CN104198437A - 一种利用激光测量材料热膨胀系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用激光测量材料热膨胀系数的装置及方法，将具有反射面非透光材料或上下表面均镀半透半反膜透光材料样品放入加热炉加热，同时将一束激光利用PBS分为P光和S光，P光照射到非透光样品表面反射或透光样品上下表面半透半反膜反射，两次经过1/4波长玻片转化为S光，非透光样品转化的S光与前S光或透光样品上下表面经过半透半反膜反射转化两束S光发生干涉，检测干涉后反射光功率，连续升温测量，得到样品反射光功率与温度曲线，线性热膨胀系数α＝ΔL/(L*ΔT)，T1和T2为曲线中相邻反射光功率最大时对应温度值，ΔT＝T2-T1；L为样品厚度，ΔL为样品受热膨胀后形变距离；样品热膨胀系数α＝N*λ/(L*ΔT)，N为反射光功率两个最大值之间变化周期数，λ为入射激光波长。

Description

一种利用激光测量材料热膨胀系数的装置及方法

技术领域

本发明属于材料热学性能测试技术领域，具体涉及一种利用激光干涉来测量透明和非透明材料的热膨胀系数的装置及方法。

背景技术

目前常用的热膨胀系数测量方法主要分为机械式和光学干涉式两种。其中机械式测量是一种非绝对测量方法，该法属于接触式测量，由于机械应力的存在，使得该方法的测量准确度不高；而光学干涉法虽测量精度比机械法有所提高，但测试样品的范围受到限制，如迈克尔逊干涉法测量的样品为非透明材料，而中国的另外一项发明专利201110004414.8“一种热膨胀系数的测量方法及装置”中所示的测量方法只能检测透光材料的热膨胀系数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能检测透明材料的热膨胀系数，又能检测非透明材料的热膨胀系数的装置及方法，该方法属于光学干涉式的测量方法。

本发明的技术方案为：

一种利用激光测量材料热膨胀系数的装置，包括两个偏振分束器(PBS)、加热炉、两个反光镜、一个1/4波长的玻片、一个凸透镜、一个光功率传感器，其特征在于：两个PBS垂直放置在同一竖直平面内，第二个PBS下方放置一个1/4波长的玻片，两个反光镜分别与水平面成45度放置，每个反光镜与一个PBS对应，凸透镜放置在两个PBS一侧并能使2束通过PBS的光束聚焦，凸透镜的焦点位置放置光功率传感器，加热炉位于1/4波长的玻片下方；激光器发出的激光经过第一个PBS后分出的一束S光和P光，S光依次经过第一个反光镜、第二个反光镜后入射到第二个PBS后反射到第一个PBS，经第一个PBS反射入射到凸透镜；P光依次透过第二个PBS和1/4波长的玻片到加热炉内的待测非透光材料表面进行反射后再次经过1/4波长的玻片转化为另一束S光，经第二个PBS反射到凸透镜，两束S光发生干涉，光功率传感器检测干涉后的反射光功率，连续升温测量，得到待测非透光材料的反射光功率与温度的曲线。

本发明还包括一块挡光板，挡光板放置在第一反光镜与第一个PBS之间；激光器发出的激光经过第一个PBS后分出的一束S光和P光，S光被挡；P光依次透过第二个PBS和1/4波长的玻片到加热炉内的待测透光材料上下表面的半透半反膜分别进行反射后再次经过1/4波长的玻片转化为两束S光，经第二个PBS反射入射到凸透镜，两束S光发生干涉，光功率传感器检测干涉后的反射光功率，连续升温测量，得到待测透光材料的反射光功率与温度的曲线。

利用所述的装置测量非透光材料热膨胀系数的方法，其特征在于按以下步骤进行：将一个具有反射面的非透光材料样品放入加热炉加热，同时将一束激光入射，激光器发出的激光经过第一个PBS后分出的一束S光和P光，第一束S光依次经过第一个反光镜、第二个反光镜后入射到第二个PBS后反射到第一个PBS，经第一个PBS反射入射到凸透镜；P光依次透过第二个PBS和1/4波长的玻片到加热炉内的样品表面进行反射后再次经过1/4波长的玻片转化为另一束S光，经第二个PBS反射到凸透镜，两束S光发生干涉，光功率传感器检测干涉后的反射光功率，连续升温测量，得到待测非透光材料的反射光功率与温度的曲线，线性热膨胀系数α的定义公式：

α＝ΔL/(L*ΔT)   (1)

T1和T2分别为反射光功率与温度的曲线中相邻反射光功率最大时对应的温度值，ΔT＝T2-T1；L为样品的厚度，ΔL为样品受热膨胀的形变距离；关于ΔL根据光的干涉原理得出，由相干条件可知，当第一束反射光和第二束反射光的光程差△s为半波长λ/2的偶数倍(2N，N＝0,1,2……)时，两列光相干相长，反射光功率最大；当下表面反射出射光和上表面反射光的光程差△s为半波长λ/2的奇数倍(2N+1，N＝0,1,2……)时，两列光相干相消，反射光功率最小；由此可以得出，当相邻两个光功率最大的时候，ΔL＝λ；ΔL为入射激光的波长λ；

样品的热膨胀系数α公式为：

α＝N*λ/(L*ΔT)   (2)

其中N为反射光功率两个最大值之间的变化周期数，λ为入射激光的波长。

利用所述的装置测量透光材料热膨胀系数的方法，其特征在于按以下步骤进行：将一个待测透光材料上下表面均镀半透半反膜样品放入加热炉加热，同时将一束激光入射第一个PBS后分为一束P光和第一束S光，激光器发出的激光经过第一个PBS后分出的一束S光和P光，S光被挡；P光依次透过第二个PBS和1/4波长的玻片到加热炉内的待测透光材料上下表面的半透半反膜分别进行反射后再次经过1/4波长的玻片转化为两束S光，经第二个PBS反射入射到凸透镜，两束S光发生干涉，光功率传感器检测干涉后的反射光功率，连续升温测量，得到待测透光材料的反射光功率与温度的曲线，线性热膨胀系数α的定义公式：

α＝ΔL/(L*ΔT)   (1)

T1和T2分别为反射光功率与温度的曲线中相邻反射光功率最大时对应的温度值，ΔT＝T2-T1；L为样品的厚度，ΔL样品受热膨胀后的形变距离；

样品的热膨胀系数α公式为：

α＝N*λ/(L*ΔT)   (2)

其中N为反射光功率两个最大值之间的变化周期数，λ为入射激光的波长。

本发明既能检测透明材料的热膨胀系数，又能检测非透明材料的热膨胀系数。

附图说明

图1为本发明的测非透光材料的光路示意图。

图2为本发明的测透光材料的光路示意图。

图3为本发明的铝非透光材料的反射光功率——温度曲线图。

图4为本发明的玻璃透光材料的反射光功率——温度曲线图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步的描述。

当待测样品为非透明材料时，其具体光路如图1所示：

其中光路1代表射入的激光，2代表激光经过第一个PBS后分出的S光，3代表激光经过第一个PBS后分出的P光，4代表P光先后经过2次1/4波长的玻片后变成的另一束S光。5代表凸透镜，将2束光聚焦；6代表光功率传感器，将光功率转化为电信号；7代表第一个PBS，将入射光分成P光和S光；8和9代表反光镜，将S光反射到10上；10代表第二个PBS；11代表1/4波长玻片，12代表非透光材料。

当待测样品为透明材料时，只需将激光经过第一个PBS7后分出的S光2用挡光板14遮挡，如图2所示：光束1代表入射激光，光束2代表入射激光经过第一个PBS后分离出来的S光，光束3代表入射激光经过第一个PBS后分离出来的P光，光束4代表光束3两次经过1/4波长玻片后转化成的另一束S光。

由上图可知，与图1相比，图2多了一个挡光板，使得S光2无法进入光功率传感器中。而待测透明材料13的上下表面各镀了一层半透半反的膜，当P光束3照射该样品时，会在其上下表面各形成一束反射光，当材料受热膨胀时，上下表面的距离会发生变化，此时这2束反射光会产生一个变化的光程差，当这2束光发生干涉时，由光的相干原理可知，当光程差是光半个波长的奇数倍时，光功率最小，当光程差是半个波长的偶数倍时，光功率最大，故可以得到一个光功率随温度变化而变化的正弦波曲线，样品的热膨胀系数为：

α＝N*λ/(L*ΔT)   (2)

其中N为2个光功率最大点之间的周期数，λ为激光波长，L为样品的厚度，ΔT为这2个光功率最大点之间的温度差。

实施案例

对于不透明材料，我们选用铝来做为待测材料，将铝片放入加热炉的载物台，启动激光器，经过铝片上表面的反射光通过共功率传感器传至数据处理器；启动加热炉，设定加热程序，炉腔中的热电偶将温度转化成电信号传送到数据处理器，数据处理器将得到的反射光功率和温度数据对应后作出反射光功率——温度曲线。

图3为该铝片经本测试系统得到的从室温20℃到250℃的反射光功率——温度曲线，铝片的厚度为1.6mm，从图中可以看出，分别在100.9℃，118.2℃，135.3℃，150.7℃，165.1℃，180.2℃温度处出现反射光功率的峰值，选取两相邻峰值对应温度区间，公式(2)中N＝1，并由公式(2)计算得到该载玻片在各温度区间热膨胀系数，结果如下表：

表1一种铝样品在各温度区间的热膨胀系数测试结果

普通铝片的热膨胀系数为1.88－2.36×10^-5/℃，用本发明测量方法得的结果与之较为吻合。本发明测量方法还能准确测量不同温度区间的热膨胀系数，测量结果可以从图中直观显示。

对于透明材料，我们用普通玻璃来测试：玻璃厚度为4mm，得到的从室温20℃到250℃的反射光功率——温度曲线，从图4中可以看出，分别在56.3℃，72.6℃，88.5℃，105.5℃，121.3℃，137.7℃，154℃，169.4℃温度处出现反射光功率的峰值，选取两相邻峰值对应温度区间，并由公式(2)计算得到该载玻片在各温度区间热膨胀系数，结果如下表：

表1 一种玻璃样品在各温度区间的热膨胀系数测试结果

普通玻璃热膨胀系数为4－11.5×10^-6/℃，用本发明测量方法测得的结果与之较为吻合。

Claims (4)

1.一种利用激光测量材料热膨胀系数的装置，包括两个偏振分束器(PBS)、加热炉、两个反光镜、一个1/4波长的玻片、一个凸透镜、一个光功率传感器，其特征在于：两个PBS垂直放置在同一竖直平面内，第二个PBS下方放置一个1/4波长的玻片，两个反光镜分别与水平面成45度放置，每个反光镜与一个PBS对应，凸透镜放置在两个PBS一侧并能将两束通过PBS的光束聚焦，凸透镜的焦点位置放置光功率传感器，加热炉位于1/4波长的玻片下方；激光器发出的激光经过第一个PBS后分出的一束S光和P光，S光依次经过第一个反光镜、第二个反光镜后入射到第二个PBS后反射到第一个PBS，经第一个PBS反射入射到凸透镜；P光依次透过第二个PBS和1/4波长的玻片到加热炉内的待测非透光材料表面进行反射后再次经过1/4波长的玻片转化为另一束S光，经第二个PBS反射到凸透镜，两束S光发生干涉，光功率传感器检测干涉后的反射光功率，连续升温测量，得到待测非透光材料的反射光功率与温度的曲线。

2.根据权利要求1所述的利用激光测量材料热膨胀系数的装置，其特征在于：还包括一块挡光板，挡光板放置在第一反光镜与第一个PBS之间；激光器发出的激光经过第一个PBS后分出的一束S光和P光，S光被挡；P光依次透过第二个PBS和1/4波长的玻片到加热炉内的待测透光材料上下表面的半透半反膜分别进行反射后再次经过1/4波长的玻片转化为两束S光，经第二个PBS反射入射到凸透镜，两束S光发生干涉，光功率传感器检测干涉后的反射光功率，连续升温测量，得到待测透光材料的反射光功率与温度的曲线。

3.利用权利要求1所述的装置测量非透光材料热膨胀系数的方法，其特征在于按以下步骤进行：将一个具有反射面的非透光材料样品放入加热炉加热，同时将一束激光入射，激光器发出的激光经过第一个PBS后分出的一束S光和P光，S光依次经过第一个反光镜、第二个反光镜后入射到第二个PBS后反射到第一个PBS，经第一个PBS反射入射到凸透镜；P光依次透过第二个PBS和1/4波长的玻片到加热炉内的样品表面进行反射后再次经过1/4波长的玻片转化为另一束S光，经第二个PBS反射到凸透镜，两束S光发生干涉，光功率传感器检测干涉后的反射光功率，连续升温测量，得到待测非透光材料的反射光功率与温度的曲线，线性热膨胀系数α的定义公式：

α＝ΔL/(L*ΔT)   (1)

T1和T2分别为反射光功率与温度的曲线中相邻反射光功率最大时对应的温度值，ΔT＝T2-T1；L为样品的厚度，ΔL为样品受热膨胀的形变距离；

根据光干涉原理可知样品的热膨胀系数α公式为：

α＝N*λ/(L*ΔT)   (2)

其中N为反射光功率两个最大值之间的变化周期数，λ为入射激光的波长。

4.利用权利要求2所述的装置测量透光材料热膨胀系数的方法，其特征在于按以下步骤进行：将一个待测透光材料上下表面均镀半透半反膜样品放入加热炉加热，同时将一束激光入射第一个PBS后分为一束P光和第一束S光，激光器发出的激光经过第一个PBS后分出的一束S光和P光，S光被挡；P光依次透过第二个PBS和1/4波长的玻片到加热炉内的待测透光材料上下表面的镀半透半反膜进行反射反再次经过1/4波长的玻片转化为两束S光，经第二个PBS反射入射到凸透镜，两束S光发生干涉，光功率传感器检测干涉后的反射光功率，连续升温测量，得到待测透光材料的反射光功率与温度的曲线，线性热膨胀系数α的定义公式：

α＝ΔL/(L*ΔT)   (1)

T1和T2分别为反射光功率与温度的曲线中相邻反射光功率最大时对应的温度值，ΔT＝T2-T1；L为样品的厚度，ΔL为样品受热膨胀的形变距离；

根据光干涉原理可知样品的热膨胀系数α公式为：

α＝N*λ/(L*ΔT)   (2)

其中N为反射光功率两个最大值之间的变化周期数，λ为入射激光的波长。