專利名稱：利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，特別涉及利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量稀薄氣體的弱損耗的方法。
背景技術(shù)：
設(shè)某一介質(zhì)的折射率為n = n' +n"，其中n'和n"分別為介質(zhì)折射率的實(shí)部和 虛部，我們的目標(biāo)是測量n'和n"。我們已經(jīng)知道，對(duì)傳輸波而言，n'和n"分別決定了傳輸波波矢的實(shí)部和虛部，所以當(dāng)傳輸波在介質(zhì)中傳播一段距離后，n'和n"則分別決定了傳輸波的相位變化和振幅的變化。由于相位變化是比較明顯且容易通過干涉儀等儀器進(jìn)行精確測量，所以許多測量n'的方法都是利用傳輸波進(jìn)行的。但是，當(dāng)介質(zhì)的吸收很微弱，即n"很微小時(shí)，傳輸波振幅的變化也將非常微小，所以利用傳輸波測量n"存在很大困難，甚至不可能精確測量。所以我們需要新的方法來測量n"。跟傳輸波不同，倏逝波對(duì)n"是很敏感的。在弱損耗的待測介質(zhì)中(即n" <<1)，對(duì)倏逝波而言，n"和能量的傳播速度V成正比，即v~n";因此，當(dāng)電磁波能量以倏逝波
的形式傳播時(shí)，傳播一段距離L所需的時(shí)間為r = T即為倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)
V
間。顯然，倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間T跟n"成反比，也就是說，n"決定了倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間。因此，我們可以通過測量倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間來獲得n"的值；而在一般情況下，該響應(yīng)時(shí)間是可以比較方便的測量的，比如我們可以采用光學(xué)多道分析儀、輻照度光譜儀等輻照度測量裝置測量該響應(yīng)時(shí)間。這就是我們通過測量倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間來測量介質(zhì)損耗的基本思想。此處特別強(qiáng)調(diào)，我們提供的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法不同于以往的方法，比如文獻(xiàn)(C. Carniglia and L. Mandel, J. Opt. Soc. Am. 61,1035(1971).)中所述的方法。在以往的利用倏逝波進(jìn)行探測的方法中，其系統(tǒng)至少有兩個(gè)界面，而倏逝波正處于這兩個(gè)界面之間。事實(shí)上，在這樣的系統(tǒng)中，即使沒有介質(zhì)的損耗，由于隧穿效應(yīng)，倏逝波仍然具有脈沖的響應(yīng)。而在我們提供的方法中，待測介質(zhì)和光密介質(zhì)是“單界面”的，倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間由介質(zhì)損耗決定。故兩者有本質(zhì)不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法用于實(shí)現(xiàn)無損反復(fù)地、超高精度的測量。為了達(dá)到上述目的及其他目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，包括步驟I)在預(yù)先給定頻率范圍的電磁波內(nèi)確定待測介質(zhì)折射率的實(shí)部，并把該待測介質(zhì)定義為光疏介質(zhì)；2)尋找一個(gè)折射率已知并且折射率實(shí)部大于待測介質(zhì)的折射率實(shí)部的光密介質(zhì)，并把光密介質(zhì)和待測介質(zhì)的位置排列構(gòu)成“光密介質(zhì)-光疏介質(zhì)”全反射系統(tǒng)；3)用預(yù)先給定頻率范圍的電磁波從光密介質(zhì)向待測介質(zhì)入射，并調(diào)節(jié)入射角度，使電磁波在光密介質(zhì)和待測介質(zhì)的界面處發(fā)生全反射，并在待測介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生倏逝波；4)調(diào)節(jié)上述入射電磁波的功率，使之產(chǎn)生一個(gè)很小的脈沖，同時(shí)測量倏逝波的輻照度對(duì)該脈沖的響應(yīng)時(shí)間；根據(jù)倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間來計(jì)算待測介質(zhì)折射率的虛部，即獲得介質(zhì)損耗。優(yōu)選地，所述步驟4)計(jì)算待測介質(zhì)折射率虛部n2"的表達(dá)式為Sm6)2抓Sm6)2 ，其中，T為倏逝波輻照度對(duì)所述脈沖的響應(yīng)時(shí)TC
間，L為在待測介質(zhì)中測量點(diǎn)到“光密介質(zhì)-光疏介質(zhì)界面”的距離，C為真空中的光速，H1和n' 2分別為光密介質(zhì)和待測介質(zhì)的折射率實(shí)部，0為電磁波的入射角度。優(yōu)選地,所述電磁波的入射角度0滿足全反射條件Q > arcsin(n/ ^n1),其中，Ii1和n' 2分別為光密介質(zhì)和待測介質(zhì)的折射率實(shí)部。優(yōu)選地，所述待測介質(zhì)為無色散介質(zhì)或色散介質(zhì)。優(yōu)選地，所述待測介質(zhì)具有弱損耗的介質(zhì)。優(yōu)選地，所述具有弱損耗的介質(zhì)包括為氣體、液體或膠體中的一種。優(yōu)選地，所述預(yù)先給定頻率范圍的電磁波包括可見光、紅外光及微波中的一種。優(yōu)選地，所述步驟4)中所述輻照度測量裝置包括但不限于光學(xué)多道分析儀或者輻照度光譜儀。綜上所述，本發(fā)明的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法根據(jù)電磁倏逝波對(duì)介質(zhì)損耗的高敏感性，通過測量在待測介質(zhì)中的倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間，可以精確測量介質(zhì)的損耗。


圖I為本發(fā)明的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法的操作流程示意圖。圖2為本發(fā)明的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法測量介質(zhì)損耗的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D。圖3a_b為本發(fā)明的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法中，在弱損耗待測介質(zhì)中不同位置倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間的示意圖。圖4a_4c為本發(fā)明的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法測量兩種典型氣體(色散介質(zhì))的弱損耗的示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖I所示，本發(fā)明的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法至少包括以下步驟首先，在預(yù)先設(shè)定的頻率范圍內(nèi)確定待測介質(zhì)折射率的實(shí)部n' 2，并把該待測介質(zhì)定義為光疏介質(zhì)。我們需要測量的是該待測介質(zhì)的折射率虛部n" 2。若待測介質(zhì)是色散介質(zhì)，那么n' 2和11" 2是跟電磁波的頻率有關(guān)的。通常，預(yù)先設(shè)定的電磁波頻率范圍可以是可見光、紅外光或微波等。接著，尋找一個(gè)光密介質(zhì)(該介質(zhì)的折射率Ii1為已知，并大于待測介質(zhì)的折射率實(shí)部n' 2)，并把光密介質(zhì)和待測介質(zhì)按特定的位置排列，構(gòu)成“光密介質(zhì)-光疏介質(zhì)”全反射系統(tǒng)。如圖2所不。然后，用預(yù)先設(shè)定的調(diào)節(jié)光密介質(zhì)中電磁波 的入射角度0，使之在光密介質(zhì)和待測介質(zhì)的邊界處發(fā)生全反射，從而在待測介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生倏逝波。發(fā)生全反射時(shí)，由于待測介質(zhì)有損耗，所以倏逝波在垂直于界面的方向上可以傳播能量，其能量的傳播速度為vz = n2' '-C /[(^1 sin 6)2 (U1 sin 6)2 -W2'2];其中，c為真空中的光速。那么，在待測介質(zhì)
中距離界面L處，當(dāng)入射電磁波的輻射功率有一個(gè)小的改變，即在原來單色電磁波輻射功率的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)小脈沖(該脈沖很小，幾乎不改變?nèi)肷潆姶挪ǖ墓β暑l譜)，倏逝波的輻照度對(duì)該脈沖的響應(yīng)時(shí)間為T，它滿足r = A = A^sin^2V^sin^)2-^'2 (I)
2"c那么，對(duì)不同的距離L，待測介質(zhì)中倏逝波的輻照度有不同的脈沖響應(yīng)時(shí)間，如圖3所示。其中，圖3(a)為入射電磁波的輻照度隨時(shí)間的關(guān)系，它可以由一個(gè)單色平面波疊加上一個(gè)小脈沖構(gòu)成;圖3 (b)所示不同L處(L分別等于Cl1，d2和d3，其中Cl1 < d2 < d3)倏逝波的輻照度隨時(shí)間的變化，它表示了倏逝波的輻照度對(duì)脈沖的響應(yīng)時(shí)間。最后，在某個(gè)給定的測量點(diǎn)，在待測介質(zhì)中測量點(diǎn)到“光密介質(zhì)-光疏介質(zhì)界面”的距離L處，通過測量倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間I我們可以由⑴式求得n" 2，它
滿足％,,=左Rsin沒)2Vhsin內(nèi)2二^。其中，t為倏逝波輻照度對(duì)所述脈沖的響應(yīng)時(shí)間，
TC
L為在待測介質(zhì)中測量點(diǎn)到“光密介質(zhì)-光疏介質(zhì)界面”的距離，c為真空中的光速，Ii1和n' 2分別為光密介質(zhì)和待測介質(zhì)的折射率實(shí)部，0為電磁波的入射角度。這樣，我們通過采用包括但不限于光學(xué)多道分析儀、輻照度光譜儀等光譜輻照度測量裝置測量倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間，獲得了待測介質(zhì)的折射率虛部的值。采用光學(xué)多道分析儀、輻照度光譜儀等光譜輻照度測量裝置測量倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間為本領(lǐng)域公知常識(shí)，在此不再贅述。最后，改變?nèi)肷潆姶挪ǖ念l率，重復(fù)上述操作步驟，可以求得不同頻率下，待測介質(zhì)折射率虛部的值。作為例子，兩種氣體介質(zhì)折射率虛部和頻率的關(guān)系如圖4所示，其中，圖4(a)為待測介質(zhì)折射率實(shí)部隨頻率變化的關(guān)系，圖4(b)為倏逝波相位變化隨頻率變化的關(guān)系，圖4(c)為待測介質(zhì)的折射率虛部跟頻率的關(guān)系。綜上所述，本發(fā)明的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，通過一個(gè)已知的光密介質(zhì)和待測介質(zhì)按特定的位置排列，構(gòu)成“光密介質(zhì)-光疏介質(zhì)”全反射系統(tǒng)，并測量待測介質(zhì)內(nèi)部倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)損耗(折射率虛部)的測量。此調(diào)控方法的優(yōu)點(diǎn)包括(I)該測量方法可以方便的進(jìn)行調(diào)整和反復(fù)的調(diào)整；(2)能對(duì)不同頻率下色散介質(zhì)的折射率虛部進(jìn)行測量，而不必重新更改測量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)；(3)由于倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間對(duì)介質(zhì)損耗很敏感，同時(shí)對(duì)電磁波的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量比較方便和精確，所以本發(fā)明的測量方法能具有高精確性。
可以理解的是，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而上述實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。對(duì)于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，其特征在于，包括步驟 1)在預(yù)先給定頻率范圍的電磁波內(nèi)確定待測介質(zhì)折射率的實(shí)部，并把該待測介質(zhì)定義為光疏介質(zhì)； 2)尋找一個(gè)折射率已知并且折射率實(shí)部大于待測介質(zhì)的折射率實(shí)部的光密介質(zhì)，并把光密介質(zhì)和待測介質(zhì)的位置排列構(gòu)成“光密介質(zhì)-光疏介質(zhì)”全反射系統(tǒng)； 3)用預(yù)先給定頻率范圍的電磁波從光密介質(zhì)向待測介質(zhì)入射，并調(diào)節(jié)入射角度，使電磁波在光密介質(zhì)和待測介質(zhì)的界面處發(fā)生全反射，并在待測介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生倏逝波； 4)調(diào)節(jié)上述入射電磁波的功率，使之產(chǎn)生一個(gè)很小的脈沖，同時(shí)采用輻照度測量裝置測量倏逝波的輻照度對(duì)該脈沖的響應(yīng)時(shí)間；根據(jù)倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間來計(jì)算待測介質(zhì)折射率的虛部，即獲得介質(zhì)損耗。
2.如權(quán)利要求I所述的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，其特征在于所述步驟4)計(jì)算待測介質(zhì)折射率虛部n2"的表達(dá)式為 n2''=-(ni Sm6)2抓Sm6)2 _^2-，其中，T為倏逝波輻照度對(duì)所述脈沖的響應(yīng)時(shí)間，L TC為在待測介質(zhì)中測量點(diǎn)到“光密介質(zhì)-光疏介質(zhì)界面”的距離，C為真空中的光速，Ii1和n' 2分別為光密介質(zhì)和待測介質(zhì)的折射率實(shí)部，e為電磁波的入射角度。
3.如權(quán)利要求I所述的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，其特征在于所述電磁波的入射角度Q滿足全反射條件Q > arcsinfV ^n1),其中，Ii1和n' 2分別為光密介質(zhì)和待測介質(zhì)的折射率實(shí)部。
4.如權(quán)利要求I所述的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，其特征在于所述待測介質(zhì)為無色散介質(zhì)或色散介質(zhì)。
5.如權(quán)利要求I所述的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，其特征在于所述待測介質(zhì)具有弱損耗的介質(zhì)。
6.如權(quán)利要求5所述的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，其特征在于所述具有弱損耗的介質(zhì)包括為氣體、液體或膠體中的一種。
7.如權(quán)利要求I所述的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，其特征在于所述預(yù)先給定頻率范圍的電磁波包括可見光、紅外光及微波中的一種。
8.如權(quán)利要求I所述的利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，其特征在于所述步驟4)中所述輻照度測量裝置包括但不限于光學(xué)多道分析儀或者輻照度光譜儀。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用電磁倏逝波輻照度的脈沖響應(yīng)時(shí)間測量介質(zhì)損耗的方法，包括步驟1)在預(yù)先給定頻率范圍的電磁波內(nèi)確定待測介質(zhì)折射率的實(shí)部，并把該待測介質(zhì)定義為光疏介質(zhì)；2)尋找折射率已知并且折射率實(shí)部大于待測介質(zhì)的光密介質(zhì)，并把光密介質(zhì)和待測介質(zhì)構(gòu)成全反射系統(tǒng)；3)用預(yù)先給定頻率范圍的電磁波從光密介質(zhì)向待測介質(zhì)入射，并調(diào)節(jié)入射角度，使電磁波在光密介質(zhì)和待測介質(zhì)的界面處發(fā)生全反射，并在待測介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生倏逝波；4)調(diào)節(jié)上述入射電磁波的功率，使之產(chǎn)生很小的脈沖，同時(shí)測量倏逝波的輻照度對(duì)該脈沖的響應(yīng)時(shí)間；根據(jù)該脈沖響應(yīng)時(shí)間來計(jì)算待測介質(zhì)折射率的虛部。該測量方法不僅能無損反復(fù)進(jìn)行，還可實(shí)現(xiàn)超高精度的測量。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102798611SQ20111013940
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者李偉, 蔣尋涯 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所