CN106501309B - 用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置，包括：第一线性移动台；第二线性移动台；第三线性移动台；转接基板；以及直角支架；其中，所述第一和第二线性移动台通过所述转接基板正交装配，形成XY配置移动台，实现水平面内的移动；所述第三线性移动台通过所述直角支架与所述第一和第二线性移动台正交装配，形成三维移动平台；所述第一线性移动台，第二线性移动台，第三线性移动台分别沿所述三维移动平台的X、Y、Z轴方向移动。本发明实现了方便且精确的控制测量点及聚焦样品，方便液体或粉体形式样品及界面的热物性参数测量，节省了空间，实现了样品的灵活放置，有效消除了透射光学元件会引入的位相延迟和吸收损耗。
Description
技术领域
本发明涉及超短激光脉冲抽运探测技术领域，尤其涉及一种用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置。
背景技术
微纳结构材料已广泛应用于微电子、光电子等领域，而采用微纳结构材料形成的微器件在工作时会产生极高的热流密度，热堆积将直接影响到微器件的工作效率以及可靠性；而且，微器件在很多不同的应用领域，如基于热疗法和纳米颗粒的癌症治疗，太阳能加热，胶质和纳米流体，蒸镀，喷雾冷却，和电化学固液界面的热输运机理等也都起着至关重要的作用。解决上述问题极为迫切，这就需要对组成上述微器件的微纳结构材料的热输运性质进行准确表征，以便揭示其热输运机理。
现有抽运探测热反射系统对薄膜材料及固液界面热输运性质进行准确表征，以实现对宽温度范围、多物质状态的纳米材料内部及界面热输运性质的研究。然而，在现有的抽运探测热反射系统中，一般采用物镜对激光进行聚焦，然后打到样品上面，但这种方式会产生色差，而且受焦距的限制，样品的放置方式单一，测量液体及固液界面热导率不方便。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置，采用三维移动平台可以方便且精确的控制测量点及聚焦样品；液体和粉体形式样品可以在样品内托架内利用液体或粉体自身重力或通过施压的方式使液体或粉体形式样品充分分布，从而方便的测量样品及界面的热导率等热物性参数；采用离轴抛物面(OAP)反射镜，节省了空间，实现了样品的灵活放置，有效的消除了透射光学元件引入的位相延迟和吸收损耗。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置，包括：第一线性移动台；
第二线性移动台；
第三线性移动台；
转接基板；以及
直角支架；其中，
所述第一和第二线性移动台通过所述转接基板正交装配，形成XY配置移动台，实现水平面内的移动；
所述第三线性移动台通过所述直角支架与所述第一和第二线性移动台正交装配，形成三维移动平台；
所述第一线性移动台，第二线性移动台，第三线性移动台分别沿所述三维移动平台的X、Y、Z轴方向移动。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置至少具有以下有益效果其中之一：
(1)通过三维移动平台，可在水平面内移动选择测量点，以达到多次测量提高测量精度的目的，同时在垂直方向移动以调节光路聚焦在样品上，实现方便且精确的控制测量点及聚焦样品；
(2)对于液体和粉体形式样品可以在样品内托架内利用液体自身重力或通过施压的方式使液体粉体形式样品充分分布，方便测量样品及界面的热导率等热物性参数；
(3)在抽运探测热反射系统中采用离轴抛物面(OAP)反射镜将激光聚焦辐射在样品表面部分，通过离轴抛物面反射镜的离轴设计将光路分离出来，可以起到节省空间，实现样品的更灵活放置作用，有效的消除了透射光学元件会引入的位相延迟和吸收损耗。
附图说明
图1为本发明用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置的结构示意图。
图2为本发明样品内托架示意图。
<附图标记说明>
1-第一线性移动台；
2-第二线性移动台；
3-直角支架；
4-第三线性移动台；
5-接杆；
6-样品外托架；
7-离轴抛物面反射镜；
8-样品内托架固定圈；
9-液体粉体形式样品；
10-金属传感层；
11-玻璃
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置，通过离轴抛物面反射镜实现对抽运探测热反射系统中的激光使用不同的方式，如水平激光在水平面改变90度向左或者向右打在垂直放置的样品上或者水平激光在竖直面内改变90度往上或者往下打在样品上，改变光路聚焦辐射在样品表面达到测量更有效的利用空间增加样品放置的自由度，测量功能和范围的扩大；通过样品装置实现液体、粉体等及固液界面的热导率等热物性参数测量；通过三维移动平台水平面内移动选择测量点，以达到多次测量提高测量精度的目的，垂直方向移动以调节光路聚焦在样品上。
图1为本发明用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置的结构示意图。如图1所示，本发明用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置，包括：
第一线性移动台；
第二线性移动台；
第三线性移动台；
转接基板；以及
直角支架；其中，
所述第一和第二线性移动台通过所述转接基板正交装配，形成XY配置移动台，实现水平面内的移动；
所述第三线性移动台通过所述直角支架与所述第一和第二线性移动台正交装配，形成三维移动平台，实现三维空间自由度；
所述第一线性移动台，第二线性移动台，第三线性移动台分别沿所述三维移动平台的X、Y、Z轴方向移动。
为了实现精确运动和长使用寿命，所述第一线性移动台、第二线性移动台及第三线性移动台具有硬化钢线性轴承，每个所述线性移动台具有精确的定位梢，可组装成右手或左手系正交线性三维移动平台。优选的，其正交误差小于5mrad。
所述第一线性移动台，第二线性移动台及第三线性移动台可采用thorlabs PT1/M型号移动台，行程范围为25.0mm，分度为10μm。所述转接基板可采用thorlabs PT101型号基板；所述直角支架可采用thorlabs PT102型号支架。
请参照图1，所述第二线性移动台通过所述直角支架与所述第三线性移动台连接，其中，所述直角支架固定在所述第二线性移动台上，并将所述第三线性移动台固定在所述直角支架的竖直面上，使所述XY配置移动台在Z轴，即竖直方向上移动。
进一步的，所述用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置还包括：
样品内托架，用于液体和粉体形式样品测量，提供对液体和粉体形式样品的支撑和约束。
样品外托架，用于固体形式样品测量，提供对固体样品或对所述样品内托架的固定；所述样品外托架可通过接杆与所述第三线性移动台连接。
在第三线性移动台上的多个安装孔之中选择合适的安装孔位置安装底座转接件，可采用thorlabs UPHA作为底座转接件，通过所述底座转接件将接杆支架固定在所述第三线性移动台上面。
所述样品外托架可用于固定英寸元件，例如垫圈，提供绕平行于第一线性移动台和第二线性移动台的XY轴不小于±4°的角度调节。具体的，所述样品可通过粘结或者其他方式固定在垫圈上，所述垫圈的大小尺寸一般为/>固定有样品的垫圈通过卡环固定在样品外托架内，通过8-32(M4)螺孔安装到/>英寸接杆螺孔，与所述接杆连接。
在使用所述样品外托架进行固体形式样品测量时，调整所述第一和第二线性移动台可以调节样品外托架的水平位置，调整所述第三线性移动台可以调节样品外托架的竖直高度，使聚焦焦点位于样品外托架内的样品表面。
图2为本发明样品内托架示意图。如图2所示，对于液体或粉体形式的样品，可以参照图2所示方式放置于所述样品内托架内，再将该样品内托架固定在所述样品外托架内。
所述样品内托架包括样品内托架固定圈和镀有金属传感层的玻璃。所述样品内托架固定圈中间设有通孔，所述该通孔尺寸小于所述样品内托架固定圈尺寸，所述样品内托架固定圈可为英寸金属垫片，也即所述通孔尺寸小于/>英寸，其厚度为2–5mm，外径与样品外托架匹配。所述镀有金属传感层的玻璃包括玻璃和金属传感层，所述玻璃可为盖玻片，尺寸大于所述通孔尺寸且小于/>英寸，所述金属传感层可为铝膜，厚度在50–200nm之间，镀有金属传感层的玻璃的金属侧通过粘合剂与样品内托架固定圈相连，粘合剂确保玻璃与样品内托架固定圈之间完全密封，其玻璃侧朝下放置于样品外托架内部，所述样品内托架固定圈的通孔与玻璃共同构成一个凹状结构，用于盛放液体或粉体形式的样品，样品的用量由通孔尺寸决定，为了体现该发明样品用量少的优势，通孔可选直径5–7mm圆孔。带有样品的所述样品外托架连接在接杆上，并通过固定接杆支架固定在上述底座转接件上。
在使用所述样品内托架进行液体和粉体形式样品测量时，将液体和粉体形式样品放置在所述样品外托架内部。聚焦焦点位于样品内托架的金属传感层表面，调整所述第三线性移动台可以调节样品外托架的竖直高度，调整所述第一和第二线性移动台可以调节样品外托架的水平位置，使聚焦焦点位于样品表面或样品内托架的金属传感层表面上的不同位置，实现对样品不同位置热导率等热物性参数的测量。
进一步的，所述用于抽运探测热反射系统还包括：离轴抛物面(OAP)反射镜，用于聚焦及改变光路；所述离轴抛物面反射镜的离轴角为90°，在450nm–2μm波长范围内反射率大于90％，在准直点光源或聚焦准直光束时不会产生球差或色差。
所述离轴抛物面(OAP)反射镜是第一表面反射镜，其反射表面是组成原始抛物面反射镜的一部分，每个反射表面都具有原始抛物面无色差地聚焦准直光束或准直宽带点光源的能力，所述离轴抛物面(OAP)反射镜离轴设计能够在空间上将焦点从光路中分离出来；而且其全反射设计消除了透射光学元件会引入的位相延迟和吸收损耗。所述离轴抛物面反射镜表面粗糙度小于100埃，可通过安装适配器与其他标准光学原件连接。
所述离轴抛物面反射镜，采用Thorlabs MPD029-G01 90°离轴抛物面反射镜。离轴抛物面反射镜的反射焦点应位于样品外托架中心位置，通过三维移动平台可以根据样品的具体尺寸调整焦点与样品的相对位置。在需要节省水平光路右侧的空间时，水平激光在水平面改变90度向左打在垂直放置的样品上。在需要节省水平光路左侧的空间时，水平激光在水平面改变90度向右打在垂直放置的样品上。在测量液体不方便竖直或者其他放置方式放置样品而导致液体溢出时，可以将水平激光在竖直面内改变90度往上打在样品上，同时也节约了水平面内的空间。另外，水平激光在竖直面内改变90度往下打在样品上，同样也能节约水平面内的空间，同时还可以实现其他的一些需求。
所述离轴抛物面反射镜可采用外螺纹安装转接件、无螺纹的安装转接件、离轴抛物面反射镜安装座等进行安装。具体安装方式如下所述：
(1)采用外螺纹安装转接件安装离轴抛物面反射镜：使用外螺纹安装转接件将英寸离轴抛物面反射镜安装在16毫米笼式光学调整架中，4根笼式支杆穿过所述光学调整架，通过锁定螺丝将笼式支杆固定就位。每个调整架具有至少3个3/16英寸-100细调螺丝，其可调精度为9mrad/rev。该螺丝具有5/64英寸的内六角凹头用于方便调节。每个所述光学调整架附带一个5/64英寸的六角扳手。所述光学调整架能够夹持厚达0.15英寸(3.8mm)的光学元件。所述光学调整架具有至少两个SM05RR卡环，用于将所述离轴抛物面反射镜固定在所述光学调整架内。
(2)采用无螺纹的安装转接件安装离轴抛物面反射镜：使用无螺纹的安装转接件将英寸离轴抛物面反射镜安装在反射镜安装座，反射镜安装座由尼龙头定位螺丝固定在光学调整架限位孔中，3个1/4"-80调节器、可锁定调节器通过移动调整架的前板，可实现±4°范围内的调整。为了保证调整范围对称(即±4°)，调整架的前后板间距必须分别为0.120英寸(3.05mm)。当同时使用三个调节器时，/>英寸光学调整架可实现Z轴方向上平移最大0.25英寸(6.4mm)的距离。
(3)采用离轴抛物面反射镜安装座安装离轴抛物面反射镜：离轴抛物面反射镜安装座带有四个用来安装接杆的8-32(M4)螺孔，都与离轴抛物面反射镜成直角。离轴抛物面反射镜安装座，从镜片中心到安装座边缘的距离是1/2英寸(12.5mm)，离轴抛物面反射镜安装座和英寸接杆之类的连接可以标准化固定光轴高度的接杆。
其中，入射到所述三维移动平台的光包括抽运光和探测光，分别用于加热和探测样品，相应的其波长分别为400nm，800nm，通过所述离轴抛物面反射镜将所述抽运光和探测光聚焦在所述样品外托架内的样品表面或样品内托架的金属传感层表面上。
综上所述，本发明一种用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置让样品放置及测量样品点的选择更加灵活，实现了各种样品(固体、液体、固液界面等)热导率等热物性参数的高效准确测量，并且消除了透射光学元件会引入的位相延迟和吸收损耗。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求保护的范围为准需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：三维移动平台可以采用机械的，也可以采用电控的，均不影响本发明的实现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置，其特征在于，包括：第一线性移动台；
第二线性移动台；
第三线性移动台；
转接基板；
样品外托架，用于固体样品测量；
离轴抛物面反射镜；以及
直角支架；其中，
所述第一线性移动台和第二线性移动台通过所述转接基板正交装配，形成×Y配置移动台，实现水平面内的移动；
所述第三线性移动台通过所述直角支架与所述第一和第二线性移动台正交装配，形成三维移动平台；
所述第一线性移动台，第二线性移动台，第三线性移动台分别沿所述三维移动平台的×、Y、Z轴方向移动；
所述离轴抛物面反射镜位于所述样品外托架正下方，抽运激光和探测激光共线发射至所述离轴抛物面反射镜，经所述离轴抛物面反射镜反射后聚焦于所述样品上，通过三维移动平台可以根据具体样品尺寸调整焦点与样品的相对位置，所述离轴抛物面反射镜通过离轴设计将光路分离以节约空间，从而消除透射光学元件会引入的位相延迟和吸收损耗；
样品内托架，用于液体和粉体形式样品测量，所述样品内托架包括样品内托架固定圈和镀有金属传感层的玻璃，所述镀有金属传感层的玻璃包括玻璃和金属传感层，所述样品内托架固定圈中部设有通孔，该通孔与所述镀有金属传感层的玻璃共同构成一个凹状结构，用于盛放液体或粉体形式的样品；
所述第一和第二线性移动台分别沿着所述三维移动平台的×、Y轴移动以调节所述样品外托架的水平位置，所述第三线性移动台沿着所述三维移动平台的Z轴移动以调节样品外托架的竖直高度，使聚焦焦点位于样品外托架内的样品表面或样品内托架的金属传感层表面的不同位置，实现对不同位置样品热物性的测量；
其中，液体和粉体形式样品在样品内托架内利用液体自身重力或通过施压的方式使液体粉体形式样品充分分布，以便于测量样品及界面的热导率。
2.根据权利要求1所述的用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置，其特征在于，采用所述样品外托架固定所述样品内托架，其中，
所述样品内托架的镀有金属传感层的玻璃的金属侧通过粘合剂与所述样品内托架固定圈相连，其玻璃侧朝下放置于所述样品外托架内部，通过所述样品外托架连接在接杆上，并通过接杆连接所述第三线性移动台。
3.根据权利要求1所述的用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜的离轴角为90°，在450nm-2μm波长范围内反射率大于90％。
4.根据权利要求3所述的用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜采用外螺纹安装转接件、无螺纹的安装转接件或离轴抛物面反射镜安装座进行安装。
5.根据权利要求1所述的用于抽运探测热反射系统的无物镜测量装置，其特征在于，所述第一线性移动台、第二线性移动台及第三线性移动台具有硬化钢线性轴承及定位梢，组装成右手或左手系正交线性三维移动平台，其正交误差小于5mrad。
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