Устройство для измерения показателя преломления прозрачных жидкостей на основе секторального дифракционного сенсорного элемента

Ссылка для цитирования:

Белоусов Д.А. Устройство для измерения показателя преломления прозрачных жидкостей на основе секторального дифракционного сенсорного элемента // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 5. С. 66–76. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-05-66-76

Belousov D.A. Device for measuring the refractive index of transparent liquids based on a sectoral diffractive sensor element [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 5. P. 66–76. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-05-66-76

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Устройство для измерения показателя преломления прозрачных жидкостей, принцип работы которого основан на использовании секторального дифракционного сенсорного элемента. Цель работы. Разработка дифрактометрического устройства для измерения показателя преломления прозрачных жидкостей в широком диапазоне изменений измеряемых значений с использованием статично установленных дифракционного сенсорного элемента и блока регистрации дифракционной картины. Метод. Освещение лазерным излучением дифракционной решетки, погруженной в исследуемую жидкость, с последующим измерением углового положения дифракционных порядков позволяют определить показатель преломления исследуемой жидкости. Для расширения диапазона измеряемых значений без потери точности вместо одиночной дифракционной решетки можно использовать разработанный в работе секторальный дифракционный сенсорный элемент, состоящий из набора дифракционных решеток, имеющих различные период и угловую ориентацию. Основные результаты. Разработано дифрактометрическое устройство для измерения показателя преломления прозрачных жидкостей, особенностью которого является использование секторального дифракционного сенсорного элемента, состоящего из четырех дифракционных решеток, имеющих различные период и угловую ориентацию. Создан экспериментальный образец, позволяющий выполнять измерения показателя преломления жидкостей в диапазоне 1,3200–1,7200 на длине волны 639 нм. Практическая значимость. Предложенная концепция дифрактометрического устройства для измерения показателя преломления прозрачных жидкостей позволяет упростить конструкцию устройств данного типа, уменьшить их стоимость, а также повысить скорость и точность выполняемых измерений.

Ключевые слова:

дифракционная оптика, показатель преломления, жидкости, дифракционный сенсор, измерительная система, обработка изображений

Благодарность:

работа выполнена при поддержке Фонда содействия инновациям в рамках программы «УМНИК», а также за счет средств субсидии на финансовую поддержку государственного задания ИАиЭ СО РАН (гос. регистрационный № 124041700107-9) с использованием оборудования ЦКП «Спектроскопия и оптика» ИАиЭ СО РАН

Коды OCIS: 120.4640, 050.1940, 050.1950

Список источников:

1. Khodier S.A. Refractive index of standard oils as a function of wavelength and temperature // Opt. Laser Technol. 2002. V. 34. № 2. P. 125–128. https://doi.org/10.1016/S0030-3992(01)00101-3
2. Liu P.Y., Chin L.K., Ser W., et al. Cell refractive index for cell biology and disease diagnosis: Past, present and future // Lab Chip. 2016. V. 16. № 4. P. 634–644. https://doi.org/10.1039/C5LC01445J
3. Oti W. Using refractometer to determine the sugar content in soft drinks commonly consumed in Abakaliki, Nigeria // IOSR J. Appl. Chem. 2016. V. 9. P. 89–91. https://doi.org/10.9790/5736-0907018991
4. Конопелько Л.А., Шур В.Л., Пинчук О.А. и др. Рефрактометрические методы в физико-химических измерениях. М.: Триумф, 2020. 208 с. https://doi.org/10.32986/978-5-907052-08-03-2020-208
Konopelko L.A., Shur V.L., Pinchuk O.A., et al. Methods of refractive index measurements in physical chemistry [in Russian]. Moscow: Triumph Publ., 2020. 208 p. https://doi.org/10.32986/978-5-907052-08-03-2020-208.
5. Sobral H., Peña-Gomar M. Determination of the refractive index of glucose-ethanol-water mixtures using spectroscopic refractometry near the critical angle // Appl. Opt. 2015. V. 54. № 28. P. 8453–8458. https://doi.org/10.1364/AO.54.008453
6. Abbas B., Alshikh Khalil M. An experimental method for determination of the refractive index of liquid samples using Michelson interferometer // Acta. Phys. Pol. 2016. V. 129. № 1. P. 59–63. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.129.59
7. Su B., Qi B., Zhang F., et al. Hybrid fiber interferometer sensor for simultaneous measurement of strain and temperature with refractive index insensitivity // Opt. Commun. 2022. V. 522. P. 128637. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2022.128637
8. Zhang M., Hu Z., Wang X., et al. Power-type liquidlevel sensor for high refractive index liquid based on long-period fiber grating // Sens. Actuator A Phys. 2021. V. 324. P. 112652. https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112652
9. Li X., Wang C., Ma L., et al. Ellipsometry-transmission measurement of the complex refractive indices for a series of organic solvents in the 200–1700 nm spectral range // Infrared Phys. Technol. 2022. V. 125. P. 104313. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2022.104313
10. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия, 1974. 343 с.
Yoffe B.V. Refractometric methods of chemistry [in Russian]. Leningrad: Himiya Publ., 1974. 343 p.
11. Plotnichenko V.G., Sokolov V.O. Influence of absorption on the refractive index determination accuracy by the minimum deviation method // Appl. Opt. 2018. V. 57. № 4. P. 639–647. https://doi.org/10.1364/AO.57.000639
12. Юрин А.И., Вишняков Г.Н., Минаев В.Л. Измерение показателя преломления с помощью гониометрической системы в автоматизированном режиме // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 12. С. 13–18. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-12-13-18
Yurin A.I., Vishnyakov G.N., Minaev V.L. Measurement of the refractive index using a goniometric system in an automated mode // J. Opt. Technol. 2022. V. 89. № 12. P. 704–707. https://doi.org/10.1364/JOT. 89.000704
13. Lu S.H., Pan S.P., Liu T.S., et al. Liquid refractometer based on immersion diffractometry // Opt. Exp. 2007. V. 15. № 15. P. 9470–9475. https://doi.org/10.1364/ OE.15.009470
14. Hsu C.C., Liu T.S. Refractive index measurement using laser diffractometer // 2011 Fifth Intern. Conf. Sensing Technol. – IEEE. Palmerston North, New Zealand. November 28 – December 01, 2011. P. 370–375. https://doi.org/10.1109/ICSensT.2011.6137002
15. Liu C.W., Lee C.H., Ting C.J., et al. The measurement of the refractive index of transparent liquids by using holographic grating // Signal Recovery and Synthesis 2014. Seattle, Washington, United States. July 13–17, 2014. P. JTu4A. 20. https://doi.org/10.1364/AIO.2014. JTu4A.20
16. Durán-Ramírez V.M., Martínez-Ríos A., GuerreroViramontes J.A., et al. Measurement of the refractive index by using a rectangular cell with a fs-laser engraved diffraction grating inner wall // Opt. Exp. 2014. V. 22. № 24. P. 29899–29906. https://doi.org/10.1364/OE.22.029899
17. Barbosa E.A., Dib L.F.G. Diffractive refractometer for liquid characterization and transient processes monitoring // Rev. Sci. Instrum. 2017. V. 88. № 7. P. 073103. https://doi.org/10.1063/1.4994735
18. Dib L.F.G., Barbosa E.A. Immersed diffraction grating refractometers of liquids // Appl. Opt. 2016. V. 55. № 30. P. 8582–8588. https://doi.org/10.1364/ AO.55.008582
19. Вейко В.П., Корольков В. П., Полещук А. Г. и др. Лазерные технологии в микрооптике. Ч. 1. Изготовление дифракционных оптических элементов и фотошаблонов с амплитудным пропусканием // Автометрия. 2017. Т. 53. № 5. С. 66–77. http://doi.org/10.15372/ AUT20170507