CN102830090B - 一种测量低温下材料折射率和折射率温度系数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量低温下材料折射率和折射率温度系数的装置，该装置包括准直光源系统、分光镜、瞄准系统、低温真空仓、样品仓、双面旋转反射镜、电控旋转台和平行光管。当样品仓中温度降低时，样品的折射率会随着改变，偏向角δ也会有微小的变化Δδ，偏向角变化量可由平行光管测量出，从而得到低温下材料的折射率改变。本发明基于最常用的垂直入射法的，原理简单，操作方便，所测得样品棱镜可以是红外材料也可以是可见光波段的材料，应用范围广，用平行光管代替了一般测量用的编码器，平行光管测角度的微小变化准确度高，能很好的应用于测量低温下材料射率变化引起的偏向角的微小变化，降低了装置成本，提高了偏向角测量精度。

Description

一种测量低温下材料折射率和折射率温度系数的装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，尤其涉及一种测量低温下材料折射率和折射率温度系数的装置，该装置为在低温下对红外或可见光材料的折射率及其在低温下温度系数进行测定的装置。

背景技术

低温光学技术的发展为红外观测提供了优良的观测途径，在国内，由于缺少红外透射材料在低温下的折射率值和折射率随温度的变化率数据，目前只能研制全反低温光学系统。因此，成功研制折反式低温光学系统的关键之一就是要拥有红外材料低温下的折射率数据。在国外，已经有关于成功测定红外材料低温折射率数据和测量装置的报道，2004年NASA戈达德空间飞行中心（NASA’s Goddard Space Flight Center）成功研制了一个低温折射率测量系统——CHARMS，其样品控温范围为15～300K，折射率测量精度10^-6，能测量可见光到红外波段的折射率（0.4～4.5μm），但是该系统结构复杂，对轴角编码器测量精度要求很高，而且该系统需要定制专门的气浮平台，研制成本较高。在此之后，意大利INFA的科学家也研制出了一种低成本的低温折射率测量系统。该系统采用了垂直入射光路，采用自准直的方法，降低了系统的研制难度。折射率测量精度10^-5，但是只能测量可见光到近红外的低温折射率（0.4-1.7μm），样品控温范围100～300K，而且该系统采用的是垂直入射法，该方法对误差较敏感，而且只适合测量折射率较低的样品，在测量折射率较高的样品时容易发生全反射而导致测量失败。而国内当前还没有红外材料低温下（120K以下）的折射率数据和红外材料低温下折射率测量设备的相关报道，因此，精确测量红外材料在低温下的折射率对低温光学的发展意义重大。

常温下测定光学材料折射率有很多方法，例如：最小偏向角法、垂直入射法、三最小偏向角法、全反射法、干涉测量法、布鲁斯特角法等。其中，垂直入射方法测量原理简单，操作方便，比较适合做低温折射率的测定。平行光管是一种能发射平行光束的精密的光学仪器，也是装校和调整光学仪器的重要工具之一。平行光管测角度的微小变化准确度高，能很好的应用于测量低温下材料射率变化引起的偏向角的微小变化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于垂直入射法测量低温下材料折射率和折射率温度系数的装置，该装置可实时改变样品材料的温度，从而测出在不同温度下的材料的折射率，该装置不需要购买价格昂贵的轴角编码器等精密测角装置。

为解决上述技术问题，本发明提出一种测量低温下材料折射率和折射率温度系数的装置，该装置包括准直光源系统、分光镜、瞄准系统、低温真空仓、样品仓、双面旋转反射镜、电控旋转台和平行光管；其中，

所述的分光镜表面经镀膜处理，使测量时所用波段的光束50%透射，50%反射，所述分光镜置于准直光源系统和低温真空仓之间的光路上，用于反射经低温真空仓后出射的平行光，使该平行光顺利进入瞄准系统；

所述瞄准系统包括离轴聚焦抛物面反射镜和与阵列探测器，所述离轴聚焦抛物面反射镜用于瞄准焦点位置，所述阵列探测器用来探测聚焦光斑；

所述的低温真空仓包括与该低温真空仓相连所述的电控旋转台，所述电控旋转台用于调整双面旋转反射镜的角度变化；

所述样品仓位于低温真空仓内部，其还包括与该样品仓相连的绝热支撑，用于隔绝该样品仓与所述低温真空仓的热传导，实现样品仓的制冷；所述样品仓用于放置样品棱镜；

所述双面旋转反射镜正面抛光并镀反射膜，背面同时抛光并镀反射膜；所述旋转双面旋转反射镜由连接到所述的低温真空仓上的电控旋转台驱动进行微小角度的转动；所述旋转双面旋转反射镜一方面用于垂直反射由样品仓出射的光束，使光束按原路反射回去；另一方面用于平行光管的瞄准和选择该双面旋转反射镜的角度改变的测量；

所述平行光管在所述的低温真空仓的一个光路出口处，通过读出该平行光管的玻罗板上的焦点的移动来间接测量双面旋转反射镜旋转角度的微小转动。

优选地，所述准直光源系统为单色仪，其出射准单色的可见光或红外光。

优选地，根据不同的测量波段，所述阵列探测器分为可见光CCD和红外阵列探测器FPA。

优选地，所述的低温真空仓是低温真空测量环境下的绝热装置，抽真空采用所述的机械真空泵和所述低温真空泵配合使用，可以达到10^-3MPa以下的真空度。

优选地，所述绝热支撑由G10材料加工而成。

本发明的原理在于：

基于垂直入射法测量低温下材料折射率和折射率温度系数的工作原理参见图1。当平行光垂直入射到样品棱镜入射面AB时，根据折射定律，光束不会发生偏转；当光束继续向前传播，在经过出射面AC时，发生偏转，转角为偏向角δ。根据折射定律和几何关系，样品材料的折射率为其中A为顶角大小。

本发明具有如下优点：

（1）、本发明真空仓的使用为低温环境的实现提供了保证。装置采用G-M二级制冷机，抽真空采用机械粗抽泵和低温泵配合使用，可以达到10^-3Pa以下的真空度，从而避免了空气热传导和热对流对样品降温的影响，使样品温度可以到120K以下的低温要求，同时可以忽略空气对折射率测量的影响，提高了测量精度。

（2）、由于本发明的装置是基于最常用的垂直入射法的，原理简单，操作方便，装置所需部件简单，是实验室常用设备，这样就降低了设备成本，便于实现。

（3）、本发明所测得样品棱镜可以是红外材料也可以是可见光波段的材料，应用范围广。

（4）、本发明的装置中用平行光管代替了一般测量用的编码器，平行光管测角度的微小变化准确度高，能很好的应用于测量低温下材料射率变化引起的偏向角的微小变化，降低了装置成本，提高了偏向角测量精度。

（5）、由于本发明采用真空低温仓与电控旋转台采取了绝热的基垫连接，隔绝了样品仓和电控旋转台的热传导，这样做一方面可以保证样品仓的低温要求，另一方面避免了电控转台低温下不能工作的情况发生。

附图说明

图1是垂直入射测定光路图原理图；

图2是本发明整个装置光路原理示意图；

图3是本发明一个实施例的装置结构示意图。

图4是样品仓6的一个无窗的腔体结构外形示意图。

图中：1为准直光源系统，2为单色仪，3为分光镜，4为探测器，5为离轴聚焦抛物面反射镜，6为样品仓，7为材料样品，8为低温真空仓，9为双面旋转反射镜，10为平行光管，11为导热铜带，12为机械真空泵，13为G-M制冷机，14为低温真空泵，15为低温真空泵阀门，16为机械泵阀门，17真空仓入射窗口，18为真空仓瞄准窗口。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明原理是垂直入射法，垂直入射法测量材料折射率，原理简单，操作方便，也比较适合做低温折射率的测定。其测量原理如图1，ABC为待测样品制成的样品棱镜，入射光线1从AB面垂直入射到样品棱镜ABC，由折射定律，无偏转地在样品棱镜内传播，出射光线2通过AC面偏转出射，偏向角为δ，由几何光学性质，可以得出：折射率样品温度变化后折射率n′和偏向角的变化Δδ的关系为而折射率温度系数为即获到了低温情况下材料的折射率和折射率温度系数。其中A为顶角大小。

提供一种基于垂直入射法测量低温下材料折射率和折射率温度系数的装置，具体包括准直光源系统，分光镜（分光镜为半透半反镜），瞄准光路（即探测器系统），真空仓及其附属低温真空系统、样品仓、反射镜、电控旋转台，以及平行光管，该平行光管用来测角度，其中反射镜为双面旋转反射镜。低温下测量材料折射率的实际光路为：准直光源系统的光源发出光，经由准直光源系统的准直系统变成准直光束，经过分光镜入射到真空仓中低温样品仓的三角棱镜上，出射到反射镜上，调整反射镜的角度，使光线垂直反射，原路返回到分光镜反射到探测器系统的离轴聚焦抛物面反射镜上，聚焦成一点，最后打到探测器系统的探测器上，理论上来说，当每次保证打在该探测器上的质心点位置相同时，光路中的光线在经过真空仓以外的地方都是相同方向的准直光。实验中温度变化后，偏向角的变化由平行光管测出。

系统装置如图3，其包括准直光源系统1、单色仪2、分光镜3、阵列探测器4、离轴聚焦抛物面反射镜5、样品仓6、低温真空仓8、双面旋转反射镜9、电控旋转台、平行光管10，机械真空泵12、机械真空泵阀门16、G-M制冷机13、低温真空泵14、低温真空泵阀门15。各部件位置关系为：准直光源系统1和单色仪2位于真空仓入射窗口17正前方，分光镜3位于准直光源系统1和真空仓入射窗口17之间45°角放置，以实现分光的作用；平行光管10位于真空仓瞄准窗口18正后方，以实现对双面旋转反射镜9的瞄准和转角测量；样品仓6位于真空仓入射窗口17处，样品仓6是一个无窗的腔体结构，外形如图4；样品仓6下面是绝热支撑，绝热支撑下面是电控旋转台，这样可以隔绝电控旋转台和样品仓6的热传导；样品仓6后面是双面旋转反射镜9，双面旋转反射镜9由另一个电控转台驱动。

该系统工作过程分为两个步骤：首先是调整光路，将常温下折射率已知的样品棱镜放入样品仓6，然后准直光源系统1采用可见光激光器做光源，使部分光束在经过入射面时发生发射，调整样品仓6转角，使光束返回到瞄准系统，并聚焦在离轴聚焦抛物面反射镜5的视场中心，最后打到探测器系统的阵列探测器4上，此时，样品棱镜入射面与入射光已经垂直。第二步是正式降温测量。过程为先开启机械真空泵阀门16，关闭低温泵阀门15，粗抽真空仓内空气，当真空度到达10Pa以下时，关闭机械真空泵12和机械真空泵阀门16，开启低温真空泵阀门15，利用低温真空泵14进行抽高真空，真空度下降到10^-3Pa时，开启G-M制冷机13对样品仓进行制冷，对样品仓初始温度设置为室温300K，调整双面旋转反射镜9的角度，使经过样品棱镜的偏转光束按原路返回，从真空仓入射窗口出射，经分光镜3反射进入瞄准系统，再次微调双面旋转反射镜9，使聚焦光斑聚焦到视场中心，并调整好平行光管，使平行光管出射光从双面反射镜返回的像与玻罗板上的十字叉丝重合，此时计算机记录下光斑质心坐标（x₀,y₀）和室温下样品棱镜的偏向角δ₀，此时的偏向角是根据已知样品棱镜顶角和常温下折射率计算出来的。然后样品仓温度每下降10℃按照以上步骤进行一次测量，保证每次瞄准系统中返回的光斑质心坐标与（x₀,y₀）重合，每次测量都可以在平行光管中读出旋转双面反射镜的角度改变，即偏向角的改变Δδ，则此温度下的折射率改变可以表示为其中顶角A、初始偏向角δ₀都是已知的，所以折射率改变可以直接计算出来，进而折射率和折射率温度系数也能通过计算机计算出来。通过编写相应的软件，以上测量过程可实现自动化测量、计算。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (4)

1.一种测量低温下材料折射率和折射率温度系数的装置，其特征在于，该装置包括准直光源系统、分光镜、瞄准系统、低温真空仓、样品仓、双面旋转反射镜、电控旋转台和平行光管；其中，

所述的分光镜表面经镀膜处理，使测量时所用波段的光束50％透射，50％反射，所述分光镜置于准直光源系统和低温真空仓之间的光路上，用于反射经低温真空仓后出射的平行光，使该平行光顺利进入瞄准系统；

所述瞄准系统包括离轴聚焦抛物面反射镜和阵列探测器，所述离轴聚焦抛物面反射镜用于瞄准焦点位置，所述阵列探测器用来探测聚焦光斑；

所述的低温真空仓包括与该低温真空仓相连所述的电控旋转台，所述电控旋转台用于调整双面旋转反射镜的角度变化；

所述样品仓位于低温真空仓内部，其还包括与该样品仓相连的绝热支撑，用于隔绝该样品仓与所述低温真空仓的热传导，实现样品仓的制冷；所述样品仓用于放置样品棱镜；

所述双面旋转反射镜正面抛光并镀反射膜，背面同时抛光并镀反射膜；所述旋转双面旋转反射镜由连接到所述的低温真空仓上的电控旋转台驱动进行微小角度的转动；所述旋转双面旋转反射镜一方面用于垂直反射由样品仓出射的光束，使光束按原路反射回去；另一方面用于平行光管的瞄准和选择该双面旋转反射镜的角度改变的测量；

所述平行光管在所述的低温真空仓的一个光路出口处，通过读出该平行光管的玻罗板上的焦点的移动来间接测量双面旋转反射镜旋转角度的微小转动；

该装置工作过程分为两个步骤：首先是调整光路，将常温下折射率已知的样品棱镜放入样品仓(6)，然后准直光源系统(1)采用可见光激光器做光源，使部分光束在经过入射面时发生发射，调整样品仓(6)转角，使光束返回到瞄准系统，并聚焦在离轴聚焦抛物面反射镜(5)的视场中心，最后打到探测器系统的阵列探测器(4)上，此时，样品棱镜入射面与入射光已经垂直；第二步是正式降温测量，过程为先开启机械真空泵阀门(16)，关闭低温泵阀门(15)，粗抽真空仓内空气，当真空度到达10Pa以下时，关闭机械真空泵(12)和机械真空泵阀门(16)，开启低温真空泵阀门(15)，利用低温真空泵(14)进行抽高真空，真空度下降到10^-3Pa时，开启G-M制冷机(13)对样品仓进行制冷，对样品仓初始温度设置为室温300K，调整双面旋转反射镜(9)的角度，使经过样品棱镜的偏转光束按原路返回，从真空仓入射窗口出射，经分光镜(3)反射进入瞄准系统，再次微调双面旋转反射镜(9)，使聚焦光斑聚焦到视场中心，并调整好平行光管，使平行光管出射光从双面反射镜返回的像与玻罗板上的十字叉丝重合，此时计算机记录下光斑质心坐标(x₀,y₀)和室温下样品棱镜的偏向角δ₀，此时的偏向角是根据已知样品棱镜顶角和常温下折射率计算出来的；然后样品仓温度每下降10℃按照以上步骤进行一次测量，保证每次瞄准系统中返回的光斑质心坐标与(x₀,y₀)重合，每次测量都可以在平行光管中读出旋转双面反射镜的角度改变，即偏向角的改变Δδ，则此温度下的折射率改变可以表示为其中顶角A、初始偏向角δ₀都是已知的，所以折射率改变可以直接计算出来，进而折射率和折射率温度系数也能通过计算机计算出来，通过编写相应的软件，以上测量过程可实现自动化测量、计算。

2.根据权利要求1所述的测量低温下材料折射率和折射率温度系数的装置，其特征在于，所述准直光源系统为单色仪，其出射准单色的可见光或红外光。

3.根据权利要求1所述的测量低温下材料折射率和折射率温度系数的装置，其特征在于，根据不同的测量波段，所述阵列探测器分为可见光CCD和红外阵列探测器FPA。

4.根据权利要求1所述的测量低温下材料折射率和折射率温度系数的装置，其特征在于，所述的低温真空仓是低温真空测量环境下的绝热装置，抽真空采用所述的机械真空泵和所述低温真空泵配合使用，可以达到10^-3MPa以下的真空度。