[发明专利]基于非对称液芯柱透镜精确测量液体折射率及液相扩散系数的方法

说明书

技术领域

本发明属于用单色光测量液体折射率及液相扩散系数的方法，特别是涉及单色光消球差可变焦非对称光学柱透镜。

背景技术

折射率是透明介质的重要光学参数，借助折射率能了解物质的光学性能、纯度、浓度以及色散等性质。液相扩散系数是研究传质过程，计算传质速率及化工设计与开发的重要基础数据，已广泛应用在生物、化工、医学及环保等新兴行业中。透镜很早就为人类所认识和利用，随着科学技术的不断发展，更多种类的透镜被应用在了更广泛的领域。柱透镜与球面透镜的结合使用广泛应用于激光扩束、眼镜光学、宽荧幕电影镜头等领域。但目前厂商生产的柱透镜尤其是较大口径的柱透镜总存在较大的球差，并且对于选定的柱透镜在无损的前提下是无法方便地改变其主焦距的。本发明提出之前，我们根据平行光经过装有不同液体的毛细管后会聚焦点位置不同的物理现象，提出了用玻璃毛细管精确测量微量液体折射率的原理和方法（普小云，白然，邢曼男等，中国发明专利ZL200710066016.2[P]；邢曼男，白然，普小云，精确测量微量液体折射率的新方法[J]，“光学 精密工程”，2008,16(7),1196-1202），通过该原理和方法可以测量装有不同液体的毛细管焦点位置，并计算得到毛细管中待测液体的折射率；利用毛细管成像法对液体折射率的空间分辨能力，以毛细管作为扩散池，可直接观察扩散介质在毛细管中的扩散现象（李强，李宇，孙丽存等，中国发明专利 ZL201110283339.3[P]），结合FICK第二定律计算出液相扩散系数。但是利用毛细管作为待测液体盛载装置，其测量折射率的灵敏度有限，并因此限制了其液相扩散系数的测量应用范围，只有当两种液体折射率差值较大（例如丙三醇与水）时，才可清晰的观察到介质的扩散现象。为提高折射率测量的灵敏度，我们再次设计了一种对称的液芯变焦柱透镜替代毛细管（李强，孙丽存，孟伟东等，用液芯变焦柱透镜精确测量液体折射率[J],“中国激光”，2012,39（10），1008005-1~1008005-7），但该柱透镜的设计没有考虑球差的存在对观测过程造成的影响，并且对折射率的测量灵敏度仍有待提高。

发明内容

为了进一步提高对液体折射率测量的灵敏度，拓宽液相扩散系数测量范围及稳定性，本发明旨在于原有测量装置（李强，李宇，孙丽存等，中国发明专利 ZL201110283339.3[P]）的基础上，提出一种基于非对称液芯柱透镜精确测量液体折射率及液相扩散系数的方法。

本发明通过以下方式实现：

（一）非对称液芯柱透镜

该柱透镜（6）由四个柱形光学曲面构成，柱透镜（6）光学曲面的曲率半径分别为R_i (i=1，2，3，4)，前后壁的厚度分别为d₁、d₃，柱形腔的厚度为d₂，当柱形腔填充液体时，柱透镜（6）第四个曲面到其焦线的距离s为：

（1）

式（1）中，

式中，n₀是柱透镜（6）光学曲面的玻璃折射率，n是充入柱透镜柱形腔内的液体样品的折射率。

    所述的柱透镜（6）光学曲面的曲率半径分别为R₁=60mm，R₂=25mm，R₃=-25mm，R₄=-33.8mm，前后壁的厚度分别为d₁=4mm，d₃=4mm，柱形腔的厚度为d₂=12mm，前后壁材料为K9玻璃，通光孔径为A= 32.50mm，使其充入柱形腔的液体折射率n为1.333时，成像系统的折射率变化0.001，焦线位置变化1.165 mm。

    当所述的柱形腔中充入纯水时，柱透镜（6）成像系统的球差小于20 微米。

（二）基于非对称液芯柱透镜测量液体折射率的方法

该方法是：向柱透镜（6）柱形腔中充入单一待测液体，待测液体折射率n为：

（2）

式（2）中，