一种基于紫外光纤光栅的紫外分光光度计装置
阅读说明：本技术 一种基于紫外光纤光栅的紫外分光光度计装置 (Ultraviolet spectrophotometer device based on ultraviolet fiber bragg grating ) 是由 李正勇 梁磊 吴崧 涂彬 曾菲虹 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于紫外光纤光栅的紫外分光光度计装置,包括光纤环形器,光纤环形器包括用于连接紫外光源的第一端口、用于连接紫外光纤光栅的第二端口和用于连接光强调节器的第三端口；紫外光源通过光纤与第一端口连接,紫外光源通过第一端口向光纤环形器输入宽带紫外光；紫外光纤光栅通过光纤与第二端口连接；光强调节器一端通过光纤与第三端口连接另一端与样品池连接；分析模块与样品池连接,分析模块可对样品池吸收后的紫外光进行分析。与现有的技术相比,本发明具有如下优点：该紫外分光光度计采用全光纤结构,全面替换现有技术中的离散光学元件,大大简化结构、缩小体积、提高控制精度,同时光纤成本比透镜低可节约成本。(The invention discloses an ultraviolet spectrophotometer device based on an ultraviolet fiber bragg grating, which comprises an optical fiber circulator, wherein the optical fiber circulator comprises a first port for connecting an ultraviolet light source, a second port for connecting the ultraviolet fiber bragg grating and a third port for connecting a light intensity regulator; the ultraviolet light source is connected with the first port through an optical fiber, and the ultraviolet light source inputs broadband ultraviolet light to the optical fiber circulator through the first port; the ultraviolet fiber grating is connected with the second port through an optical fiber; one end of the light intensity regulator is connected with the third port through an optical fiber, and the other end of the light intensity regulator is connected with the sample cell; the analysis module is connected with the sample cell, and the analysis module can analyze the ultraviolet light absorbed by the sample cell. Compared with the prior art, the invention has the following advantages: the ultraviolet spectrophotometer adopts an all-fiber structure, comprehensively replaces discrete optical elements in the prior art, greatly simplifies the structure, reduces the volume, improves the control precision, and simultaneously has lower fiber cost than a lens and can save the cost.)
技术领域
本发明涉及分光光度计技术领域，特别是涉及一种基于紫外光纤光栅的紫外分光光度计装置。
背景技术
在生物工程中利用紫外可见光分光光度计研究物质对单色光的吸收是对物质进行定量、定性分析的一种高效手段。它是利用分光光度法将成分复杂的光分解为波长单一的光谱线，并基于物质的吸收光谱来对物质的结构、成分以及物质的相互用进行分析的一种生命科学仪器。因此紫外分光光度计可以用于实验室内化学测定、医学分析、环境标物的追踪检测等。
紫外可见分光光度计的光学系统主要包括光源、单色器、样品池、探测器、信号处理及结果输出等6大部件。单色器部件由棱镜、平面光栅、凹面光栅发展为全息光栅，检测器由光电池、光电倍增管发展为光电二极管阵列，仪器的精度和信噪比得到了提高。说明书附图2展示了现有技术典型代表实例，光源输出的光，进入聚光镜进行扩束和放大，经过狭缝光阑后输出到凹面光栅，通过电机转动可以旋转需要输出的波段，然后经反射镜输出，进入样品池后，被吸收后的光进入光电探测器进行光电转换最后输入信号处理系统处理。
然而上述紫外可见分光光度计的光学系统还存在以下缺点：一、体积大、机电系统结构复杂，需要通过透镜聚焦、准直镜准直以及伺服电机驱动凹面光栅的旋转来选择单色光，系统整体功耗高，升级空间有限。二、控制精度要求高，电机及机械结构的自身误差会对整个系统造成致命的影响。同时在外界环境的震动干扰下，内置的分色滤光片和波长调整装置均有可能发生位置变动让波长漂移。因此系统抗震动性差，工作稳定性有待提高；三、凹面光栅制备工艺复杂、维修成本高。因此研究一种更高精度、更高稳定性的紫外分光系统成为一项十分迫在眉睫的任务。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术的问题，提供了一种基于紫外光纤光栅的紫外分光光度计装置。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
一种基于紫外光纤光栅的紫外分光光度计装置，包括：
光纤环形器，光纤环形器包括用于连接紫外光源的第一端口、用于连接紫外光纤光栅的第二端口和用于连接光强调节器的第三端口；光纤环形器为三端口非互易光学器件。信号若从第一端口输入，则从第二端口输出；而信号从第二端口输入，则将从第三端口输出，其输出损耗都很小。光从第二端口输入时，从第一端口输出时损耗很大，同样光从第三端口输入时，从端口第一端口和第二端口中输出时损耗也很大，隔离性高，插入损耗小。
紫外光源，紫外光源通过光纤与第一端口连接，紫外光源通过第一端口向光纤环形器输入宽带紫外光；
紫外光纤光栅，紫外光纤光栅通过光纤与第二端口连接，紫外光纤光栅内设有折射率调制区，紫外光纤光栅接收第二端口输入的宽带紫外光后可通过折射率调制区将满足相位匹配条件的窄带紫外光反射入光纤环形器内；
光强调节器，光强调节器一端通过光纤与第三端口连接另一端与样品池连接，光强调节器可以实时调节进入样品池的紫外光光强；
分析模块，分析模块与样品池连接，分析模块可对样品池吸收后的紫外光进行分析从而显示检测样品的参数。
进一步的，分析模块包括紫外光纤光栅解调仪和信号处理与显示单元，紫外光纤光栅解调仪一端连接样品池另一端连接信号处理与显示单元，紫外光纤光栅解调仪可将经过样品池的窄带光转换为电信号并解析出光栅光谱携带信息，信号处理与显示单元接收信息后输出检测样品相关信息。
进一步的，折射率调制区周期性的分布在紫外光纤光栅内，其作用类似传统凹面光栅或者平面光栅。
进一步的，窄带紫外光的相位匹配条件为λ＝2neffΛ，λ为谐振波长，neff为光栅折射率，Λ为光栅周期。
进一步的，折射率调制区可通过调节光栅周期改变紫外光纤光栅反射回去的紫外光光波长。
进一步的，折射率调制区可通过调节光栅折射率改变紫外光纤光栅反射回去的紫外光光波长。
进一步的，分析模块还包括可外接设备的通信接口。
进一步的，紫外光纤光栅解调仪内设有用于实时同步解调的高速并行多通道。
进一步的，光纤为抗辐射紫外光纤。
进一步的，光纤环形器、紫外光源、紫外光纤光栅、光强调节器和分析模块均采用光纤连接。相比现有技术中通过透镜组合反射光路传输光纤传输损耗更小结构也更为紧凑。
一种通过紫外分光光度计的样品检测方法，包括以下步骤：
S01启动紫外光源使其通过抗辐射紫外光纤向光纤环形器输出宽带紫外光；
S02光纤环形器通过抗辐射紫外光纤将宽带紫外光输入紫外光纤光栅；
S03紫外光纤光栅将满足相位匹配条件的窄带紫外光反射入光纤环形器内；
S04光纤环形器将窄带紫外光输入光强调节器内；
S05光强调节器实时调节紫外光输出光强后将其输入样品池；
S06紫外光在样品池内被吸收特定波长后进入紫外光纤光栅解调仪内；
S07紫外光纤光栅解调仪对紫外光进行光电转换后向信号处理与显示单元输送电信号；
S08信号处理与显示单元接收电信号分析处理后输出检测样品的相关信息。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：一、该紫外分光光度计采用全光纤结构，全面替换现有技术中的离散光学元件，大大简化结构、缩小体积、提高控制精度，同时光纤成本比透镜低可节约成本。二、利用紫外光纤光栅替代传统的凹面光栅，可减少维修成本和系统功耗，提高系统稳定性和分辨率。三、紫外光纤光栅解调仪内设有用于实时同步解调的高速并行多通道。可提高扫描速度、光度准确性和稳定性，解决传统光电探测器功能单一，信息处理速度慢的问题，提高光电转换和数据处理能力。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本申请作进一步详细的说明。
图1是本发明的一种基于紫外光纤光栅的紫外分光光度计装置的结构示意图。
图2是现有技术中的紫外分光光度计结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，一种基于紫外光纤光栅的紫外分光光度计装置，包括：
光纤环形器2，光纤环形器2包括用于连接紫外光源1的第一端口、用于连接紫外光纤光栅3的第二端口和用于连接光强调节器4的第三端口；在本实施例中，光纤环形器2为三端口非互易光学器件。信号若从第一端口输入，则从第二端口输出；而信号从第二端口输入，则将从第三端口输出，其输出损耗都很小。光从第二端口输入时，从第一端口输出时损耗很大，同样光从第三端口输入时，从端口第一端口和第二端口中输出时损耗也很大，隔离性高，插入损耗小。
紫外光源1，紫外光源1通过光纤与第一端口连接，紫外光源1通过第一端口向光纤环形器2输入宽带紫外光；
紫外光纤光栅3，紫外光纤光栅3通过光纤与第二端口连接，紫外光纤光栅3内设有折射率调制区，紫外光纤光栅3接收第二端口输入的宽带紫外光后可通过折射率调制区将满足相位匹配条件的窄带紫外光反射入光纤环形器2内；
光强调节器4，光强调节器4一端通过光纤与第三端口连接另一端与样品池5连接，光强调节器4可以实时调节进入样品池5的紫外光光强；
分析模块，分析模块与样品池5连接，分析模块可对样品池5吸收后的紫外光进行分析从而显示检测样品的参数。
分光光度计的工作原理是建立在朗伯-比耳定律之上的。朗伯—比耳定律：当一束平行的单色光均匀通过被测液体时，其吸光度和溶液的浓度和厚度的乘积成正比：A＝KCL,式中A为吸光度，C为溶液浓度，L为溶液的厚度(即在光路中的长度)，K为溶液吸光度系数；同时吸光度和透射比成负对数关系：即A＝-logT。式中T＝I/I0，I为光透过被测试溶液后照射到光电池上的强度；I0为光透过空气或参比液后照射到光电池上的强度。所以通过吸光度值和浓度的关系方程，能定量地测出溶液里所含物质的浓度。本发明采用紫外光纤光栅3替代现有技术中的凹面光栅。光纤光栅是通过特定方法在纤芯内形成空间相位周期性分布的折射率调制区，其作用的实质是在纤芯内形成一个窄带的(透镜或者反射镜)滤波器或者反射镜。当宽带的光经过光栅后，满足相位匹配条件λ＝2neff(λ为谐振波长，neff为光栅折射率，Λ为光栅周期)的光被反射，即特定波长的光被反射回去，形成窄带的光。通过调节光栅周期或者改变折射率，可以改变反射回去的光波长。因此光纤光栅的作用等同于凹面光栅。微型化紫外光纤光栅3分光光度计。突破国外技术封锁，具有便携、可靠等特点，实现该产品国产化和市场化，可广泛应用于国防单兵作战装备和国家生物安全防护。
优选的，分析模块包括紫外光纤光栅解调仪6和信号处理与显示单元7，紫外光纤光栅解调仪6一端连接样品池5另一端连接信号处理与显示单元7，紫外光纤光栅解调仪6可将经过样品池5的窄带光转换为电信号并解析出光栅光谱携带信息，信号处理与显示单元7接收信息后输出检测样品相关信息。
优选的，折射率调制区周期性的分布在紫外光纤光栅3内，其作用类似传统凹面光栅或者平面光栅。
优选的，窄带紫外光的相位匹配条件为λ＝2neffΛ，λ为谐振波长，neff为光栅折射率，Λ为光栅周期。
优选的，折射率调制区可通过调节光栅周期改变紫外光纤光栅3反射回去的紫外光光波长。
优选的，折射率调制区可通过调节光栅折射率改变紫外光纤光栅3反射回去的紫外光光波长。
优选的，分析模块还包括可外接设备的通信接口。
优选的，紫外光纤光栅解调仪6内设有用于实时同步解调的高速并行多通道。
优选的，光纤为抗辐射紫外光纤。
优选的，光纤环形器2、紫外光源1、紫外光纤光栅3、光强调节器4和分析模块均采用光纤连接。相比现有技术中通过透镜组合反射光路传输光纤传输损耗更小结构也更为紧凑。
一种通过紫外分光光度计的样品检测方法，包括以下步骤：
S01启动紫外光源1使其通过抗辐射紫外光纤向光纤环形器2输出宽带紫外光；
S02光纤环形器2通过抗辐射紫外光纤将宽带紫外光输入紫外光纤光栅3；
S03紫外光纤光栅3将满足相位匹配条件的窄带紫外光反射入光纤环形器2内；
S04光纤环形器2将窄带紫外光输入光强调节器4内；
S05光强调节器4实时调节紫外光输出光强后将其输入样品池5；
S06紫外光在样品池5内被吸收特定波长后进入紫外光纤光栅解调仪6内；
S07紫外光纤光栅解调仪6对紫外光进行光电转换后向信号处理与显示单元7输送电信号；
S08信号处理与显示单元7接收电信号分析处理后输出检测样品的相关信息。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：一、该紫外分光光度计采用全光纤结构，全面替换现有技术中的离散光学元件，大大简化结构、缩小体积、提高控制精度，同时光纤成本比透镜低可节约成本。二、利用紫外光纤光栅3替代传统的凹面光栅，可减小维修成本和系统功耗，提高系统稳定性和分辨率。三、紫外光纤光栅解调仪6内设有用于实时同步解调的高速并行多通道。可提高扫描速度、光度准确性和稳定性，解决传统光电探测器功能单一，信息处理速度慢的问题，提高光电转换和数据处理能力。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。
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