一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置，基于Airy光束彎曲傳播特性能夠?qū)崿F(xiàn)光束發(fā)射端和接收端均在設(shè)置待測(cè)區(qū)域一側(cè)，即可以設(shè)置在光學(xué)通光一側(cè)，便于實(shí)現(xiàn)探頭原位檢測(cè)和探頭式結(jié)構(gòu)，具有原位檢測(cè)、探頭式結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、機(jī)械定位要求低、水質(zhì)信息豐富、使用靈活、功能易于擴(kuò)充等特點(diǎn)。
【專利說明】一種基于Ai ry光束的水質(zhì)分析裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種光電檢測(cè)裝置，特別是一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置，主要用于環(huán)境檢測(cè)、生態(tài)監(jiān)控、食品安全、質(zhì)量控制、生化分析、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)藥、節(jié)能減排、過程控制、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等領(lǐng)域中的水質(zhì)檢測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0002]水質(zhì)檢測(cè)廣泛存在于環(huán)境檢測(cè)、生態(tài)監(jiān)控、食品安全、質(zhì)量控制、生化分析、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)醫(yī)藥、節(jié)能減排、過程控制、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等領(lǐng)域，檢測(cè)參數(shù)包括濁度、懸浮物、化學(xué)需氧量、生物需氧量、硝酸鹽、硫化氫等。每個(gè)參數(shù)都有其特定的定義和應(yīng)用，例如，由于流體中含有懸浮物或膠體狀微粒使原來透明的流體產(chǎn)生渾濁現(xiàn)象，其渾濁的程度為濁度；水中的硫化氫檢測(cè)存在于水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域。
[0003]在先技術(shù)中，存在水質(zhì)檢測(cè)裝置，參見德國(guó)WTW公司水質(zhì)在線檢測(cè)儀器系列中的VisoTurb型號(hào)的水質(zhì)檢測(cè)裝置，采用激光二極管光源照射被檢測(cè)區(qū)域水，在90度夾角方向上設(shè)置有一個(gè)單傳感元的光電傳感器探測(cè)這個(gè)方向上的散射光，通過標(biāo)準(zhǔn)液定標(biāo)得到被檢測(cè)水的濁度值；美國(guó)HACH公司的S0LITAX型號(hào)水質(zhì)分析儀同樣采用照射方向和散光光探測(cè)方向成90度角的結(jié)構(gòu)進(jìn)行水中濁度檢測(cè)，在先技術(shù)具有一定優(yōu)點(diǎn)，但是，仍然存在本質(zhì)不足，在檢測(cè)原理中均采用在某一個(gè)角度進(jìn)行散射光測(cè)量，所得到的水質(zhì)參數(shù)信息量小，不能很好地反映本檢測(cè)參數(shù)信息，限制了應(yīng)用范圍，影響檢測(cè)裝置的功能拓展。
[0004]Airy光束簡(jiǎn)介:自由空間中光束彎曲傳播現(xiàn)象及其應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)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(huì)發(fā)生彎曲傳播現(xiàn)象，突破了自由空間中光線直線傳播的常理，光線未受到外界干擾情況下，可以存在速度變化，具有加速度。因此，有學(xué)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(dòng)方程在Cartesian坐標(biāo)中的有限能量解。Airy光束可以保持無衍射自由空間中長(zhǎng)距離傳播，并且具有橫向偏移。至目前，自由空間中光束彎曲傳播現(xiàn)象不僅在實(shí)驗(yàn)上得到了驗(yàn)證，還被應(yīng)用于其它領(lǐng)域中，展現(xiàn)了其獨(dú)特的性質(zhì)和巨大的應(yīng)用前景。Airy光束已經(jīng)被國(guó)外學(xué)者應(yīng)用到光學(xué)微操縱實(shí)驗(yàn)中。K.Dholakia等人利用Airy光束產(chǎn)生顆粒清掃效應(yīng),將微小顆粒從一個(gè)區(qū)域清掃到另一個(gè)區(qū)域。P.Polynkin等人利用飛秒Airy光束實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)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(xué)系統(tǒng)中的傳播特性。1.Dolev等人利用非線性光學(xué)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(dǎo)Airy光束的光束分束功能。Hwang等人探索了多個(gè)Airy光束相加產(chǎn)生類貝塞爾光束的光束產(chǎn)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(fā)現(xiàn)通過機(jī)械方法或空間光調(diào)制器可以調(diào)節(jié)等離子體Airy光束的彎曲特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題提出了一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置，具體方案如下:
[0006]—種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置,包括一側(cè)設(shè)有光學(xué)通光窗口的外殼,所述的外殼內(nèi)設(shè)有朝向所述光學(xué)通光窗口發(fā)光的光源，在所述光源光束出射方向上依次設(shè)有空間光調(diào)制器和傅里葉透鏡，所述光源出射光束經(jīng)所述空間光調(diào)制器和所述傅里葉透鏡后形成Airy光束，所述Airy光束經(jīng)所述光學(xué)通光窗口入射至待測(cè)水質(zhì)，所述Airy光束經(jīng)待測(cè)水質(zhì)后光路發(fā)生彎曲并再次經(jīng)過所述光學(xué)通光窗口返回至所述外殼內(nèi)部；在所述外殼內(nèi)部、所述Airy光束的返回光路上設(shè)置有用于吸收檢測(cè)所述Airy光束的透射光電探測(cè)器。
[0007]上述方案中，光源出射光束依次經(jīng)空間光調(diào)制器、傅里葉透鏡后形成Airy光束，并經(jīng)位于外殼一側(cè)的光學(xué)通光窗口出射至位于外殼外部的待測(cè)水質(zhì)中，Airy光束在透射待測(cè)水質(zhì)后傳播方向發(fā)生彎曲并再次經(jīng)光學(xué)通光窗口返回至外殼內(nèi)部，返回至外殼內(nèi)部的Airy光束經(jīng)過了待測(cè)水質(zhì)的光學(xué)吸收，即返回后的Airy光束中包含了待測(cè)水質(zhì)的相關(guān)信息，該加載信息的Airy光束入射至設(shè)置在外殼內(nèi)部的透射光電探測(cè)器，并被透射光電探測(cè)器吸收轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出至后續(xù)處理單元，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)水質(zhì)的分析。整個(gè)方案中，光源、空間光調(diào)制器、傅里葉透鏡以及透射光電探測(cè)器均設(shè)置在光學(xué)通光窗口的一側(cè)(外殼內(nèi)部)，利用Airy光束的彎曲傳播特性實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)水質(zhì)的非接觸式原位檢測(cè),省去了對(duì)待測(cè)水質(zhì)水樣的提取、配置步驟，簡(jiǎn)化了檢測(cè)過程、提供了檢測(cè)精度。
[0008]作為優(yōu)選，所述的Airy光束的返回光路上、所述的光學(xué)通光窗口和所述的透射光電探測(cè)器之間設(shè)置有透射光聚焦透鏡。透鏡光聚焦透鏡用于將帶有待測(cè)物質(zhì)信息的Airy光束匯聚至透射光聚焦透鏡。
[0009]作為優(yōu)選，所述的外殼內(nèi)還設(shè)有用于探測(cè)所述Airy光束入射至待測(cè)水質(zhì)后產(chǎn)生的散射光束的散射光電探測(cè)器。Airy光束入射至待測(cè)物質(zhì)并彎曲傳播返回后不僅在待測(cè)物質(zhì)中發(fā)射光學(xué)透射被待測(cè)物質(zhì)吸收，同時(shí)也在待測(cè)物質(zhì)中發(fā)生散射、產(chǎn)生了散射光，散射光中同樣包含了待測(cè)物質(zhì)信息，所以對(duì)散射光的提取探測(cè)同樣有助于對(duì)待測(cè)水質(zhì)的分析，進(jìn)一步提聞檢測(cè)精度。
[0010]作為優(yōu)選，所述的散射光電探測(cè)器之前設(shè)有散射光聚焦透鏡。Airy光束經(jīng)待測(cè)物質(zhì)后所產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度較小，經(jīng)散射光聚焦透鏡匯聚有可增強(qiáng)光強(qiáng)度，提高檢測(cè)靈敏度。
[0011]作為優(yōu)選，所述的光學(xué)通光窗口設(shè)有對(duì)于所述Airy光束的透過率大于90%的可透光介質(zhì)。光學(xué)通光窗口用于透過Airy光束，所以要求光學(xué)通光窗口材質(zhì)對(duì)Airy光束的透過率高，減小光學(xué)通光窗口對(duì)Airy光束的吸收、散射從而減小整個(gè)檢測(cè)過程誤差引入；同時(shí)，光學(xué)通光窗口采用可透光介質(zhì)可起到對(duì)外殼的密封，保證外殼內(nèi)部器件免受污染。
[0012]與現(xiàn)在技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0013]現(xiàn)有技術(shù)中的檢測(cè)原理，是采用在某一個(gè)角度進(jìn)行散射光測(cè)量，所得到的水質(zhì)信息量小，不能很好地反映水質(zhì)信息，在先技術(shù)限制了應(yīng)用方法，影響檢測(cè)裝置的功能拓展。本發(fā)明基于光學(xué)吸收和光學(xué)散射光電檢測(cè)原理，利用Airy光束彎曲傳播特性，光源通過波前調(diào)制和聚焦后轉(zhuǎn)化成為Airy光束，Airy光束傳播路徑經(jīng)過被檢測(cè)區(qū)域，通過檢測(cè)被檢測(cè)區(qū)域中水的散射光和透射光場(chǎng)，分析光電信號(hào)得到被檢測(cè)區(qū)域的水質(zhì)信息，本發(fā)明基于Airy光束彎曲傳播特性能夠?qū)崿F(xiàn)光束發(fā)射和接收端均在被檢測(cè)區(qū)域一側(cè)，既可以設(shè)置在光學(xué)窗口片一側(cè)，便于實(shí)現(xiàn)探頭原位檢測(cè)和探頭式結(jié)構(gòu)，具有原位檢測(cè)、探頭式結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、機(jī)械定位要求低、水質(zhì)信息豐富、使用靈活、功能易于擴(kuò)充等特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0016]圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例的一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置,包括一個(gè)圓柱體外殼I,圓柱體外殼I的一端為光學(xué)通光窗口 2，外殼I內(nèi)設(shè)置有光源3，光源3出射光束光路上依次設(shè)置有空間光調(diào)制器4和傅里葉透鏡5，光源3出射光束經(jīng)過空間光調(diào)制器4和傅里葉透鏡5后轉(zhuǎn)換成Airy光束6，透過光學(xué)通光窗口 2照射在待測(cè)區(qū)域7，Airy光束6彎曲傳播進(jìn)經(jīng)過被檢測(cè)區(qū)域7后再次經(jīng)過光學(xué)通光窗口 2返回外殼I內(nèi)部，在返回Airy光束6光路上依次設(shè)置有透射光聚焦透鏡8和透射光電探測(cè)器9，返回到外殼I內(nèi)的Airy光束6經(jīng)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并傳輸至后續(xù)分析設(shè)備10中。
[0017]在Airy光束6入射至待測(cè)區(qū)域7中時(shí)不僅因彎曲傳播發(fā)生了光學(xué)透射，而且還發(fā)生了光學(xué)散射并輸出了散射光，在外殼I內(nèi)部還設(shè)置有用于提取、探測(cè)該散射光的散射光聚焦透鏡11和散射光電探測(cè)器12，待測(cè)區(qū)域7因Airy光束經(jīng)過所產(chǎn)生的散射光透過光學(xué)通光窗口 2進(jìn)入外殼I內(nèi)，并經(jīng)外殼I內(nèi)的散射光聚焦透鏡11匯聚至散射光電探測(cè)器12，散射光電探測(cè)器12將該散射光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸至后續(xù)分析設(shè)備10中。后續(xù)分析設(shè)備10根據(jù)輸入的透射光和散射光分析得到待測(cè)區(qū)域7水質(zhì)情況。
[0018]本發(fā)明基于Airy光束彎曲傳播特性能夠?qū)崿F(xiàn)光束發(fā)射端和接收端均在設(shè)置待測(cè)區(qū)域一側(cè)，即可以設(shè)置在光學(xué)通光一側(cè)，便于實(shí)現(xiàn)探頭原位檢測(cè)和探頭式結(jié)構(gòu)，具有原位檢測(cè)、探頭式結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、機(jī)械定位要求低、水質(zhì)信息豐富、使用靈活、功能易于擴(kuò)充等特點(diǎn)。
[0019]本發(fā)明實(shí)施例中，夕卜殼I米用不銹鋼材料的圓柱殼體，光學(xué)通光窗口 2米用藍(lán)寶石光學(xué)窗口，空間光調(diào)制器4采用振幅型空間光調(diào)制器，傅里葉透鏡5采用雙膠合透鏡，透射光電探測(cè)器9和散射光電探測(cè)器12采用線陣電荷耦合器件。其中，本發(fā)明實(shí)施例中的Airy光束產(chǎn)生技術(shù)、線陣光電探測(cè)器使用、散射光分析技術(shù)、吸收光譜分析技術(shù)、光電信號(hào)與水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系等均為現(xiàn)有成熟技術(shù)。
[0020]以上所述的【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置,包括一側(cè)設(shè)有光學(xué)通光窗口的外殼,其特征在于，所述的外殼內(nèi)設(shè)有朝向所述光學(xué)通光窗口發(fā)光的光源，在所述光源光束出射方向上依次設(shè)有空間光調(diào)制器和傅里葉透鏡，所述光源出射光束經(jīng)所述空間光調(diào)制器和所述傅里葉透鏡后形成Airy光束，所述Airy光束經(jīng)所述光學(xué)通光窗口入射至待測(cè)水質(zhì)，所述Airy光束經(jīng)待測(cè)水質(zhì)后光路發(fā)生彎曲并再次經(jīng)過所述光學(xué)通光窗口返回至所述外殼內(nèi)部；在所述外殼內(nèi)部、所述Airy光束的返回光路上設(shè)置有用于吸收檢測(cè)所述Airy光束的透射光電探測(cè)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置，其特征在于，所述的Airy光束的返回光路上、所述的光學(xué)通光窗口和所述的透射光電探測(cè)器之間設(shè)置有透射光聚焦透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置，其特征在于，所述的外殼內(nèi)還設(shè)有用于探測(cè)所述Airy光束入射至待測(cè)水質(zhì)后產(chǎn)生的散射光束的散射光電探測(cè)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置，其特征在于，所述的散射光電探測(cè)器之前設(shè)有散射光聚焦透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Airy光束的水質(zhì)分析裝置，其特征在于，所述的光學(xué)通光窗口設(shè)有對(duì)于所述Airy光束的透過率大于90%的可透光介質(zhì)。
【文檔編號(hào)】G01N21/31GK104359843SQ201410652850
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】高秀敏 申請(qǐng)人:杭州納宏光電科技有限公司