一種基於Airy光束的水質分析裝置製造方法
2023-04-25 20:46:31 1
一種基於Airy光束的水質分析裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於Airy光束的水質分析裝置，基於Airy光束彎曲傳播特性能夠實現光束髮射端和接收端均在設置待測區域一側，即可以設置在光學通光一側，便於實現探頭原位檢測和探頭式結構，具有原位檢測、探頭式結構、結構簡單、易於實現、機械定位要求低、水質信息豐富、使用靈活、功能易於擴充等特點。
【專利說明】一種基於Ai ry光束的水質分析裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於光電【技術領域】，涉及一種光電檢測裝置，特別是一種基於Airy光束的水質分析裝置，主要用於環境檢測、生態監控、食品安全、質量控制、生化分析、生命科學、醫學醫藥、節能減排、過程控制、風險評估等領域中的水質檢測。
【背景技術】
[0002]水質檢測廣泛存在於環境檢測、生態監控、食品安全、質量控制、生化分析、生命科學、醫學醫藥、節能減排、過程控制、風險評估等領域，檢測參數包括濁度、懸浮物、化學需氧量、生物需氧量、硝酸鹽、硫化氫等。每個參數都有其特定的定義和應用，例如，由於流體中含有懸浮物或膠體狀微粒使原來透明的流體產生渾濁現象，其渾濁的程度為濁度；水中的硫化氫檢測存在於水產養殖水質檢測領域。
[0003]在先技術中，存在水質檢測裝置，參見德國WTW公司水質在線檢測儀器系列中的VisoTurb型號的水質檢測裝置，採用雷射二極體光源照射被檢測區域水，在90度夾角方向上設置有一個單傳感元的光電傳感器探測這個方向上的散射光，通過標準液定標得到被檢測水的濁度值；美國HACH公司的S0LITAX型號水質分析儀同樣採用照射方向和散光光探測方向成90度角的結構進行水中濁度檢測，在先技術具有一定優點，但是，仍然存在本質不足，在檢測原理中均採用在某一個角度進行散射光測量，所得到的水質參數信息量小，不能很好地反映本檢測參數信息，限制了應用範圍，影響檢測裝置的功能拓展。
[0004]Airy光束簡介:自由空間中光束彎曲傳播現象及其應用引起了廣泛的關注，被研究較多的彎曲傳播光束是Airy光束。Airy光束在自由空間中會發生彎曲傳播現象，突破了自由空間中光線直線傳播的常理，光線未受到外界幹擾情況下，可以存在速度變化，具有加速度。因此，有學者稱彎曲傳播光束為具有加速度的光束，這類光束是近軸波動方程在Cartesian坐標中的有限能量解。Airy光束可以保持無衍射自由空間中長距離傳播，並且具有橫向偏移。至目前，自由空間中光束彎曲傳播現象不僅在實驗上得到了驗證，還被應用於其它領域中，展現了其獨特的性質和巨大的應用前景。Airy光束已經被國外學者應用到光學微操縱實驗中。K.Dholakia等人利用Airy光束產生顆粒清掃效應,將微小顆粒從一個區域清掃到另一個區域。P.Polynkin等人利用飛秒Airy光束實驗上實現了彎曲的等離子體通道。M.A.Bandres等人理論研究了 Airy光束在近軸光學系統中的傳播特性。1.Dolev等人利用非線性光學過程可以控制艾理光束的彎曲方向。Kim等人研究了基于波導Airy光束的光束分束功能。Hwang等人探索了多個Airy光束相加產生類貝塞爾光束的光束產生方法。Zhang等研究人員利用光柵稱合將Airy光束直接稱合到表面等離子體激元,發現通過機械方法或空間光調製器可以調節等離子體Airy光束的彎曲特性。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有技術中存在的技術問題提出了一種基於Airy光束的水質分析裝置，具體方案如下:
[0006]—種基於Airy光束的水質分析裝置,包括一側設有光學通光窗口的外殼,所述的外殼內設有朝向所述光學通光窗口發光的光源，在所述光源光束出射方向上依次設有空間光調製器和傅立葉透鏡，所述光源出射光束經所述空間光調製器和所述傅立葉透鏡後形成Airy光束，所述Airy光束經所述光學通光窗口入射至待測水質，所述Airy光束經待測水質後光路發生彎曲並再次經過所述光學通光窗口返回至所述外殼內部；在所述外殼內部、所述Airy光束的返回光路上設置有用於吸收檢測所述Airy光束的透射光電探測器。
[0007]上述方案中，光源出射光束依次經空間光調製器、傅立葉透鏡後形成Airy光束，並經位於外殼一側的光學通光窗口出射至位於外殼外部的待測水質中，Airy光束在透射待測水質後傳播方向發生彎曲並再次經光學通光窗口返回至外殼內部，返回至外殼內部的Airy光束經過了待測水質的光學吸收，即返回後的Airy光束中包含了待測水質的相關信息，該加載信息的Airy光束入射至設置在外殼內部的透射光電探測器，並被透射光電探測器吸收轉化為電信號輸出至後續處理單元，從而實現對待測水質的分析。整個方案中，光源、空間光調製器、傅立葉透鏡以及透射光電探測器均設置在光學通光窗口的一側(外殼內部)，利用Airy光束的彎曲傳播特性實現對待測水質的非接觸式原位檢測,省去了對待測水質水樣的提取、配置步驟，簡化了檢測過程、提供了檢測精度。
[0008]作為優選，所述的Airy光束的返回光路上、所述的光學通光窗口和所述的透射光電探測器之間設置有透射光聚焦透鏡。透鏡光聚焦透鏡用於將帶有待測物質信息的Airy光束匯聚至透射光聚焦透鏡。
[0009]作為優選，所述的外殼內還設有用於探測所述Airy光束入射至待測水質後產生的散射光束的散射光電探測器。Airy光束入射至待測物質並彎曲傳播返回後不僅在待測物質中發射光學透射被待測物質吸收，同時也在待測物質中發生散射、產生了散射光，散射光中同樣包含了待測物質信息，所以對散射光的提取探測同樣有助於對待測水質的分析，進一步提聞檢測精度。
[0010]作為優選，所述的散射光電探測器之前設有散射光聚焦透鏡。Airy光束經待測物質後所產生的散射光強度較小，經散射光聚焦透鏡匯聚有可增強光強度，提高檢測靈敏度。
[0011]作為優選，所述的光學通光窗口設有對於所述Airy光束的透過率大於90%的可透光介質。光學通光窗口用於透過Airy光束，所以要求光學通光窗口材質對Airy光束的透過率高，減小光學通光窗口對Airy光束的吸收、散射從而減小整個檢測過程誤差引入；同時，光學通光窗口採用可透光介質可起到對外殼的密封，保證外殼內部器件免受汙染。
[0012]與現在技術相比，本發明的有益效果如下:
[0013]現有技術中的檢測原理，是採用在某一個角度進行散射光測量，所得到的水質信息量小，不能很好地反映水質信息，在先技術限制了應用方法，影響檢測裝置的功能拓展。本發明基於光學吸收和光學散射光電檢測原理，利用Airy光束彎曲傳播特性，光源通過波前調製和聚焦後轉化成為Airy光束，Airy光束傳播路徑經過被檢測區域，通過檢測被檢測區域中水的散射光和透射光場，分析光電信號得到被檢測區域的水質信息，本發明基於Airy光束彎曲傳播特性能夠實現光束髮射和接收端均在被檢測區域一側，既可以設置在光學窗口片一側，便於實現探頭原位檢測和探頭式結構，具有原位檢測、探頭式結構、結構簡單、易於實現、機械定位要求低、水質信息豐富、使用靈活、功能易於擴充等特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明實施例的一種基於Airy光束的水質分析裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0016]圖1所示為本發明實施例的一種基於Airy光束的水質分析裝置的結構示意圖。一種基於Airy光束的水質分析裝置,包括一個圓柱體外殼I,圓柱體外殼I的一端為光學通光窗口 2，外殼I內設置有光源3，光源3出射光束光路上依次設置有空間光調製器4和傅立葉透鏡5，光源3出射光束經過空間光調製器4和傅立葉透鏡5後轉換成Airy光束6，透過光學通光窗口 2照射在待測區域7，Airy光束6彎曲傳播進經過被檢測區域7後再次經過光學通光窗口 2返回外殼I內部，在返回Airy光束6光路上依次設置有透射光聚焦透鏡8和透射光電探測器9，返回到外殼I內的Airy光束6經透射光聚焦透鏡8匯聚至透射光電傳感器9上，透射光電傳感器9將光信號轉化為電信號並傳輸至後續分析設備10中。
[0017]在Airy光束6入射至待測區域7中時不僅因彎曲傳播發生了光學透射，而且還發生了光學散射並輸出了散射光，在外殼I內部還設置有用於提取、探測該散射光的散射光聚焦透鏡11和散射光電探測器12，待測區域7因Airy光束經過所產生的散射光透過光學通光窗口 2進入外殼I內，並經外殼I內的散射光聚焦透鏡11匯聚至散射光電探測器12，散射光電探測器12將該散射光信號轉化為電信號傳輸至後續分析設備10中。後續分析設備10根據輸入的透射光和散射光分析得到待測區域7水質情況。
[0018]本發明基於Airy光束彎曲傳播特性能夠實現光束髮射端和接收端均在設置待測區域一側，即可以設置在光學通光一側，便於實現探頭原位檢測和探頭式結構，具有原位檢測、探頭式結構、結構簡單、易於實現、機械定位要求低、水質信息豐富、使用靈活、功能易於擴充等特點。
[0019]本發明實施例中，夕卜殼I米用不鏽鋼材料的圓柱殼體，光學通光窗口 2米用藍寶石光學窗口，空間光調製器4採用振幅型空間光調製器，傅立葉透鏡5採用雙膠合透鏡，透射光電探測器9和散射光電探測器12採用線陣電荷耦合器件。其中，本發明實施例中的Airy光束產生技術、線陣光電探測器使用、散射光分析技術、吸收光譜分析技術、光電信號與水質參數對應關係等均為現有成熟技術。
[0020]以上所述的【具體實施方式】對本發明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的最優選實施例，並不用於限制本發明，凡在本發明的原則範圍內所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於Airy光束的水質分析裝置,包括一側設有光學通光窗口的外殼,其特徵在於，所述的外殼內設有朝向所述光學通光窗口發光的光源，在所述光源光束出射方向上依次設有空間光調製器和傅立葉透鏡，所述光源出射光束經所述空間光調製器和所述傅立葉透鏡後形成Airy光束，所述Airy光束經所述光學通光窗口入射至待測水質，所述Airy光束經待測水質後光路發生彎曲並再次經過所述光學通光窗口返回至所述外殼內部；在所述外殼內部、所述Airy光束的返回光路上設置有用於吸收檢測所述Airy光束的透射光電探測器。
2.根據權利要求1所述的一種基於Airy光束的水質分析裝置，其特徵在於，所述的Airy光束的返回光路上、所述的光學通光窗口和所述的透射光電探測器之間設置有透射光聚焦透鏡。
3.根據權利要求1所述的一種基於Airy光束的水質分析裝置，其特徵在於，所述的外殼內還設有用於探測所述Airy光束入射至待測水質後產生的散射光束的散射光電探測器。
4.根據權利要求1所述的一種基於Airy光束的水質分析裝置，其特徵在於，所述的散射光電探測器之前設有散射光聚焦透鏡。
5.根據權利要求1所述的一種基於Airy光束的水質分析裝置，其特徵在於，所述的光學通光窗口設有對於所述Airy光束的透過率大於90%的可透光介質。
【文檔編號】G01N21/31GK104359843SQ201410652850
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】高秀敏 申請人:杭州納宏光電科技有限公司