低折射率（共7篇）
低折射率 篇1
摘要：采用丙烯酸接枝石蜡与苯胺酰胺化的方法制备改性石蜡,以此为黏合剂,Al粉为填料,制备出发射率可调的复合相变材料,并对复合相变材料的结构、热性能、控温效果和红外发射率进行了表征。结果表明,改性石蜡的相变温度提高了16.3%,相变潜热提高近60%,控温效果提高了39.3%,添加40%Al粉的复合相变材料的红外发射率可降至最低。
关键词：石蜡,改性石蜡,相变控温,低发射率
0 引言
飞机、导弹等由于热动力和气动加热会在3～5μm、8～14μm红外窗口波段产生强红外辐射特征而被高灵敏度红外探测设备和红外制导武器发现并摧毁,这严重威胁到军事目标安全。据统计,在过去10多年中,被击毁的飞机有90%以上是红外制导的牺牲品。因此,降低和削弱敌方红外探测设备效能的红外隐身技术受到各国军方的广泛关注[1,2,3,4,5]。红外隐身技术措施大致可概括为改变红外辐射波段、降低红外辐射强度、调节红外辐射的传输过程3个方面[1,2,3,4,5,6]。对于红外辐射强度,由波尔兹曼定律(M=εσT4)可以看出,目标的辐射强度与ε和T4成正比。因此实现红外隐身最有效的技术途径有两种:一是降低表面发射率;二是控制表面温度[7]。目前国内外的研究重点主要集中在低发射率红外隐身材料,而对于如何使用材料控制表面温度的研究则相对滞后。
相变材料是通过物体表面实现控温隐身[8,9,10,11,12]。在已研究的相变材料中,固体石蜡是一种理想的低温相变材料[13,14],但相变温度和相变潜热与实际需求有很大距离,而通过接枝改性增长石蜡碳链,增大其分子间作用力,可显著提高其相变温度和相变潜热。文献[15]利用丙烯酸(AA)极性单体与石蜡进行了接枝共聚反应,把石蜡的相变潜热提高了36.2%,但其改变相变温度的效果不明显,影响了其应用温度范围。而改性石蜡在红外波段具有高透明性,添加特殊形态的片状微米级无机粉末(Al粉和Cu粉)作为填料[16,17,18,19,20],可以降低其发射率。
本实验以改性石蜡为相变材料,采用特殊形态的片状微米级无机粉末(Al粉和Cu粉)作为填料,制备了具有低发射率的相变控温材料。采用红外光谱仪和差示扫描量热仪表征了改性的结构和热性能,成功地提高了其相变温度及相变潜热。此外,还分析了改性石蜡相变温度和相变潜热得到提高的原因,并研究了改性石蜡对控温效果的影响和填料含量对发射率的影响。
1 实验
1.1 原料
高级切片石蜡(AR),Al粉。
1.2 丙烯酸接枝石蜡酰化改性实验
在250mL四口烧瓶中加入一定剂量比的石蜡、丙烯酸,加热熔化搅拌,加入引发剂BPO,然后在一定温度下反应一段时间,即得丙烯酸接枝石蜡粗产品。用丙酮将产物沉淀分离,多次洗涤,干燥至恒重,得到丙烯酸接枝石蜡精品。在烧瓶中加入丙烯酸接枝石蜡精品、新蒸馏过的苯胺,加热搅拌,缓慢加入NaOH溶液,反应一段时间,冷却、抽滤、洗涤、干燥至恒重即得丙烯酸接枝酰化石蜡。
1.3 涂层制备
首先进行基板预处理:砂纸打磨→水洗→超声清洗→水洗→烘干,然后将改性石蜡加热熔解,加入填料铝粉,混合搅拌,制得复合相变材料;最后采用刮涂法涂于基板上,室温固化。
1.4 测试与表征
采用美国PE公司Spectrum GX-Ⅲ型傅里叶变换红外光谱仪测试样品的红外吸收光谱。采用上海精密科学仪器有限公司CDR-4P差示扫描量热仪表征样品热性能。采用试板法测量石蜡类相变材料的控温效果。采用中科院上海技术物理研究所研制的IR-2双波段发射率测量仪测量涂层在8～14μm波段的红外发射率。采用荷兰Quanta200扫描电子显微镜表征样品形貌。
2 结果与讨论
2.1 改性石蜡的性能
2.1.1 改性石蜡的红外测试
采用红外光谱仪对未改性石蜡和丙烯酸接枝酰化石蜡进行分析,如图1所示。
通过对比未改性石蜡和酰化接枝改性石蜡的红外谱图可以看出:729.68cm-1、1462.73cm-1、2849.17cm-1和2917.73cm-1处的吸收峰为石蜡碳链的特征峰;1650～1630cm-1处为C=O 伸缩振动峰(酰胺Ⅰ谱带);1420～1400cm-1处为C-N伸缩振动特征峰;3500～3520cm-1处是NH2对称和非对称伸缩振动峰,表明改性石蜡中含有酰胺官能团。
2.1.2 改性石蜡的DSC测试
通过差示扫描量热仪测试改性石蜡和丙烯酸接枝酰化改性石蜡的热性能参数、相变温度、相变潜热,结果如图2所示。
图2(a)为原料高级切片石蜡的DSC曲线。从图2(a)中可以看出,由于石蜡是由不同含碳量的烃类混合物组成的,因而在石蜡的DSC曲线上出现了2个明显的峰,其中主峰为石蜡的固-液相变峰,石蜡熔化时的基线外推点为54.7℃,计算峰与熔化起始、结束点连线围成的图的面积与石蜡质量之比为108,即石蜡的相变温度为54.7℃,相变潜热为108J/g。图2(b)为改性石蜡的DSC曲线,改性石蜡熔化时的基线外推点为63.6℃,计算峰与熔化起始、结束点连线围成的图的面积与石蜡质量之比为171.8,即丙烯酸接枝酰化改性石蜡的相变温度为63.6℃,相变潜热为171.8J/g。
由表1可知,与未改性石蜡相比,丙烯酸接枝酰化改性石蜡相变温度提高了16.3%,相变潜热提高了59.07%。分析原因可知,石蜡主要为长的直链烷烃,分子结构可表示为CH3(CH2)nCH3,根据酰胺化合成原理,丙烯酸接枝石蜡上的酰基取代了苯胺伯胺基氮原子上的氢生成酰胺,C=O与苯环Π-Π共轭,且通过氮上的氢原子形成分子间氢键缔合,如图3所示。
与石蜡相比,丙烯酸接枝酰化改性石蜡分子间作用力更大,为克服更大的分子间作用力需要吸收更多的热量增加分子动能,因而丙烯酸接枝酰化改性石蜡相变温度和相变潜热得到提高。可见,分子间作用力的提高是导致石蜡化学改性后相变温度和相变潜热明显提高的主要原因。改变相变材料分子的分子间作用力是改变其相变温度和相变潜热的一条有效途径。
2.2 改性石蜡相变材料的涂层性能
2.2.1 相变控温性能测试
采用试板法测量石蜡类相变材料的控温效果。在相同的两块试板上涂覆石蜡,用加热炉直接加热,在试板背面置点温计探头。测量随时间推移涂覆不同石蜡的试板背面温度变化,结果如图4所示。从图4中可以看出,在相转变过程中,涂覆相变潜热较大的丙烯酸接枝酰化改性石蜡的物体表面温度比未涂覆相变材料石蜡的物体表面温度至少低28℃;同样,涂覆相变潜热较小的石蜡的物体表面温度比未涂覆相变材料石蜡的物体表面温度至少低17℃,即控温效果提高39.3%。由此可见,使用同样质量的相变材料石蜡,相变潜热大的改性石蜡控温效果比较显著。
2.2.2 红外发射率测试
以石蜡为相变材料,分别添加不同含量的Al粉制成涂层,涂层发射率与含量的关系如图5所示。 由图5可知,涂层的红外发射率随着涂层中填料含量的增大而减小。这是因为随着填料含量的增大,涂层中片状金属之间的空隙减小,反射增大,吸收减小,故发射率也降低。而且,以铝粉为填料的涂层在填料含量达到40%时即可达最低,当含量再增加时,涂层的发射率不再降低,呈现一个平台,甚至在70%后发射率增大。其原因是,当填料含量小于40%时,漂浮态的片状铝粉能有序地漂浮于涂层粘合剂的表层,填料颗粒之间还存在空隙,红外线可以通过空隙穿透涂层,发射率较高,如图6(a)所示。当填料含量逐渐增大到40%时,涂层的片状填料之间空隙已经很小,红外线无法穿过金属填料层,几乎全部被反射,发射率达到最低值,起到红外隐身的目的,如图6(b)所示[19]。当填料再次增大到70%时,填料颗粒之间便不能有序地排列,相互之间参差不齐,不能形成对红外线的镜面反射效应,红外线内能够通过金属颗粒之间的空隙,使反射率反而减小,发射率增大,不利于达到红外隐身的效果,如图6(c)所示。
3 结论
(1)丙烯酸接枝酰化改性石蜡相变温度提高了16.3%,相变潜热提高近60%。
(2)丙烯酸接枝酰化改性石蜡的控温效果比未改性石蜡的控温效果提高了39.3%。
(3)添加40%Al粉的石蜡基复合相变材料的红外发射率可降至最低。
低折射率 篇2
有机硅高温涂料是耐高温涂料的主要品种,具有优异的耐热性能。以有机硅树脂为基体,添加功能性填料,可用作热防护材料、耐热透波或吸波一体化材料或其它有高温要求的功能性复合材料[10]。本实验以聚甲基苯基硅氧烷为基体,添加自制的低发射率漂浮态填料,制备了低发射率耐高温涂层,测试了涂层的发射率性能和耐高温性能,并且将涂层的结构参数与发射率相联系,分析了涂层低发射率的机理,在实际涂层的基础上对理论的涂层结构模型进行改进,建立了新的涂层结构模型。
1 实验
1.1 实验原料
铝粉,溶剂油,助磨剂,二甲苯,聚甲基苯基硅氧烷。
1.2 漂浮态铝粉的制备
将普通铝粉、助磨剂和溶剂油按质量比5∶1∶20置于球磨罐中,以转速200r/min球磨40h后过滤、干燥,即得漂浮态铝粉,漂浮率100%。
1.3 涂层的制备
将聚甲基苯基硅氧烷与二甲苯按3∶1混合,得到粘度合适的粘合剂;将自制的漂浮态铝粉与粘合剂分别按不同比例混合,磁力搅拌15min得到分散均匀的涂料,采用刮涂法均匀涂于基板上,将基板放入烘干箱中低温烘干5～6h,然后置于空气炉中高温固化2h,得到实验样品。
1.4 样品表征及测试
采用中科院上海技术物理研究所研制的IR-2双波段发射率测量仪测量涂层在3～5μm、 8～14μm 波段的红外发射率。采用荷兰Quanta 200扫描电子显微镜分析样品形貌。采用美国PE公司Spectrum GX-Ⅲ型傅里叶变换红外光谱仪测试样品的红外光谱。按GB-T1735-1979进行漆膜耐热性能测试。抗热震性测试为:将试样加热到600℃,保温15min,取出后置于冷水中冷却,而后检查表面状况,重复循环30次。涂层厚度为70μm。
2 结果与讨论
2.1 漂浮态铝粉添加量对涂层红外发射率的影响
图1为漂浮态铝粉含量与涂层分别在8～14μm和3～5μm波段发射率的关系曲线。由图1可见,当铝粉添加量在10%以下时,涂层在2个波段的发射率都偏高,在0.4以上,曲线下降幅度较小;当铝粉添加量为10%～20%时,涂层发射率有一个大幅度的降低过程,8～14μm波段发射率从0.49减小到0.20,3～5μm波段发射率从0.45减小到0.16;当铝粉填充量继续增加达到25%～30%时,涂料发射率很小,在3～5μm为0.10,在8～14μm为0.12。
为进一步研究漂浮态铝粉对涂层红外发射率影响的作用机制,对漂浮态铝粉的形貌进行了光学显微分析,图2为漂浮态铝粉的形貌图。由图2可以看到,漂浮态铝粉多为不规则的片状,粒径在20～40μm之间,与文献[9]中铝粉颗粒的粒径相接近。图3为不同含量铝粉涂层的SEM图。如图3所示,当铝粉添加量较小时,涂层红外发射率较高,这主要是由于填料含量小,形成的涂层表面存在大量孔隙,即表面存在大量粘合剂-填料界面(图3(a)),红外辐射在界面上产生多次反射,增加了红外辐射在涂层内部穿行的路径,红外辐射在涂层内部边穿行边被吸收[11],增大了涂层对辐射的吸收系数,从而导致涂层的发射率偏高。而当铝粉添加量达20%时,填料在粘合剂中分布均匀,形成了较致密的片层连续涂层(图3(b))。一方面涂层表面基本无空隙存在,涂层对辐射的吸收系数降低;另一方面片状颗粒除了表面对光线的散射外,还有较显著的边缘散射[12],漂浮态铝粉含量增多使其总边缘长度增大,相应增加了总边缘散射,提高了散射系数[9],从而导致涂层的发射率大幅度降低。当铝粉添加量继续升高到30%时,涂层非常致密(图3(c)),此时涂层对红外辐射的吸收系数小,散射系数大,从而获得3～5μm波段发射率低至0.10、8～14μm波段发射率低至0.12的涂层。
2.2 固化温度对涂层红外发射率的影响
表1为经不同温度固化后铝粉添加量为20%的涂层分别在3～5μm、8～14μm波段的红外发射率值。由表1可知,固化温度低于400℃时,涂层的红外发射率随着固化温度的升高呈下降趋势,温度为400～500℃后发射率不再发生变化。这是因为随着固化温度的升高,有机基团逐渐减少,红外吸收降低,如图4所示。
图4为不同温度固化后涂层的FTIR红外透过光谱图。由图4可见,常温下,在1000～1130cm-1处宽而强的峰是Si-O-Si的振动吸收峰,这是有机硅树脂的特征峰,2950cm-1和740～870cm-1处是Si-CH3的振动吸收峰、1605cm-1处是苯环的振动吸收峰,都是有机基团的一些特征吸收峰。涂层经200℃固化后,峰的数目减少,强度减弱,因此红外吸收降低,由吸收率等于发射率的基尔霍夫定律可知,发射率逐渐降低;涂层经400℃固化后,光谱中只剩下明显的Si-O吸收峰,有机基团的吸收峰基本消失。这是由高温下聚硅氧烷的热氧化降解引起的,主链Si原子上有机基团氧化,并由此引起了聚硅氧烷分子结构改变[13]。高温下有机基团发生了热氧化降解,形成了交联度更高更稳定的硅氧交联结构Si-O-Si键,另外在高温下与铝结合,形成了Si-O-Al的无机硅酸盐结构涂层。
图5为涂层经不同温度固化的SEM图。由图5可见,常温下(图5(a)),漂浮态铝粉漂浮在涂层表面,粘合剂将漂浮态铝粉结合在一起,部分铝粉表面被粘合剂包裹,此时涂层发射率更多的是表现粘合剂的发射率,为0.40～0.44。当固化温度升高至200℃时,涂层中粘合剂的量减少,铝粉表面没有粘附粘合剂(图5(b)),因此涂层发射率下降。当固化温度达到400℃时,涂层表面已无粘合剂,形成了新的涂层结构(图5(c)),此时3～5μm、8～14μm波段发射率分别为0.16和0.20。因此,可以认为涂层在经过400℃高温固化2h后完全固化,发射率最低。
2.3 低红外发射率涂层的耐高温性能
表2为涂层耐热性能测试结果。由表2可以看到,涂层的耐高温性、抗热震性均有良好的表现。涂层经高温固化后形成了Si-O-Si交联结构与Si-O-Al硅酸盐结构的无机涂层,具有良好的耐高温性能;涂层为片层连续结构,高温环境下,增加了氧气传质的路径长度,也起到了隔热的作用。
2.4 低红外发射率涂层的机理及模型
一定条件下,涂层的红外发射率由散射系数和吸收系数决定,而这两者都与涂层的结构参数(如涂层内含颗粒的粒径、体积比以及粘合剂的性质等)有关,低发射率涂层应具有高的散射系数和低的吸收系数[14]。徐文兰等对含片状粒子涂层的热辐射性能进行了详细的理论分析,通过涂层内颗粒和粘合剂对光学散射和吸收的推导,计算出近似的结果,认为片状铝粉涂层发射率可低至0.16左右[9],但理论计算中没有考虑实际涂层中存在的影响因素。由文献[9,12,15,16]可知,常用的涂层红外发射率计算模型结构类似于图6(a),由于理论推导计算中没有考虑实际涂层中的红外振动吸收、表面状态等影响因素,所以根据本实验制备的涂层所具有的特点,在原有理论模型的基础上进行改进,建立新的涂层结构模型,采用新模型对低发射率机理进行分析。
由以上分析结果可知,本实验制备的涂层有如下特点:(1)无粘合剂吸收;(2)表面形成致密的片层连续结构。因此该涂层有近似于图6(b)的结构。
制备的涂层具有较低的发射率,首先是因为高温固化后形成了Si-O-Si交联结构与Si-O-Al硅酸盐结构的涂层,涂层表面无粘合剂,这样粘合剂对红外辐射吸收降到了最低,在理论计算中所涉及的粘合剂吸收都可以忽略;此外,其红外光谱中只剩下了较弱的Si-O吸收峰,其余红外吸收较强的有机键的振动转变为吸收较弱的晶格振动[17],大幅度减少了有机键的振动和晶格振动的吸收,使制备的涂层也具有极低的红外振动吸收,接近于理论研究中不考虑涂层红外振动吸收的状态;因此表面无粘合剂对发射率的降低有重要的作用。然后,对比图6(a)与图6(b)可知,理论涂层的表面是较松散的结构,而制备的涂层表面是致密的片层连续结构,由对发射率降低的分析可知,致密的片层连续结构比松散的结构具有更高的散射系数和更低的吸收系数,因而具有更低的发射率。
综上所述,在采用相近铝粉颗粒的基础上,相比于理论涂层的发射率计算结果,本实验制备的涂层应具有更低的发射率。通过消除粘合剂吸收以及形成致密的片层连续结构,经两方面的协同作用,所制备涂层的发射率达到0.10～0.12。
3 结论
(1)以有机硅树脂为粘合剂,配以自制漂浮态铝粉,制得了一种具有红外低发射率的耐高温涂料;漂浮态铝粉添加量为25%～30%时,经过400℃固化2h后,3～5μm波段发射率为0.10,8～14μm波段发射率为0.12。
(2)固化后的耐高温涂层在600℃时能长时间使用,在700℃时能短时间工作,最高耐受温度为730℃。
(3)通过消除粘合剂吸收以及表面形成致密的片层连续结构,两者协同作用制得了具有低红外发射率的涂层。
负折射率超材料实现光线增强 篇3
普渡大学电子和计算机工程系教授弗拉基米尔·沙拉耶夫团队用渔网样薄膜和银、氧化铝叠层研制出新的光学超材料。他们将银和不传导的氧化铝交替层堆叠在一起, 在薄膜上挖出直径100nm的小洞, 小洞交织在一起呈现出渔网图样, 接着蚀刻掉银层之间的一部分氧化铝, 并代之于一种由能增强光线的彩色染料制成的“增益介质”。该材料是一种可增强光线的负折射率超材料, 从而扫除了超材料在光学技术领域大展拳脚的根本障碍。新研究预示着, 研究人员能据此研发出功能超强的显微镜、计算机甚至隐形斗篷。相关研究成果发表在8月5日出版的《自然》杂志上。
由负折射率引发的教学思考 篇4
一、什么是负折射率
关于折射定律初中物理教材是这么说的: 在自然物质中,折射光线总是与入射光线分别位于法线的两侧。然而就像北京这道高考题描述的一样,近几年来研究发现,某些特殊的材料可以使光线向相反的方向折射,即当光线从普通材料斜射到负折射率材料上时,折射光线向入射光线方向偏折而不是向法线另一方向偏折。
这种材料就是负折射介质,又称左手媒介材料,是当介电常数和磁导率同时为负时的一种崭新的人工合成电磁材料。前苏联科学家VG Veselago在1968年首先提出可能存在介电常数和磁导率同时为负的负折射率介质。由于自然界中没有天然的负折射率介质,所以他的预言一直未受到重视。直到1998年英国皇家科学院的Pendry JB提出制作负折射材料的思路,美国加州大学圣迭戈分校的Smith DR等人在Pendry JB的理论研究基础上将导电开口谐振环和金属线按照一定图案周期性排列,首次构造出介电常数和磁导率同时为负的人工复合介质,并观测到了微波的负折射现象,从而重新点燃了人们对“左手材料”研究的热情。尤其是在2003年,“左手材料”的研制赫然进入了美国Science杂志评出的2003年度全球十大科学进展,引起全球瞩目。近几年关于负折射介质出现了许多新的成果并在许多领域有重大的应用,如延迟线耦合器、天线收发转换开关等方面。
二、负折射率的理论基础
在人教版物理3 - 4中关于折射率是这样描述的: 任何介质的折射率都大于1。现在从电动力学的角度推导负折射率存在的理论基础。
由Maxwell方程:
由此可知在常规介质中电场强度E,磁场强度H和传播矢量k之间符合右手螺旋关系。假如介质的μ和ε 中一个是正数而另一个是负数,这时k2=ω2με < 0,k无实数解,即方程无波动解,电磁波就不可能在其中传播。
如果介质的ε和μ 都小于零,k2=ω2με > 0,k有实数解,即方程有波动解,电磁波就可以在其中传播,但是传播的规律与在常规介质中的规律不同。从上述式可以明确看出,对于这种介质,E,H和k三者不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系。这种媒质被Veselago称为“左手介质”,而把通常的介质称为“右手介质”。
三、对中学物理教学的启示
无论是在初中物理教材还是高中物理教材中,折射率n都是被描述一定是大于1的。在前面的介绍中,不论是从理论上还是实验的证实上,随着科技的进步,物理学的完善,科学家们发现了负折射现象。一线物理教师在讲授折射率时如果还是照本宣科,不去介绍一些关于折射率的物理前沿知识,显然是不符合新时代对物理教师的要求的。传统的物理教学只涉及物理学基础内容,但是物理学是一个系统,需要不断地更新和完善。物理学中的基础知识、内容框架并不是一成不变的,是在发展中不断完善的。物理教师传授给学生的应该是物理的思维、物理的方法,而不是死的知识,将物理学的前沿知识排斥在物理教育之外,易使学生丧失创新性。
基于SPR的液体折射率检测研究 篇5
文中通过Mathematica软件仿真,首先分析待测介质折射率变化对表面等离子体共振反射谱的影响,同时进行了灵敏度的标定。在此基础上,设计并开展了溶液折射率测定实验,得到了较优的反射光谱曲线及灵敏度变化曲线,验证了理论结果,将实验曲线进行数据处理可以实现对介质折射率的测定,为新型折射率传感器的设计打下基础。
1 SPR基本原理及理论仿真分析
1.1 SPR基本原理
目前,基于SPR原理测量待测溶液折射率变化的实验模型多采用Kretschmann模型[7],即“玻璃棱镜-金属薄膜-待测溶液”,如图1所示。Kretschmann模型采用真空蒸镀等方法在棱镜全反射表面镀一层数十纳米厚的金属薄膜,并将待测溶液与金属薄膜接触。在满足一定条件下,实现入射光波与表面等离子波SPW(surface plasmon wave)波矢匹配,产生等离子体共振,入射光能量被吸收,导致反射光能量急剧下降,从而在反射光谱上出现吸收峰以达到检测待测溶液折射率的目的。同时,为达到波矢匹配,需要入射光存在平行于金属薄膜表面传播的电场分量[8],所以入射光应选取TM偏振光。
由于光的固有频率在介质中传播不会发生改变,所以透入到金属薄膜的倏逝波的频率与入射光相同,其波矢量在x轴方向为
式(1)中w为入射光的角频率,θ0为入射角,c为真空中光速,ε0为棱镜的介电常数。
在金属薄膜与待测溶液的分界面上,根据Maxwell方程推导出的SPW波矢kspw为
式(2)中ε1为金属薄膜介电常数实部,ε2为金属薄膜表面待测溶液的介电常数。若倏逝波与SPW波传播方向及频率相同,则能出现共振。因此当kx=kspw时,就会产生表面等离子共振现象,表现为部分入射光能量被SPW吸收。此时的入射角θ0即为共振角θ,可由式(1)、式(2)推得。
1.2 理论仿真及分析
根据上述Kretschmann结构模型,文中采用模拟角度扫描[9]的信号检测方法,即采用固定入射光波长,改变入射角度的方法,利用软件Mathematica进行理论仿真模拟。仿真取入射光波长为650 nm在该波长下的金薄膜Au介电常数εAu为-16.24+1.24i(此值考虑到金属的色散),金薄膜厚度d=30nm,棱镜的折射率n0=1.515,待测溶液的折射率n2分别为1.332 8、1.345 0、1.352 1、1.360 2。模拟入射角在60°~85°之间变化时的SPR现象的光谱图,如图2所示。从图中可以发现,不同折射率的样品溶液,其反射光谱曲线均先上升,之后快速下降至某一最低点(即达到共振角)再回升,对于不同的溶液样品,其反射谱中的共振角值不同。进一步分析发现,随样品溶液折射率从1.332 8逐渐增大到1.360 2时,反射光谱中共振峰的位置相应向右偏移(蓝移),其对应的共振角也逐渐增大。这表明改变样品折射率将会影响SPR共振角度值,且两者具有对应关系式(3),依据该关系式,理论上可以通过检测反射谱共振角确定待测样品的折射率。
此外,灵敏度是衡量SPR理论仿真的重要参数指标,其意义可表示为共振角(或波长)与被测样品折射率变化量之比[10]。根据图2,对理想条件下不同折射率样品下的共振角进行数据提取,依次得到折射率n2为1.332 8、1.345 0、1.352 1、1.360 2时的共振角69°、70.4°、71.2°、72.2°,如图3所示,经线性拟合计算该条件下的灵敏度可达到116.3deg/RIU。
利用上述现象中,对应反射率最低点的SPR共振角随样品折射率变化的特性,可以进行溶液折射率的检测。在进行样品溶液折射率测定时,通过多次改变入射角的值,可以得到反射率随入射角变化的曲线,从而得到该样品溶液所对应的SPR共振角。
2 检测及分析
2.1 检测装置
采用基于SPR原理测量样品溶液折射率的实验平台如图4所示,主要包括:所使用的光源为红色半导体激光器,波长为650 nm;角度旋转装置包括角度旋转转轴,三轴位移平台等,其型号为Philips XRD PW3020,主要用于实验中改变入射角;制作的Kretschmann测量模型由镀有Au薄膜的K7玻璃棱镜和样品槽组成;光电探测器由光功率计和与光功率计配套的探测器构成,用于实验中光强度检测。
在实验过程中入射光首先经棱镜外表面折射,然后以大于全反射角度值入射到棱镜-金薄膜界面,因此在该实验过程中需要对入射光方向进行前期调整,从而满足全反射条件,如图5所示。实验中采用的棱镜横截面为等边三角形,经计算得到的实际入射角θ0关系式为
式(4)中θin为入射光在棱镜外表面入射角,n0为棱镜的折射率。
激光器发射光源的波长为650 nm,棱镜采用K7玻璃(折射率为1.515),对棱镜全反射界面镀一层约30 nm的金属薄膜,将测量模型安装在角度旋转转轴上,从而通过个人PC精确控制角度旋转转轴改变入射角度。实验样品采用配置的蒸馏水与酒精混合溶液,之后利用商业折射率计(其标准波长589.3 nm)对混合溶液进行折射率测定,并放于制备好的样品槽中,样品槽中溶液能实现与金属薄膜表面充分接触。实验中通过对光电探测器接收到的光强信号进行数据采集及整理,这样就可以得到不同折射率条件下混合样品溶液的反射光谱图,即反射光强度与入射角变化曲线。
在本实验中,光源没有经过偏振器,从而该入射光源存在P偏振光和S偏振光,光强各占50%。由于S偏振光不能激发SPR现象,并且当光源以大于全内反射角入射到棱镜-金薄膜界面时S偏振光的反射率接近1。因此,光源不经过偏振器,理论上对实验获得的光谱曲线变化影响微弱,可忽略不计。
2.2 结果分析
实验中改变蒸馏水与酒精的配比量,经折射率计检测得到混合溶液折射率分别为1.332 8、1.345 0、1.352 1、1.360 2。经实验获得的反射光强度与实际入射角θ0关系如图6所示。从曲线中可以看到,与理论分析基本一致,反射光强度存在最小值(此时的光强反射率也为最小值),且最小光强对应的入射角(即共振角)依次为72.47°、73.11°、74.27°、74.73°;四种混合溶液折射率越大对应的共振角也越大,但对应的共振角实验值与理论值存在一定偏差,偏差值约为3°。经分析比较,理论曲线是建立在理想条件下平面TM偏振光入射。而在实验过程中,经过棱镜表面的透射光强度会受到入射角度的变化影响;实验中金属薄膜及样品溶液对光能量存在一定吸收;实验测得的数据进行曲线拟合时也存在一定的拟合误差。综上所述,实验所得的SPR曲线与理论曲线会存在一定的偏差。
另外,灵敏度作为衡量该SPR测量实验的重要参数指标,在测量实验中会受到光源波长,棱镜,金属薄膜材料等因素的影响[10]。在本实验中,对图6中不同折射率下的共振角进行数据提取,绘制灵敏度曲线如图7所示。对灵敏度曲线进行线性拟合获得的灵敏度值约为86.88 deg/RIU,为该实验下测得的灵敏度值。在实际应用中,为实现溶液折射率的测量,可以对实验得出的灵敏度曲线进行误差校准,然后将灵敏度曲线数值离散化,将其以二维表的形式存储到微处理器中,在检测到共振角度值后,利用查表的方法得到待测溶液的折射率值。为提高溶液折射率测量的准确性,在之后测量实验中,可以通过减小相邻的待测溶液折射率差值获得更密集的共振角值,从而获得更精确的灵敏度曲线,此工作有待进一步进行。
3 结论
本文提出了一种基于SPR测量样品溶液折射率的检测方法。该方法首先通过利用Mathematica仿真软件,分析了SPR的工作原理,研究了不同折射率的待测样品对Kretschmann模型SPR传感特性的影响,发现样品折射率不同其共振角不同,且随样品折射率增大其对应的共振角也增大。在此基础上,通过折射率测量实验进行了验证分析,并对测量结果进行了误差分析,标定了检测灵敏度值可达86.88 deg/RIU。研究结果为用SPR原理设计折射率计奠定了基础。
摘要：精确的折射率测量可以深入的了解介质微小的物理或者化学变化。提出一种基于Kretschmann棱镜结构的SPR折射率检测方法。首先利用Mathematica软件重点分析Kretschmann模型结构下待测样品折射率变化对表面等离子体共振吸收峰的影响,得到吸收峰随样品折射率的变化关系。在此基础上,构建Kretschmann模型并进行了酒精与水混合溶液的折射率测量。最后得出该方法能够有效检测到样品反射谱曲线,且与理论曲线趋势基本一致,在1.33~1.36折射率范围内检测的灵敏度可达86.88 deg/RIU。本研究方案对研制表面等离子体共振折射率传感器具有良好的价值。
关键词：传感器,折射率检测,表面等离子体共振,灵敏度
参考文献
[1] Englebienne P,Hoonacker A V,Verhas M.Surface plasmon resonance:principles,methods and applications in biomedical sciences.Journal of Spectroscopy,2003;17(2-3):255-273
[2] Williams C,Addona T A.The integration of SPR biosensors with mass spectrometry:possible applications for proteome analysis.Trends in Biotechnology,2000;18(2):45-48
[3] Wang T J,Tu C W,Liu F K,et al.Surface plasmon resonance waveguide biosensor by bipolarization wavelength interrogation.Photonics Technology Letters,IEEE,2004;16(7):1715-1717
[4] Ladd J,Taylor A D,Piliarik M,et al.Label-free detection of cancer biomarker candidates using surface plasmon resonance imaging.Analytical and Bioanalytical Chemistry,2009;393(4):1157-1163
[5] Liedberg B,Nylander C,Lunstr?m I.Surface plasmon resonance for gas detection and biosensing.Sensors and Actuators,1983;4:299-304
[6] Homola J,Yee S S,Gauglitz G.Surface plasmon resonance sensors:review.Sensors and Actuators B:Chemical,1999;54(1):3-15
[7] Kretschmann E,Raether H.Notizen:radiative decay of non radiative surface plasmons excited by light.Zeitschrift für Naturforschung A,1968;23(12):2135-2136
[8]张天浩,尹美荣,方哲宇,等.表面等离子体共振技术的一些新应用.物理,2005;34(12):909-914Zhang T H,Yin M R,Fang Z Y,et al.New applications of surface plasmon resonance technology.Physics,2005;34(12):909-914
[9] Beusink J B,Lokate A M C,Besselink G A J,et al.Angle-scanning SPR imaging for detection of biomolecular interactions on microarrays.Biosensors and Bioelectronics,2008;23(6):839-844
用光速测定仪探究水的折射率 篇6
折射率是光学介质的一个重要的物理参数,反映了物质的光学基本性质。液体的折射率与其浓度存在着一定的关系,如果能建立起两者之间的经验公式,则已知其中的任意一个量就可以计算出另一个量,这在生产部门和中学及高校实验中是很有实用价值的。目前测量透明介质折射率的方法和仪器很多,普遍采用的是分光计法,但分光计的调整过于复杂,且操作不便。本文采用一种新的方法进行实验,利用光速测定仪,通过改进仪器的光路,以达到测量水的折射率的目的。
2设计方案
2.1研究目标
本实验是利用水介质放入其中一个光路中改变该光程从而测出水的折射率。
2.2主要内容
本实验是利用激光束通过声光移频器,获得具有较小频差的两束光,它们迭加则得到光拍;利用半透镜将这束光拍分成两路,测量这两路光拍到达同一空间位置的光程差和光拍的频率从而测得光速。在实验中将一光路上放上待测介质,由于光程被改变要达到原来的状态,即两光拍相位差2π,必定要移动可滑动滑块B,当两束光程差又为2π时示波器上的两波行再次重合。根据公式:
即可测算出水的折射率。
3实验原理
根据光程定义,当真空中传播的光通过折射率>1的透明介质时,其光程将增加。设透明介质沿光路方向长度为d,未将其放入光路中时,光在这段距离d内的光程为(c为光速)。若将透明介质置于光路中,则光在介质中的光程为vd=cnd。因此,透明介质加入前后的光程差为cd(n-1)(n为折射率),相当于光在真空中传播d(n-1)的光程,如图1所示。
光速c=s/Δt=fλ′λ可以方便地测得,但光频f大约104Hz,我们没有那样的频率计。如果使f变得很低,例如30MHz,那么波长约为10m。这种测量方法是十分方便地。这种使光频“变低”的方法就是所谓“光拍频法”,简称“光拍法”。本实验是利用激光束通过声光移频器,获得具有较小频差的两束光,它们迭加则得到光拍,利用半透镜将这束光拍分成两路,测量这两路光拍到达同一空间位置的光程差(当相位差为2π时光程差等于光拍的波长f)和光拍的频率从而测得光速。在实验中将一光路上放上待测介质如图2所示,由于光程被改变要达到原来的状态,即两光拍相位差2π,必定要移动可滑动滑块B,当两束光程差又为2π时示波器上的两波行再次重合。
根据无介制和有介质时光程相同可以推得介质的折射率为:
其中l1=e+f′l2=e′+f′l2
4实验过程
调节好仪器和光线,使远光程、近光程的光斑都打在仪器的光敏面上,打开斩光器,然后移动可移动滑块B,直到示波器上两光波完全重合,如图3所示。测量远光程中的e,f段数据。继续实验,在远光程中放上装满水的玻璃管,如图4所示,此时由于光线穿过介质而发生了改变,再次调节可移动滑块B,直到两光波再次完全重合,如图3所示。
在测定一些液体的折射率的时候,一些液体可能有毒,不小心沾染染到液体会对人体造成危害。使用本实验的方法可以避免危害。可以广泛的用在化工、医药、食品、石油等工业部门及中学、高校用于测量液体折射率的实验中。
参考文献
[1]姜德生,魏仁选.基于光纤F-P干涉波长的溶液浓度测量系统研究[J].中国激光,2004.
[2]李远琴,杨永安.用光速测量仪测量玻璃的折射率[J].楚雄师范学院学报,2008.
[3]竺江峰.大学物理实验教程[M].北京:中国水利水电出版社,2011.
低折射率 篇7
将现在比较热门的SPR技术与测量溶液浓度相结合。研究SPR技术在溶液浓度测量方面的应用,利用光激发棱镜表面等离子体共振技术和光强检测SPR传感器模型测量溶液浓度。为测量与研究,详细说明了实验方案以及各种装置的选择,并用测量结果验证浓度和折射率的线性关系,用MATLAB仿真光反射率与棱镜折射率的变化规律。
1 实验系统的总体设计方案
溶液的浓度是表征溶液特性的主要参数之一,对溶液浓度的测量与控制在造纸、化工、制糖、乳制品、制药、饮料等行业中有着广泛的应用,它是保证和提高产品质量的重要技术手段。在以棱镜反射光为基础的测量方法,在入射角小于临界角情况下的测量依据菲涅耳公式[3]。基于光激发表面等离子体测试溶液浓度,由于在靠近临界角的区域反射能量随角度的变化十分显著,所以测量的灵敏度较高,因此采用反射方式直接进行检测,做到快速简便,在现实中有广泛的应用。
在基于SPR的设计中,从激光器出来的光经P光起偏器产生TM波,TM经过光纤耦合器,垂直进入传感棱镜的底部并发生全反射,在金属薄膜和待测介质的界面激励表面等离子体共振,反射光经过光纤准值器耦合到达光探测器。其设计方案如图1所示。
2 溶液浓度测量设计
分别对不同浓度的食盐水溶液和蔗糖水溶液进行了测量,确定浓度与折射率之间的关系,再用所设计的光纤溶液浓度传感器进行测量,比较所得结果。
2.1 用数字阿贝折射仪测出各份溶液的浓度
首先配置食盐水溶液和蔗糖水溶液,准备5等份的食盐和蔗糖,每一份有5 g,取200 mL的水然后逐步将食盐或者蔗糖溶解在水里,每溶解一份就测量一下数据,并做下记录。由记录的数据经过EXCEL进行线性相关度的计算,可得到食盐溶液的拟合系数a≈-4 175.8,b≈3 114.2和相关系数R≈0.995 1,由此得到食盐溶液的浓度和其折射率关系的数学模型为y=3 114.2n-4 175.8,计算图2和折射率关系图3如下:
记录下的蔗糖溶液浓度和折射率的关系数据经过EXCEL进行线性相关度的计算,可得到蔗糖溶液的拟合系数a≈-726.84,b≈547.21和相关系数R≈0.998 5,由此得到蔗糖溶液的浓度和其折射率关系的数学模型为y=547.21n-726.84,计算图4和折射率关系图5如下。
2.2 结果分析
根据两种溶液的相关系数R和图2图3知,在溶液浓度较低时,其浓度与折射率显著线性相关,说明作线性拟合是合理的。说明了溶液浓度较小时,溶液的浓度与其折射率近似成线性关系[1]。
3 Matlab编程仿真研究SPR
3.1不同折射率棱镜与SPR传感器共振角的关系
SPR传感器的反射率取决于棱镜的介电常数ε0,入射角度θ,金属膜的相对介电常数ε1,金属膜的厚度d,以及待测物质的介电常数ε2,其中待测物介电常数是我们需要得到的量值,金属膜的厚度和介电常数一旦选定,不再改变[6],故需要求出不同角度下,反射率与共振角度之间的关系,以确定最大共振角度。
由图6可以得出,不同的棱镜材料对于测量的结果有影响。棱镜折射率越大,共振峰值角越小。因此,从本测量仪器应用范围,性能和使用稳定性综合考虑,选用了折射率为1.52的K9光学玻璃材料的棱镜。
n1,n2显示了理论计算三层结构中,金膜和银膜的SPR共振角—反射率曲线,从图中可以看出,在相同条件下,金膜的共振峰深度、共振角度以及峰值半宽度这三个特性都比银膜好,而且金膜可以确保在无保护膜情况下不易氧化,能够在空气中稳定使用,综合考虑选定金膜为敏感膜。
3.2 光强度调制型SPR传感器测量溶液浓度
由于SPR是入射光的倏逝波与被测介质表面的等离子波形成共振,所以只要能达到共振就会有SPR现象产生。固定的入射角最好大于或接近测量范围内最大浓度对应的蔗糖溶液的全反射临界角。选棱镜的折射率为1.52,光源波长为633 nm,测量蔗糖溶液的浓度所对应的折射率范围为1.77～1.79,折射率为1.79的蔗糖溶液所对应的全反射临界角为56.6°,这样固定的入射角必须大于56.6°。当入射角分别为56.8°,59°,65°时,通过仿真得到介质折射率与光强反射率的变化关系如图7所示。
图5中实线对应的入射角为56.8°,点线对应的入射角为59°,虚线对应的入射角为65°。从图可以看出,入射角为53.8°时曲线的斜率最陡,也就是说具有较高的测量灵敏度;入射角为59°与65°曲线比较平坦,此入射角时测量灵敏度较低。因此,固定的入射角角度大于或接近于测量范围内最大浓度对应的全反射临界角时,测量灵敏度较高。在固定入射光角度、棱镜折射率、金属膜材料和厚度的情况下,在测量范围内随着待测液体的折射率 (溶液浓度) 逐渐增大,反射率逐渐减少,并且是一条线性函数。所以可以从此测量曲线中算出不同浓液的浓度。
4 结论
从实验所得到的浓度和折射率的关系可以看出:在取平均温度的情况下,对于食盐溶液和蔗糖溶液来说,它们的折射率与浓度的对应关系有线性关系。
我们从其他科研人员用棱镜传感器对牛奶溶液的测量结果中可以看出:牛奶的压差比和折射率也有着线性关系[7]。测量结果与实际计算值也吻合的较好,试验中棱镜传感器的不确定度优于1%。在测量压差V0,V1时应尽量保证折射率为n0及n1的溶液具有相同的温度,这样可以消除温度差异对传感器探头介质折射率的影响。从而提高温差比的测试值V0,V1的准确性,减小系统误差。
参考文献
[1]张志伟,武志芳.一种测量溶液浓度的光纤传感器[J].中北大学学报(自然科学版),2005,26(3):216-218.
[2]张志伟,尹卫峰,温廷敦,等.溶液浓度与其折射率关系的理论和实验研究[J].中北大学学报(自然科学版),2009,30(3):281-285.
[3]张志伟.基于表面等离子体共振的光纤传感技术研究[J].山西电子技术,2009(3):80-81.
[4]曾捷,梁大开,曹振新.棱镜型表面等离子体波传感器测量液体折射率的研究[J].应用激光,2003,23(2):97-99.
[5]张梅,张季熊.用棱镜内反射传感方法测量液体浓度[J].华南理工大学学报(自然科学版),2002,30(12):77-80.
[6]R..J.Keys Springer-verlag Berlin Heidelberg.Opticaland Infrared Detectors[M].New York,1980.