜观察微量藻类并测量其光谱时候的测量不准弊端，大大提升了灵敏度和测量速度。
上述描述中的实施方案可以进一步组合后者替换，且实施方案仅仅时对本发明的优选实施案例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明的设计思想前提下，本领域中普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (7)
1.一种液体光学腔增强测量系统，其特征在于：包括光源模块、光学腔模块、探测模块三个部分；光源模块是波长可切换或可调的单色光源或白光光源经过准直透镜以及滤波片后调制的光；光学腔模块是两个平凹高反镜组成的平行腔用于让光在腔内多次反射提高光程，从而增强了对光的吸收与散射，测量腔外的透射或反射光信息用于探测液体中微量待测物的浓度；探测模块是雪崩光电二极管或高精度的光栅光谱仪。
2.根据权利要求1所述的一种液体光学腔增强测量系统，其特征在于：所述的光源模块包括：波长可切换或可调的单色光源或白光光源、准直器、带通滤波片；所述的单色光源是窄带激光光源，所述的白光宽带光源发出的光经过准直器准直后经过带通滤波器片，然后经过反射镜进入光学腔模块。
3.根据权利要求1所述的一种液体光学腔增强测量系统，其特征在于：所述的光腔模块是两个高反射率平凹镜片组成的高反腔，将待测样品放于高反腔中，光源进入高反腔后在腔内来回反射，增大光程，从而增强了对光的吸收与散射，腔外测量获得的透射或反射光信息可用于探测液体中微量待测物的浓度并获得更好的灵敏度。
4.根据权利要求1所述的一种液体光学腔增强测量系统，其特征在于：所述的探测模块包括雪崩二极管和光栅光谱仪；二者的使用有一定的区分：测量样品的浓度时，当入射光是窄带光源的单色光时，只需要获取测量的强度信号，将雪崩二极管作为探测器用于获取出射光强度信息；当入射光是白光宽带光源时，将光栅光谱仪作为探测器用于获取透射的光强度信息和光谱信息用于分析。
5.根据权利要求1所述的一种液体光学腔增强测量系统，其特征在于：所述的吸收系数计算模型：当光进入光腔内并在其中来回反射时，样品不仅对光有吸收反应还有散射效应，由此依据吸收系数建立模型：其中λ时入射光波长，
是参考光光强、
是腔外测量获得的透射光强、
是高反镜的反射率，
是光腔的有效长度，
和
分别是瑞利散射和米氏散射消光系数；吸收系数计算公式如下：
6.根据权利要求1所述的一种液体光学腔增强测量系统，其特征在于：所述的光腔模块中放置待测样品，由于入射光波长在高反镜的高反区间，所以光在腔内多次反射增加光程，弥补了单次直接透射的探测灵敏度不够的缺陷，大大降低了可探测样品的浓度极限并提高了探测弱信号的强度。
7.根据权利要求1所述的一种液体光学腔增强测量系统，其特征在于：所述的样品在腔内经过光的多次反射后经过消色差透镜聚焦于光纤中，然后经光纤传输到探测器模块上进行测量。
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