CN102235974A - 一种用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置和测试方法 - Google Patents

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本发明属于材料光学性能测试领域，具体涉及一种用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置和测试方法。本发明的测试装置包括包括：光学平台、光源、分束镜、探测器A、反射镜、积分球、支架、探测器B；其中，所述积分球的底部设有入光口，积分球的一侧设有出光口，且所述积分球通过出光口与探测器B固定连接；所述出光口依次与反射镜和分束镜固定连接，所述分束镜还分别于光源和探测器A固定连接；所述积分球、探测器B、探测器A、反射镜和分束镜通过支架与光学平台固定连接。本发明的测试装置通过积分球收集全部透射光，利用两探测器关系抵消积分球透过率与光源能量波动的影响，可以方便测得样品在当前波长下的全透过率。

Description

一种用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置和测试方法
技术领域
本发明属于材料光学性能测试领域，具体涉及一种用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置和测试方法。
背景技术
透明陶瓷材料是指在一定程度上光线可以透过的陶瓷材料，这类材料具有陶瓷多晶的特征，同时具有较好的光学性能。相对于单晶材料具有制备温度低，工艺简单、成本低的特点；相对于玻璃材料而言，具有相对完整的晶体结构；可以制备一些无法制备单晶或玻璃的材料，具有热导率相对较高等优点。这类材料在照明工业、激光行业、镜头行业中具有较为广泛的应用背景。毋容置疑，透明陶瓷材料的发展将会给这些领域带来新的发展机遇和空间。
自从1960年Coble发明了半透明氧化铝以来，多晶透明氧化铝(PCA)就开始在世界各地的高压力钠蒸气灯及其他光学仪器的制造中得到了广泛的应用。多晶透明氧化铝陶瓷具有良好的光透过率、高温机械强度和耐化学腐蚀等特性，薄壁管状结构的透明氧化铝已经用于制作高压钠灯和陶瓷金卤灯中的电弧管。中国专利200710173626.2等公开了一些其他种类的透明陶瓷的制备方法。这类材料能否应用于照明行业，材料的全透过率是一个重要的影响因素。材料的全透过率是指入射光透过材料，扣除反射和吸收后的全部透射能量与入射能量之比。它是各方向透射能量的总和，或称积分。
透明陶瓷材料具有细晶结构，晶粒尺寸在数百纳米到数百微米之间，和单晶以及玻璃具有较大的微细结构差别。这种结构差别不可避免的会影响透明陶瓷材料的光全透过率。
目前关于这类透明陶瓷材料全透过率的装置与测试方法研究，国内外涉及较少。已有的与透过率相关的测试装置与方法都只能测试固定方向与固定面积内的透过率，不足以测得全部透射能量，因此无法表征全透过率。标准的全透过率测试方法是提高材料研究和开发速度的重要途径。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的无法检测透明陶瓷全部透射能量的技术缺陷，提供一种用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置和测试方法。
本发明的原理是：光线由积分球的输入孔入射，经过透明材料后，任意方向的透射光在积分球内部都被均匀的漫反射，因此输出孔所得到的光线是均匀的漫反射光束，而且输出光的光束强度以及均匀度不受入射光的入射角度、空间分布、以及极化的影响，从而可以测试透明陶瓷的全透过率。
本发明通过如下技术方案解决上述技术问题：
一种用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置，包括：光学平台、光源、分束镜、探测器A、反射镜、积分球、支架和探测器B；其中，所述积分球的底部设有入光口，积分球的一侧设有出光口，且所述积分球通过出光口与探测器B固定连接；所述入光口依次与反射镜和分束镜固定连接，所述分束镜还分别于光源和探测器A固定连接；所述积分球、探测器B、探测器A、反射镜和分束镜通过支架与光学平台固定连接。
较佳的，所述光学平台上还设有光源和能量计。
较佳的，所述探测器A、探测器B和分束镜均与所述光学平台垂直。
较佳的，所述分束镜和反射镜均可以进行二维调节，进一步优选的，所述反射镜与光学平台之间的夹角为45°；所述分束镜与探测器A之间的夹角为45°。
较佳的，所述积分球可以沿球体赤道方向打开为两个半球壳体，且所述入光口和出光口的中心线不重合。
上述“入光口和出光口的中心线不重合”的含义为：入光口的法兰轴与出光口的法兰轴不共线，其目的是使得从入光口进入的光线不会以直射的方式直接从出光口射出；例如：在积分球的正下部设有入光口，则出光口不能设于该积分球正对入光口的正上方。
在进行检测的过程中，上述部件之间的联结关系由激光光束的传播路径确定。光源发出的激光经分束镜后部分透射至探测器A、部分反射至反射镜，调整分束镜与反射镜使反射光竖直向上由入光口进入积分球。
本发明还公开了一种用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的测试方法，该测试方法为：使用上述用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置，通过积分球收集全部透射光，利用两探测器关系抵消积分球透过率与光源能量波动的影响，测得样品在当前波长下的全透过率。
较佳的，所述用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的测试方法包括如下步骤：
(1)在未放置待测透明陶瓷样品时通过探测器A测定分束镜后透射能量EA1；通过探测器B测定经过积分球后的出射能量EB1；EA1和EB1需同时测定；
(2)打开积分球，将待测透明陶瓷样品放置在积分球内，依靠重力贴在入光口内侧球壁，关闭积分球；然后通过探测器A测定分束镜后透射能量EA2；通过探测器B测定经过积分球后的出射能量EB2；EA2和EB2需同时测定；
(3)通过测得的数据换算出全透过率Ta，其关系满足：Ta＝(EA1＊EB2)/(EB1＊EA2)优选的，所述EA1、EA2、EB1、EB2可全部为能量值或全部为功率值。
本发明通过积分球收集全部透射光，利用两探测器关系抵消积分球透过率与光源能量波动的影响，可以方便测得样品在当前波长下的全透过率。本发明的样品透过率测试装置和测试方法可以用于测试透明陶瓷全透过率，也可用于测试其它透明材料的全透过率。
附图说明
图1：本发明的用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置的立体结构图。
附图标记：1、光源；2、分束镜；3、探测器A；4、反射镜；5、积分球；6、积分球支架；7、探测器B；8、入光口；11、能量计；12、光学平台、13、探测器A支架；14、分束镜支架；15、探测器B支架。
图2：本发明的用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置的俯视结构图。
附图标记：1、光源；2、分束镜；3、探测器A；5、积分球；6、支架；7、探测器B；10、出光口；11、能量计。
图3：待测样品的放置方式结构示意图。
附图标记：5、积分球；8、入光口；9、透明陶瓷样品。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明的技术方案。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明用于测定透明陶瓷全透过率，以测试中国科学院上海硅酸盐研究所制备的Al2O3透明陶瓷样品为例。
如图1和图2所示用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置，包括：光学平台12、光源1、分束镜2、探测器A3、反射镜4、积分球5、积分球支架6、探测器B7；其中，积分球5的底部设有入光口8，积分球5的一侧设有出光口10，且积分球5通过出光口10与探测器B7固定连接；所述出光口10通过连接杆16和连接杆17依次与反射镜4和分束镜2固定连接，分束镜2还分别与光源1和探测器A3固定连接；且积分球5、探测器B7、探测器A3和分束镜2依次通过积分球支架6、探测器A支架13、探测器B支架15和分束镜支架14与光学平台固定连接。
光学平台12上还设有光源1和能量计11，且探测器A3、探测器B7和分束镜2均与光学平台11垂直。
分束镜2和反射镜4均可以进行二维调节，积分球5可以沿球体赤道方向打开为两个半球壳体，且入光口8与出光口10的中心线不重合。
如图2、图3，光源1为锁模激光器，输出波长为1064nm的脉冲激光，脉冲宽度40ps；分束镜2在45°反射角时对1064nm激光反射率为80％，安装在二维光学调整架上；反射镜4在45°反射角时对1064nm激光全反射，安装在二维光学调整架上；探测器A3、探测器B7为Ophir公司LASERSTAR DualChannel能量计11的两个能量探测器；积分球5是直径为Sφ150mm的积分球，可以沿球体赤道方向打开为两个半球壳体。
如图2、图3，积分球5固定于积分球支架6上，光源1、分束镜2、探测器A3、反射镜4、积分球5、积分球支架6、探测器B7固定于光学平台上。
如图2、图3，光源1发出的激光经分束镜2后部分透射至探测器A3、部分反射至反射镜4，调整分束镜2与反射镜4使反射光竖直向上由入光口8进入积分球5。积分球5固定于积分球支架6，探测器B7固定于积分球5的出光口10。
在未放置待测Al2O3透明陶瓷样品9时通过探测器A3测定分束镜2后透射能量EA1；通过探测器B7测定经过积分球后的出射能量EB1。EA1、EB1需同时测定。
打开积分球5，将待测Al2O3透明陶瓷样品9放置在积分球5内，依靠重力贴在入光口8内侧球壁，关闭积分球5。通过探测器A3测定分束镜2后透射能量EA2；通过探测器B7测定经过积分球后的出射能量EB2。EA2、EB2需同时测定。
通过测得的数据换算出全透过率Ta，其关系满足：Ta＝(EA1＊EB2)/(EB1＊EA2)。
在本例中测得Al2O3透明陶瓷样品的全透过率为83.0％。

Claims (9)

1.一种用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置，包括：光学平台、光源、分束镜、探测器A、反射镜、积分球、支架和探测器B；其中，所述积分球的底部设有入光口，积分球的一侧设有出光口，且所述积分球通过出光口与探测器B固定连接；所述入光口依次与反射镜和分束镜固定连接，所述分束镜还分别于光源和探测器A固定连接；所述积分球、探测器B、探测器A、反射镜和分束镜通过支架与光学平台固定连接。
2.如权利要求1中所述的用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置，其特征在于，所述光学平台上还设有光源和能量计。
3.如权利要求1中所述的用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置，其特征在于，所述探测器A、探测器B和分束镜均与所述光学平台垂直。
4.如权利要求1中所述的用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置，其特征在于，所述分束镜和反射镜均能进行二维调节。
5.如权利要求4中所述的用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置，其特征在于，所述反射镜与光学平台之间的夹角为45°；所述分束镜与探测器A之间的夹角为45°。
6.如权利要求1中所述的用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置，其特征在于，所述积分球可以沿球体赤道方向打开为两个半球壳体，且所述入光口和出光口的中心线不重合。
7.一种用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的测试方法，该测试方法为：使用如权利要求1～6中任一所述的用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的装置，通过积分球收集全部透射光，利用两探测器关系抵消积分球透过率与光源能量波动的影响，测得样品在当前波长下的全透过率。
8.如权利要求7中所述的用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：
(1)在未放置待测透明陶瓷样品时通过探测器A测定分束镜后透射能量EA1；通过探测器B测定经过积分球后的出射能量EB1；EA1和EB1需同时测定；
(2)打开积分球，将待测透明陶瓷样品放置在积分球内，依靠重力贴在入光口内侧球壁，关闭积分球；然后通过探测器A测定分束镜后透射能量EA2；通过探测器B测定经过积分球后的出射能量EB2；EA2和EB2需同时测定；
(3)通过测得的数据换算出全透过率Ta，其关系满足：Ta＝(EA1＊EB2)/(EB1＊EA2)。
9.如权利要求8中所述的用于测试透明陶瓷块状材料全透过率的测试方法，其特征在于，所述EA1、EA2、EB1、EB2可全部为能量值或全部为功率值。
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