CN108398382A - 基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光组件 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学低温测试系统领域，具体为一种基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光组件，分为三个部分：光学平板支架部分；视窗法兰部分；光斑定位装置。光学平板支架部分主体由标准光学平板构成，光学平板上需要加工通光孔。视窗法兰部分需要设计通光孔，同时设计固定通孔。视窗法兰的视窗镜片设计为可拆卸，根据需要进行更换。光斑定位装置由主要由光敏电阻与特氟龙片组成，用于光斑的定位。本发明解决了在狭小空间中将自由光引入目标系统的问题，同时本设计便携小巧，易于添加不同的光学元器件。光斑定位系统可以实现光斑在目标系统测试腔内的微调对准。

Description

基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光 组件

技术领域

本发明属于光学低温测试系统领域，具体涉及一种基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光组件。

背景技术

光学低温测量系统是用于研究在低温环境下（低于-180℃，及93.15K）各种物质的光学性质或者对光的响应，可以说一切需要引入光的低温研究都需要使用类似的测量系统，其应用学科主要包括物理，材料，化学等。随着研究的深入，类似系统对低温的要求常常要达到10K左右，由于复杂的降温设计，自由光越发难以引入此类系统。Quantum Design综合物理性质测量系统是的一大特点是强磁场（最大9T），整个系统的腔体设计是狭长圆筒型，长度达到1.3m左右，这对于自由光的引入非常不利，因此目前该公司没有开发相应的自由光组件。如果可以实现在低温强磁场下自由光的引入，将会使研究的领域大大扩展，可以研究激光，磁场，温度三个参数共同变化情况下物质性质的变化。

该低温强磁场测试系统被广泛应用于世界上个大实验室，发明一种适用于该系统的自由光附属组件将有很大的应有价值，但是难点在于该系统并没有为添加此类组件提供开放的接口与平台，需要根据该系统已有的设计尺寸设计自由光组件，同时由于该组件不能够影响原测试本身带有的功能，必须具有便携式的特点。另外光学实验必须考虑光路的稳定性，因此必须设计额外的固定结构，保证光路入射的稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便携式的，稳固的基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光组件。

本发明提供的基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光组件，主要有三个部分组成：光学平台支架；视窗法兰；光斑定位装置。

本发明所述的自由光组件中，光学平板大小需要与测量系统匹配，长度在20cm~40cm，宽度在15cm~30cm，厚度在1~20mm。所加工的通光孔大小为20mm~70mm，太小的通光孔无法使自由光照射到所有腔内区域，太大的通光孔照成空间上的浪费。光学平板的大小主要受限于目标系统的杜瓦大小以及对于组件便携式的要求。通光孔径的位置并不是固定值，可以根据需要来进行调整，调整的原则是必须使通光孔径的圆心与测试腔体的轴对齐（测试腔体为圆柱形），另外在对齐的同时必须保证光学平板的支撑柱可以安放在杜瓦上。

本发明所述的自由光组件中，光学支撑架的支撑柱难免要设计为长短不一，以便于安放在元测试系统上，假设使用四个支撑柱，其中两根需要等长，另两根分别需要剪短85mm和72mm，这样的设计可以基本保证光学平板在使用时的水平。

本发明所述的自由光组件中，光学平板支架无法通过四个支撑柱固定在杜瓦上（不可能在目标系统上加工固定孔），因此必须通过本发明所述的自由光组件中的视窗法兰来实现固定。标准光学平板上原有的光学元件安装螺纹孔，可以用于与视窗法兰进行固定。

本发明所述的自由光组件中的视窗法兰基本结构是KF法兰直通，视窗镜片以及固定镜片的压片。KF法兰直通的一端需要与目标系统的KF法兰口匹配，另一端要进行额外的设计：包括加工固定用的通孔，以及加工放置密封橡胶圈的槽。视窗镜片的厚度需要大于1mm，否则机械强度不够，无法密封真空腔，另外，视窗镜片的光学性质根据需要设计。将该镜片设计成可拆卸的，也有利于根据不同需求进行更换。压片的内孔直径只需要比视窗镜片小即可，但是太小的内孔直径相当于减小通光孔径。

本发明所述的自由光组件中的光斑定位装置基本结构是四个光敏电阻与一片深色特氟龙片，深色特氟龙片的中央开通光孔孔，孔大小与激光光斑相近（1~5mm），过大将无法准确定位光斑，过小将导致同光量大幅减少。四个光敏电阻均匀紧密分布在通光孔四周，呈十字状分布，组成四个象限，当激光照射到其中某一个或多个光敏电阻时，照射道德光敏电阻电阻值会大幅下降，可以反方向调整光斑位置，最后使四个光敏电阻的电阻值都相似，且与其暗电阻值相近，这时光斑定位到了通光孔位置。

本发明具有以下有益效果：

1. 本发明便携性好，整体尺寸大小大概20mm*30mm*20mm，同时轻便，未加装光学元件是重量仅为2~3kg，能够随时拆卸，不影响目标系统的使用；

2. 本发明开放性强，光学平板支架部分可以随意添加光学元件，包括但不限于各种镜片，光学活动元件，激光器等。在光路设计方面还可以充分利用垂直空间，实现紧凑的元件排布格局。本质上本发明仅提供了一个自由光到目标系统的固定接口，自由光部分完全是开放式设计。同时视窗法兰部分的视窗也是可更换的，既可以满足不同的使用需求，又避免了更换整个法兰所造成的浪费；

3. 本发明满足了自由光光路稳定的要求。由于整个组件是通过目标系统的法兰口进行固定的，是完全的刚性连接，保证整个组件在测量过程中，不会发生可观测的相对移动，保证了自由光束的稳定输入；

4. 本发明针对Quantum Design综合物理性质测量系统设计，该系统的广泛应用，保证了本发明的普适性，可以与任何一台相同系统连接，而不需要更多额外的改进；

5. 本发明的制作成本低，基本所有部件都不需要特殊定制，如果不考虑视窗镜片（不同镜片差价很大），整体造价不超过3000元；

6. 本发明考虑到了目标系统测试腔的结构特点（狭长桶状），难以直接通过肉眼调整光斑位置，特别设计了光斑定位装置，能够将光斑准确调至需要位置，灵活方便。再加上上文所述的刚性连接，保证测试过程中，光斑不会偏离目标位置。

附图说明

图1为本发明中光学平板支架整体图示。

图2为本发明中光学平板结构图示。

图3为本发明中视窗法兰整体图示。

图4为本发明中视窗法兰剖面图示。

图5是本发明中光斑定位系统图示。

图中标号：1-光学平板支架，2-支柱A，3-支柱B，4-支柱C，5-支柱D，6-光学平板的工程设计示意图（上视图），7-光学平板上的通光孔，8-视窗法兰，9-视窗法兰固定孔，10-视窗镜片压片，11-视窗镜片压片通光孔，12-橡胶圈A，13-橡胶圈B，14-视窗镜片，15-视窗法兰通光孔，16-视窗法兰主体，17-KF法兰口，18-胶圈槽口，19-深色特氟龙片，20-光斑定位装置的通光孔，21-光敏电阻。

具体实施方式

为了更清楚地说明发明的使用，下面具体结合实施例，并参照附图，详细说明本发明。

本发明包括两个部分：光学平板支架1；视窗法兰8。其中，

光学平板支架1包括：支柱A2，支柱B3，支柱C4，支柱D5，以及光学平板6。视窗法兰8包括：视窗镜片压片10，视窗镜片14，视窗法兰主体16。

所述光学平板支架中，四根支柱：支柱A2，支柱B3，支柱C4，支柱D5需要有不同的长度，其中支柱C4与支柱D5等长200~400mm，支柱B3比其短72mm，支柱A2比其短85mm。这样设计的目的是为了保证光学平板能水平放置到目标系统上。光学平板的工程设计示意图（上视图）6中，画出了通光孔7，其大小可以根据具体需要进行设计，自由激光将会通过反射镜反射后由水平方向变为竖直方向，通过该通光孔射入目标系统。

所述视窗法兰中，需要设计四个固定用的通孔9，为了方便，该通孔的相对位置需要和光学平板6上的螺纹孔相同，这样，可以直接通过螺杆连接固定二者，间接达到固定光学平板支架的效果。视窗镜片压片10由螺丝固定在视窗法兰主体16上，压片和视窗法兰主体之间放置视窗镜片14，视窗镜片的大小需要与视窗法兰相匹配，且该视窗镜片可随时更换拆卸。视窗镜片的厚度应大于1mm，以免在按压时由于机械强度弱而碎裂。镜片的上下放置橡胶圈A12与橡胶圈B13,。橡胶圈B13的作用是真空密封，橡胶圈A12的作用是保证视窗镜片压片10的压力分均匀，保护视窗镜片14。由于橡胶圈B13是用于真空密封，必须保证与接触面有效贴合，特设计槽口18。视窗法兰主体的底端是与原测试尺寸匹配的KF法兰口17。

所述光学定位装置中，需要在深色特氟龙片19上加工一个通光孔20，通光孔大小与激光光斑相当（1mm – 5mm），过大将无法准确定位，过小将阻挡激光透过。四个光敏电阻21如图5的方式紧密分布在通光孔四周，组成四个象限，当激光照射到其中某一个或多个光敏电阻时，光敏电阻的电阻值会大幅下降，这时可以反向调整光斑位置，直至四个光敏电阻的电阻值相近，这时光斑到四个光敏电阻的距离相近，可以认为光斑正好照射到中央的通光孔。

本发明所述的自由光组件中有三个通光孔（除去特氟龙片上的通光孔）：光学平板上的通光孔7，视窗镜片压片通光孔11，以及视窗法兰通光孔15，最终的有效通光孔径是这三个通光孔径的最小值。在设计时一般将光学平板上的通光孔7设计大一些方便调整自由光入射角度和位置，视窗镜片压片通光孔11和视窗法兰通光孔15一般设计为同样的尺寸，且该尺寸与目标系统（圆柱形腔体）的直径相当。

在本实施例中，采用了小巧便捷的光学平板，实现了便携拆卸的功能，不妨碍目标系统其他组件的使用；采用了不同长度的支柱，保证了使用过程中光学平板的水平；采用了光学平板与视窗法兰的刚性连接，保证了在测试过程中自由光路的相对稳定；采用了保持光学平板水平的支架的四根支柱与目标系统配套，可以的支架；采用了大量可更换的部件，比如视窗镜片以及支架支柱，保证了可以根据需求的改变，随时进行相应的更换而节省了成本。

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做了进一步的描述说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限于本发明。凡是在本发明精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光组件，其特征在于，包括：光学平板支架，视窗法兰，光斑定位装置：其中，所述光学平板支架包括：加工有空光孔的标准孔间距光学平板，以及支撑平板所用的铝型材支柱；所述视窗法兰包括：特殊设计的KF直通法兰，视窗镜片以及固定镜片的压板；所述光斑定位装置包括：四个光敏电阻与一片深色特氟龙片。

2. 根据权利要求1所述的基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光组件，其特征在于，所述的组件光学平板大小需要与目标系统匹配，长度在20cm~40cm，宽度在15cm~30cm，厚度在1~20mm；所加工的通光孔大小为20mm~70mm。

3.根据权利要求1所述的基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光组件，其特征在于，所述的光学平板支撑架长度不能够一致，因为目标系统没有统一高度的平面用于安放光学平台，为了保证光学平台水平，其中两根支撑柱必须等长，另两个分别短85mm和72mm。

4.根据权利要求1所述的基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光组件，其特征在于，所述的视窗法兰需要有KF法兰口以匹配目标系统的法兰接口，需要设计槽口安放橡胶圈，需要设计视窗片的压板来密封真空。

5.根据权利要求1所述的基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光组件，其特征在于，所述的视窗窗片厚度大于1mm。

6.根据权利要求1所述的基于Quantum Design综合物理性质测量系统的便携式自由光组件，其特征在于，所述的特氟龙片必须是深色以避免激光反射，特氟龙片的中间开通光孔，孔大小在与激光光斑相近，四个光敏电阻紧密分布在孔四周，成十字结构，用于探测激光位置。