CN102967581A

CN102967581A - 薄膜夹及具有该薄膜夹的膜系材料红外复折射率测定装置

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Publication number: CN102967581A
Application number: CN2012103959552A
Authority: CN
Inventors: 胡以华; 孙杜娟; 顾有林; 郝士琦; 徐世龙; 高坡; 郑之明; 王磊
Original assignee: ELECTRONIC ENGINEERING COLLEGE PLA
Current assignee: ELECTRONIC ENGINEERING COLLEGE PLA
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-10-18
Also published as: CN102967581B

Abstract

本发明涉及一种薄膜夹，包括其上开设通孔的第一、二外框、底板以及下端均固设在底板上且呈前后布置的第一、二调整器，第一、二外框对称布置且二者之间夹有薄膜样品，第一、二调整器夹住第一、二外框的边沿，且第一、二调整器的传动装置的运动方向与第一、二外框所处的平面垂直。本发明还公开了一种具有该薄膜夹的膜系材料红外复折射率测定装置。本发明实现对薄膜样品在整个红外波段复折射率的测定，突破了现有折射率测试方法和装置只能在可见光波段范围内的单个波长或窄波段范围内进行薄膜折射率测定的局限，大大拓宽了膜系材料光学系数的测定范围。

Description

薄膜夹及具有该薄膜夹的膜系材料红外复折射率测定装置

技术领域

本发明涉及光学探测领域，尤其是一种薄膜夹及具有该薄膜夹的膜系材料红外复折射率测定装置。

背景技术

膜系材料的折射率是决定其光学性能的重要因素之一，也是膜系材料性能测试的重要内容。有效的膜系材料红外复折射率光谱测定方法一直以来都是刚学探测领域的研究热点。

当前，膜系材料折射率测定主要基于几何光学原理或者光的干涉、衍射原理，通过比较入射光与反射、折射光的传播方向和相位差异，分析测定样品折射率。阿贝折射仪和迈克尔逊干涉仪正是基于上述原理发展起来的，并被广泛应用于溶液和薄膜的折射率测定中。阿贝折射仪是一种能够测定液体或者透明、半透明固体折射率和平均色散的仪器，主要由两个棱镜PI和PII构成，由棱镜PI产生各个方向上的入射光并入射到PI棱镜与PII棱镜间的样品上，通过目镜观察PII棱镜出射光，根据几何光学原理，分析得到样品的折射率。迈克尔逊干涉仪也被应用于样品可见光波段折射率测定,它基于光干涉原理，将两束完全相干光分离，并将其中一束相干光通过样品，通过比较两束相关光的相位差异，得到它们在收、发器件之间传播的光程差，分析得出样品的厚度和折射率等参数。

经过多年的发展，利用阿贝折射仪和迈克尔逊干涉仪测定样品在可见光波段的折射率的精度和速度得到了显著的提高，并已经被广泛应用于各行业。然而，这两种方法应用于膜系材料样品红外复折射率光谱的测定存在以下问题：（1）应用波段限制，阿贝折射仪和迈克尔逊干涉仪的折射率测定范围主要限制在可见光波段，难以实现对样品红外波段折射率的测定；（2）获取数据有限，阿贝折射仪和迈克尔逊干涉仪仅被用于测定于测定样品复折射率实部，对折射率虚部的测定没有得以实现。随着军、民用各领域对红外材料需求的不断发展，有效的红外膜系材料分析技术特别是红外膜系材料的光学参数分析技术亟待发展，并已成为国内外光学探测领域研究的热点，发展专门的红外膜系材料光学参数测定装置将会拥有广泛应用前景和市场。

现有的薄膜夹通常为普通夹式结构，其中的薄膜样品经常会发生扭曲变形或者有皱褶，影响了薄膜样品测定试验，特别是高精度要求的膜系材料性能测试实验要求保证薄膜样品能够自然、均匀展开、固定，因此需要设计更加实用、有效的薄膜夹装置。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种便于夹住薄膜样品，能够满足高精度要求的薄膜夹。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种薄膜夹，包括其上开设通孔的第一、二外框、底板以及下端均固设在底板上且呈前后布置的第一、二调整器，第一、二外框对称布置且二者之间夹有薄膜样品，第一、二调整器夹住第一、二外框的边沿，且第一、二调整器的传动装置的运动方向与第一、二外框所处的平面垂直。

本发明还公开了一种具有该薄膜夹的膜系材料红外复折射率测定装置，包括FTIR光谱仪、薄膜测厚仪、薄膜夹以及根据薄膜测厚仪测定的薄膜厚度生成薄膜样品厚度数据文件的计算机，FTIR光谱仪通过数据线与计算机相连，FTIR光谱仪的光学通道上布置夹有薄膜样品的薄膜夹。

由上述技术方案可知，本发明实现对薄膜样品在整个红外波段复折射率的测定，突破了现有折射率测试方法和装置只能在可见光波段范围内的单个波长或窄波段范围内进行薄膜折射率测定的局限，大大拓宽了膜系材料光学系数的测定范围。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的薄膜红外复折射率光谱测定方法流程框图；

图3是本发明中第一、二外框的结构示意图；

图4是本发明中底板和第一、二调整器的结构示意图；

图5是本发明中第一调整器的结构示意图。

具体实施方式

一种薄膜夹，包括其上开设通孔11的第一、二外框10、20、底板30以及下端均固设在底板30上且呈前后布置的第一、二调整器40、50，第一、二外框10、20对称布置且二者之间夹有薄膜样品，第一、二调整器40、50夹住第一、二外框10、20的边沿，且第一、二调整器40、50的传动装置42的运动方向与第一、二外框10、20所处的平面垂直，如图1、3、4所示。薄膜夹起固定薄膜样品的作用，保证薄膜样品均匀、自然、平整的展开并固定。

如图4、5所示，所述的第一、二调整器40、50的大小、形状相同，第一调整器40由固定支架41、传动装置42、测力装置43和锁紧装置44组成，固定支架41的下端固设在底板30上，传动装置42包括螺杆42a和轴套42b，螺杆42a从轴套42b内穿出，轴套42b通过锁紧装置44固设在固定支架41上，固定支架41上设置与螺杆42a的头部相对的凸块41a，第一、二外框10、20位于螺杆42a的头部和凸块41a之间。锁紧装置44采用紧固螺钉，紧固螺钉插入轴套42b内，紧固螺钉的按钮可以按下或弹起，按下紧固螺钉按钮后，螺杆42a无法继续移动，达到锁紧效果。

如图4、5所示，所述的轴套42b的尾部设置测力装置43，测力装置43包括轮轴、弹簧、第一、二棘轮、转帽和螺钉。转帽位于测力装置43远离第一、二外框10、20的一侧，转帽与第二棘轮连接，第二棘轮和第一棘轮相邻且在弹簧作用下齿合，第一棘轮通过轮轴与螺杆42a连接。在弹簧的作用下，第一、二棘轮齿合，其中第一棘轮与螺杆42a连接，当转动转帽时，螺杆42a可随转帽同步转动，当测力超过弹簧的压力时，第二棘轮在齿合斜面滑动，转帽无法带动螺杆42a转动，同时第二棘轮发出提示音，达到控制测力的目的。传动装置42与第一、二外框10、20直接接触，通过改变传动装置42的长度及位置使第一、二外框10、20移动；测力装置43使薄膜样品与调整器接触时保持一定的测量力，保证薄膜样品被固定的同时不会由于压力过大而变形；锁紧装置43使传动装置42被固定于某一位置，防止第一、二外框10、20固定后传动装置42移动。

如图3所示，所述的第一、二外框10、20的大小、形状相同，第一外框10为中央开设通孔11的平板，第一外框10的边沿对称开设可供螺杆42a、凸块41a穿过的孔12。所述的通孔11的截面形状为方形，所述的孔12的截面形状为圆形。薄膜夹的第一、二外框10、20为两片有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）材质的平板，中间挖空，薄膜样品被夹于两个外框之间。

如图1所示，具有上述薄膜夹的膜系材料红外复折射率测定装置，包括FTIR光谱仪，用于测定薄膜样品厚度的薄膜测厚仪、薄膜夹以及计算机，FTIR光谱仪通过数据线与根据薄膜测厚仪测定的薄膜厚度生成薄膜样品厚度数据文件的计算机相连，FTIR光谱仪的光学通道上布置夹有薄膜样品的薄膜夹，薄膜夹可以取出，薄膜测厚仪单独放置。所述的FTIR光谱仪的光谱范围为2.5至25微米，所述的薄膜测厚仪的测量精度为0.1微米。

如图1所示，所述的FTIR光谱仪由红外光源、准直透镜、迈克尔逊干涉仪和探测器组成，红外光源、准直透镜以及迈克尔逊干涉仪位于同一条中心轴线上，夹有薄膜样品的薄膜夹位于迈克尔逊干涉仪和探测器之间的光学通道上，探测器的输出端通过数据线与计算机相连。FTIR光谱仪完成对薄膜样品红外透过率光谱的测定，并将含有干涉信息的电信号传递给计算机。计算机利用FTIR光谱仪探测器传递的含有干涉信息的电信号生成红外透过率光谱数据文件，根据薄膜测厚仪测定的薄膜厚度生成薄膜样品厚度数据文件，采用反演算法反演材料的红外复折射率光谱。

以下结合图2对本发明作进一步的说明。

一、制作薄膜样品并用薄膜夹固定

利用剪刀或美术刀将从膜系材料上剪下一块略小于薄膜夹的第一、二外框10、20的薄膜样品。将薄膜夹其中一个外框水平放置，使样品平摊在其上，将另一块外框对准后，利用调整器调整第一、二外框10、20之间的间距，直到听到提示音后，停止旋转，将薄膜夹放入FTIR光谱仪中。

二、测定薄膜样品的厚度

裁制1个薄膜样品，使用薄膜测厚仪多次测定薄膜样品的厚度D _l，取实验结果平均值D作为薄膜厚度参数，，式中N为实验次数。

三、测定薄膜样品的红外透过率光谱

待实验装置稳定工作后，测定红外透过率光谱作为本底光谱τ₀(λ)；

测定薄膜夹中样品的红外透过率光谱τ ₁(λ)，将τ ₁(λ)与τ ₀(λ)相除得到待测薄膜的红外透过率光谱τ(λ)，即τ(λ)= τ ₁(λ)/ τ ₀(λ)，建立薄膜样品的红外透过率光谱数据文件。

四、反演膜系材料的红外复折射率光谱

基于菲涅尔公式和K-K关系，根据薄膜样品红外透过率光谱和样品厚度计算薄膜样品在红外波段各波长处的复折射率实部与虚部，得到膜系材料的红外复折射率光谱。

FTIR光谱仪的红外光源发射红外辐射，经过准直透镜准直，迈克尔逊干涉仪利用准直光产生干涉光，干涉光通过薄膜夹上固定的薄膜样品后，到达探测器，探测器将含有光谱信息的干涉信号经A/D转换转变为电信号，计算机根据电信号生成红外透过率光谱数据文件和图片并结合薄膜测厚仪测定的薄膜厚度数据，利用红外复折射率光谱反演算法反演薄膜样品的红外复折射率光谱。

综上所述，本发明能够实现对薄膜样品在整个红外波段复折射率的测定，突破了现有折射率测试方法和装置只能在可见光波段范围内的单个波长或窄波段范围内进行薄膜折射率测定的局限，大大拓宽了膜系材料光学系数的测定范围。

Claims

1.一种薄膜夹，其特征在于：包括其上开设通孔（11）的第一、二外框（10、20）、底板（30）以及下端均固设在底板（30）上且呈前后布置的第一、二调整器（40、50），第一、二外框（10、20）对称布置且二者之间夹有薄膜样品，第一、二调整器（40、50）夹住第一、二外框（10、20）的边沿，且第一、二调整器（40、50）的传动装置（42）的运动方向与第一、二外框（10、20）所处的平面垂直。

2.根据权利要求1所述的薄膜夹，其特征在于：所述的第一、二调整器（40、50）的大小、形状相同，第一调整器（40）由固定支架（41）、传动装置（42）、测力装置（43）和锁紧装置（44）组成，固定支架（41）的下端固设在底板（30）上，传动装置（42）包括螺杆（42a）和轴套（42b），螺杆（42a）从轴套（42b）内穿出，轴套（42b）通过锁紧装置（44）固设在固定支架（41）上，固定支架（41）上设置与螺杆（42a）的头部相对的凸块（41a），第一、二外框（10、20）位于螺杆（42a）的头部和凸块（41a）之间,锁紧装置（44）采用紧固螺钉，紧固螺钉插入轴套（42b）内。

3.根据权利要求2所述的薄膜夹，其特征在于：所述的第一、二外框（10、20）的大小、形状相同，第一外框（10）为中央开设通孔（11）的平板，第一外框（10）的边沿对称开设可供螺杆（42a）、凸块（41a）穿过的孔（12）。

4.根据权利要求2所述的薄膜夹，其特征在于：所述的轴套（42b）的尾部设置测力装置（43），测力装置（43）包括轮轴、弹簧、第一、二棘轮、转帽和螺钉，转帽位于测力装置（43）远离第一、二外框（10、20）的一侧，转帽与第二棘轮连接，第二棘轮和第一棘轮相邻且在弹簧作用下齿合，第一棘轮通过轮轴与螺杆（42a）连接。

5.根据权利要求3所述的薄膜夹，其特征在于：所述的通孔（11）的截面形状为方形，所述的孔（12）的截面形状为圆形。

6.具有权利要求1所述的薄膜夹的膜系材料红外复折射率测定装置，其特征在于：包括FTIR光谱仪、薄膜测厚仪、薄膜夹以及计算机，FTIR光谱仪通过数据线与根据薄膜测厚仪测定的薄膜厚度生成薄膜样品厚度数据文件的计算机相连，FTIR光谱仪的光学通道上布置夹有薄膜样品的薄膜夹。

7.根据权利要求6所述的膜系材料红外复折射率测定装置，其特征在于：所述的FTIR光谱仪由红外光源、准直透镜、迈克尔逊干涉仪和探测器组成，红外光源、准直透镜以及迈克尔逊干涉仪位于同一条中心轴线上，夹有薄膜样品的薄膜夹位于迈克尔逊干涉仪和探测器之间的光学通道上，探测器的输出端通过数据线与计算机相连。

8.根据权利要求6所述的膜系材料红外复折射率测定装置，其特征在于：所述的FTIR光谱仪的光谱范围为2.5至25微米。

9.根据权利要求6所述的膜系材料红外复折射率测定装置，其特征在于：所述的薄膜测厚仪的测量精度为0.1微米。