Способ измерения показателя преломления жидкостей — SU 1742686 (original) (raw)
1742686 нием ПП пппж, Между основанием призмы и обработанной поверхностью пластины располагается исследуемая жидкость и с помощью прижима образуется тонкопленоч ный волноводный слой 4 жидкости, далее наодну из граней призмы направляется луч 5 света зондирующего излучения, реализуется волноводное распространение света в тонкой пленке жидкости, измеряются резо нансные углы возбуждения трех волноводных мод ао, а 1 и аг, рассчитываются соответствующие им величины эффективных ПП по, п 1 и п 2 и по соответствующей формуле определяется искомая величина 15 и;на длине волны зондирующего излучения.Соотношение, связывающее эффективный ПП волноводной моды п со значением ПП вводной призмы, имеет следующий вид: 20 япапп,=прзп А+агсзп ( ) ), (1)прВ рамках рассматриваемой задачи прямоугольного волновода получается простое аналитическое выражение, которое позво ляет по измеренному модовому спектруполучить прецизионное значение ПП исследуемой жидкости.Исходным является дисперсионноеуравнение волновода30 РП 1 гп 1Чп Ь-агсщ ( ) - агсщ ( - ") =лп 1;(2)ЧП 1 Чп 1в=0,1,2 (М),где и - толщина пленки жидкости под основанием призмы; Ч=Кпж -пп 1 ): Ргп=К(пгпг гог, г 35 1)ъ=К(п г-и )1; пж и и ПП1/2, 2 1/исследуемой жи дложки;, воз- новоды ао, 1 Х МОД ь прее призмь и три вол нсные угл олноводн оказател ормуле дкости и по волны света в 2 л К = - у ууме);прзи ( Аагсзп сные углы возбуждения п 1=0,1,2), при этом знак(-) оложению отраженного ниемпризмыинормалью 5гд ьГфф=Ь+ -+ -в 1 1 7 Ь гщ Из уравнения (4) с уче ть выражение для пж:4 3) можно полизмерения в принципе возможны только в случае применения специальных визуализаторов. Необходимость непосредственного контакта поверхности рабочей призмы с исследуемой жидкостью обуславливает неприменимость гониометрических способов к измерению ПП химически агрессивных жидкостей.Целью изобретения является уменьшение объема исследуемой жидкости, увеличение быстродействия и упрощение измерений ПП жидкостей в ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра.Поставленная цель достигается тем, что по способу измерения показателя преломления жидкостей, включающему освещение коллимированным монохроматическим излучением с длиной волны А слоя жидкости через одну из граней измерительной призмы с показателем преломления пр, большим показателя преломления жидкости пж, и углом А при основании, освещают слой жидкости в виде волноводной пленки, образованной прижимом жидкости полированной поверхностью пластины с показателем преломления п, меньшим пж, к согласующему покрытию с показателем преломления пс, меньшим пж, и толщинойЯ -нанесенному на основани буждают в пленке жидкост ные моды, измеряют резона а 1, и агвозбуждения трех в и рассчитывают искомый ломления жидкости и. по ф 1 и пг определяют из со где ап 1 - резонанволноводных мод(соответствует расплуча между основак входной грани.На чертеже представлена схема измерений,Способ осуществляется следующим образом.Для измеренительная призма 1которой нанесеносо значением ППодной полированн я используются измерис ПП прпж, на основание согласующее покрытие 2 п,пж и пр и пластина 3 с ой поверхностью и значе=Чо+(" )о п 1 +( г )о - . (3)фференцируя уравнение (2), получимСЧв Л Очевидно, что это выражение справедиво для числа резонансных мод М 3. Расчетная точность волноводного способа согласно формуле (4) не хуже+ 110 .Способ был апробирован применительно к измерению ПП жидкости соединения а-метилнафталин с ПП пж,1,6, Измерения проводились на длине волны излучения с Л=0,6328 мкм. В качестве пластины использован элемент из стекла марки Кс п=1,5142 с одной обработанной поверхностью, Рабочие призмы были изготовлены из стекла марки ТФ(п=1,7999), на основании которой нанесено покрытие из 8102 (п=1,483) с разной толщиной. Толщина покрытия варьировалась для идентификации оптимальной величины зазора между призмой и жидкостью, которая для данной длины волны света определяется следующими факторами. При возбуждении волновода с помощью призмы призменный элемент связи влияет на величину измеренных эффективных ПП волноводных мод, На практике можно увеличением толщины зазора уменьшить это влияние, приближая значения измеренных эффективных ПП к предельным величинам для ненагруженного волновода. Однако эта процедура одновременно приводит к энергетическим потерям, т.е. к снижению мощности излучения в волноводе из-за подавления туннелирования света в волновод через буферный слой зазора при полном внутреннем отражении на основании призмы. Оценки показывают, что в случае слабой связи, реализуемой при толщине покрытия1Я ) у 7-г - . -- 2 О О О А,пж - псвлиянием призменной связи можно пренебречь,В устройстве, с помощью которого был измерен ПП жидкости, использовались рабочие призмы с разной толщиной нанесенного покрытия на основании 500-8000 А, Экспериментальные данные сравнивались с прецизионными рефрактометрическими измерениями дисперсии ПП исследуемой жидкости, выполненными на рефрактометре Пульфриха при разных температурах. Исследовали зависимость точности измерений от толщины покрытия на основании призмы. Исследования показали, что оптимальным вариантом для данной длины волны зондирующего излучения А =0,632 ф мкм является толщина покрытия Я=5000 А. Измеренная волноводным способом величина ПП исследуемой жидкости оказалась равной пж=1,60791, что хорошо согласуется с рефрактометрическими данными. При дальнейшем увеличении толщины покрытия наблюдается заметное ослабление тунне 5 101520 лирования света в тонкопленочный слой жидкости вплоть до полного подавления первых двух волноводных мод при величинеРтолщины покрытия, равной 8000 А.Таким образом, волноводный способ определения ПП несложен и основан на измерении резонансных углов возбуждения волноводных мод и вычислении неизвестных ПП жидкости по формуле(5). Для проведения измерений необходима рабочаяплощадь исследуемой жидкости с линейными размерами порядка 5 мм, что соответствует диаметру зондирующего пучка. Учитывая также, что обеспечение трехмодового режима возбуждения в тонкой пленкежидкости реализуется при толщине порядка 4 мкм, получим оценку рабочего объема жидкости, требуемой для измерений, Ч10 см или 1 10мл. Таким образом, в волноводном способе используется минимальное количество исследуемой жидкости ( "1 10 мл), что намного меньше, чем требуется для измерений в рефрактометрическом способе Аббе, 25 и при этом обеспечивается идентичная точность + 1 10 . Существенное уменьшение объема жидкости, требуемой для проведения измерений ПП, особенно важно при исследовании уникальных жидкостей.30 Волноводный способ основан на определении углов возбуждения резонансных мод с помощью энергетических измерений максимума выходной интенсивнОсти с использованием фотодетектора 6, Поэтому 35 применение в качестве фотодетектора пироприемника позволяет провести с помощью волноводного способа измерение дисперсии ПП исследуемой жидкости в широком спектральном диапазоне, включая 40 ультрафиолетовую и инфракрасную областиспектра без использования специальных визуализаторов, Другое преимущество предлагаемого способа перед рефрактометрическим способом проявляется при изме рениях дисперсных жидкостей. В этомслучае энергетические измерения максимума интенсивности резонансных волноводных мод в предлагаемом способе обеспечивает увеличение быстродействия 50 измерений П П жидкостей такого типа. Наличие реальной возможности использования согласующей пленки в качестве защитного покрытия из химически стойких материалов делает волноводный способ уникальным 55 применительно к изучению дисперсии ППхимически агрессивных жидкостей.Формула изобретения Способ измерения показателя преломления жидкостей, включающий освещение коллимированным монохроматическим из1742686 лучением с длиной волны А слоя исследуемой жидкости через одну из граней измерительной призмы с показателем преломления пр, большим покеазателя преломления жидкости и . и углом А при осно вании, отлича ющи йся тем,что,с целью уменьшения объема исследуемой жидкости, повышения быстродействия и упрощения способа, освещают слой жидкости в виде волноводной пленки, образованной прижи мом жидкости полированной поверхностью пластины с показателем преломления п меньше пж к согласующему покрытию с показателем преломления пс меньше пж и толщиной 5 п а пр глы возбужден 2), при этом знжению отражен м призмы и н сзи ( п=п резонансные ых мод (гп=0, твует расположду основаниодной грани,где аа волноводн(-) соответ го луча ме малью к в 1 1на основание призмы, возбуже жидкости три волноводные рнанесенному дают в пленк 50 Составитель Ю. ГриневаРедактор Л.Гратилло Техред М.Моргентал Коррект нчако Подписноео изобретениям и открытиям при ГКНТ5, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент"., г, Ужго Гагарина, 10 аказ 2279 Тираж ВНИИПИ Государственного комите 113035, Москвамоди, измеряют резонансные углы а а 1 и а 2, возбуждения трех волноводных мод и рассчитывают искомый показатель преломления жидкости пж по формуле пж=