紧凑型彩虹折射仪

封面文章|曹建政,李灿,吴迎春,吴学成,陈玲红,邱坤赞,岑可法. 紧凑型彩虹折射仪的开发与实验测试[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(10): 101201

彩虹自古以来象征着美丽与幻想,因而前人们留下了“断涧迎风撒碎玉,雾雨当空飞彩虹”等著名诗句。不仅如此,美丽彩虹背后蕴含的物理机理更是几何光学、波动光学等发展过程中的基础。



1 自然界中美丽的彩虹

科研人员在实验室里制造出人工彩虹,用激光光源替代了太阳光,用喷雾液滴代替大气中水滴。用数字相机记录下这美丽的彩虹图像,对其分析可以测量与液滴折射率相关的温度、浓度、组分以及粒径、蒸发率等参数,对于深入理解气液两相流作用机理、验证两相流模拟结果,进而指导和优化工业生产,有着十分重要的意义。这类技术被称为彩虹折射仪。

彩虹折射仪这项技术经过了近30年的发展,先后出现了标准彩虹技术、全场彩虹技术、一维彩虹技术以及相位彩虹技术,但目前这些技术却仅局限于实验室测量应用。在实验室中通常采用分立光学元器件搭建的彩虹测量光路系统占用面积较大、调整难、集成度低且不宜移动,对环境的清洁度要求较高。然而,工程实际中的待测喷雾往往难以迁移,且环境恶劣,灰尘、液滴等极易沾污光路系统,这极大地限制了彩虹折射技术的应用。因此,发展一款集成式的体积小、便携密封的彩虹测量装置十分必要。

浙江大学吴迎春研究员课题组设计开发了一款采用集成结构的彩虹折射仪,将整个测量系统集成在一个体积较小的全密封箱体中,以期为彩虹折射技术的应用提供便利。

如图2(a)所示,通过采用商业镜头和定焦镜头代替单透镜,提高成像质量。这种设计同时可以缩短系统的轴向长度,减小整体体积。彩虹折射仪的信号接收段采用笼式系统集成,能够轻松实现光路的对准,避免了笨重的光学位移台和升降台。光学元件无需使用接杆固定,降低了折射仪的整体高度,保障了装置的紧凑性。如图2(b)所示,整个彩虹系统长宽高缩小到了0.42×0.42×0.15m3。基于该结构的系统能对大范围折射率的液滴实现高精度测量。



2 a)彩虹折射仪原理图;(b)彩虹折射仪装置三维图

该课题组使用彩虹折射仪对单组分液滴折射率、双组分液滴浓度以及液滴温度进行了一系列实验测试。采用去离子水喷雾测试了折射仪的折射率测量精度,测量误差约为2×10-4 。测量了0-100%体积浓度的水-乙醇溶液的折射率,并与文献数据进行了对比及误差来源分析。结果表明,所研发的紧凑式折射仪具有测量液滴折射率的独特功能以及体积小、精度高等优点,适用于工业生产环境,在喷雾场测量中具有很好的应用前景。

研究人员表示,在后续工作中,将进一步对一维彩虹、相位彩虹等技术进行系统集成化,完善配套的彩虹信号实时处理软件,以满足现场实时测量分析的需求。同时,进一步开发下一代二维、三维彩虹测量技术,推动彩虹折射仪技术的发展。