CN111537552B - 一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置及方法，属于测量技术领域。本发明采用法布里‑珀罗干涉仪测量试样的长度，利于提高测量准确性。本发明采用声光调制器产生附加光频移动，利用由同一套稳频激光器、高速光电接收器和频率计数器组成的频率测量系统能够完成对法布里‑珀罗干涉仪两个相邻谐振峰的频率测量，在不显著增加系统成本情况下，实现测量试样长度。本发明能够对不同温度下的试样长度进行绝对测量，突破通常法布里‑珀罗干涉仪测量范围小的局限，且不需要干涉测长系统连续工作，操作方便。综上，本发明具有测量准确度高、测量范围大、干涉系统结构简单且不需要长时间连续工作等优点，在低膨胀材料线膨胀系数测量方面有重要应用价值。

Description

一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置及方法，尤其涉及一种利用法布里-珀罗干涉仪测量试样长度的线膨胀系数测量装置及方法，属于精密测量技术领域。

背景技术

低膨胀材料具有线膨胀系数小、耐高温、耐热冲击等优异性能，在精密工程领域得到广泛应用，如大型太空望远镜、紫外光刻机和激光陀螺等的关键部件均采用低膨胀微晶玻璃等低膨胀材料制成。解决线膨胀系数为10^-8K^-1甚至更小量级的低膨胀材料的线膨胀系数测量问题，不仅有助于精密结构设计和加工过程控制，也有利于新材料的研究和应用。在低膨胀材料线膨胀系数测量中，如何实现纳米级准确度的材料尺寸变化测量是关键，为此，许多研究者将激光干涉测量技术应用于高精度线膨胀系数测量装置中，常见的干涉仪类型包括迈克尔逊和斐索等。法布里-珀罗干涉仪具有极高的测量分辨力，如果将其用于材料长度变化的测量，将有利于提高测量准确度，但通常的法布里-珀罗干涉仪频率追踪位移测量方法，由于受到高速光电接收器的频率范围和灵敏度、可调激光器的波长调节范围等限制，其测量范围无法满足要求。在现有商用设备和器件条件下，研究基于法布里-珀罗干涉仪的大范围材料尺寸变化测量方法，对提高低膨胀材料线膨胀系数测量的准确度有重要意义。

发明内容

本发明公开的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置及方法的发明目的是：采用法布里-珀罗干涉仪，通过分别测量法布里-珀罗腔的两个相邻谐振峰频率，实现试样长度的高准确度绝对测量。为了解决高灵敏度高速光电接收器频率范围小的问题，采用声光调制器产生附加光频移动，使所要测量的信号频率始终处于高速光电接收器的工作范围内。与现有的线膨胀系数测量中应用的激光干涉系统相比，本发明具有测量分辨力高、测量准确度高、不需要试样端面反光、不要求长时间连续干涉测量过程、干涉系统结构简单等优点，能够更好地满足低膨胀材料线膨胀系数的测量需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置，主要由干涉测长模块、温度调节及测量模块、控制及数据处理模块组成。干涉测长模块用于测量试样的长度，包括可调激光器、第一分光镜、第一反射镜、第二反射镜、光电接收器、第三反射镜、λ/4波片、第一透镜、声光调制器、第二透镜、偏振分光镜、第一λ/2波片、第四反射镜、第二λ/2波片、挡光板、稳频激光器、第二分光镜、第三分光镜、偏振片、高速光电接收器和频率计数器。温度调节及测量模块用于调节和测量试样的温度。控制及数据处理模块用于协调干涉测长模块和温度调节及测量模块的工作，通过对不同温度下的试样长度数据进行处理得到试样的线膨胀系数。

以可调激光器为起点，可调激光器的右侧依次为第一分光镜、第一反射镜、试样、第二反射镜和光电接收器，第一反射镜和第二反射镜分别与试样两端刚性连接，组成法布里-珀罗腔。第一分光镜的下方依次为偏振分光镜、第二λ/2波片和第三分光镜；偏振分光镜的左侧依次为第一λ/2波片和第三反射镜；偏振分光镜的右侧依次为第一透镜、声光调制器、第二透镜、λ/4波片和第四反射镜；第三分光镜的左侧依次为第二分光镜和稳频激光器，第二分光镜位于第三反射镜的下方；第三分光镜的右侧依次为偏振片和高速光电接收器；挡光板根据测量需要置于第三反射镜和第二分光镜之间或第二λ/2波片和第三分光镜之间。

本发明的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置的工作方法为：

步骤一：测量试样长度，根据试样长度、可调激光器波长和高速光电接收器工作范围，选择声光调制器的频率，使得高速光电接收器接收的光信号频率始终在其测量范围内。

将圆筒形试样的两端分别与第一反射镜和第二反射镜刚性连接，使反射面与试样端面接触，形成法布里-珀罗腔；

以可调激光器作为法布里-珀罗干涉仪的光源，其发出的光束被第一分光镜分为两部分，大部分光透过第一分光镜，进入由第一反射镜和第二反射镜组成的法布里-珀罗腔，形成多光束干涉，法布里-珀罗干涉仪的输出信号由光电接收器接收。

被第一分光镜反射的光束被偏振分光镜分为两束，透过偏振分光镜的光束经过第二λ/2波片，进入第三分光镜并被反射；被偏振分光镜反射的光束经过第一透镜汇聚于声光调制器，其1级衍射光经过第二透镜变为平行光束，然后通过λ/4波片，被第四反射镜反射后沿原路返回，该光束通过偏振分光镜和第一λ/2波片，被第三反射镜反射，进入第二分光镜并被反射。

以稳频激光器作为频率基准，由稳频激光器发出的光束通过第二分光镜和第三分光镜，在第二分光镜和第三分光镜处分别与来自第三反射镜和第二λ/2波片光束汇合，然后通过偏振片，进入高速光电接收器。

在测量过程中，调节可调激光器的波长，使法布里-珀罗干涉仪的输出信号光强达到极大值，且高速光电接收器能够探测到拍频信号，将可调激光器的频率锁定在该光强极大值处；将挡光板置于第三反射镜和第二分光镜之间；用频率计数器测量高速光电接收器输出的拍频信号，计算来自第二λ/2波片的光束的频率f₁。

调节可调激光器使其波长增大，当法布里-珀罗干涉仪的输出信号达到下一个极大值时，将可调激光器的频率锁定在该光强极大值处；将挡光板置于第二λ/2波片和第三分光镜之间；通过适当选取声光调制器的频率，此时拍频信号仍然在高速光电接收器的工作范围内，用频率计数器测量高速光电接收器输出的拍频信号，测算来自第三反射镜的光束的频率f₂。

根据两次测得的激光频率，按照下式计算试样的长度L。

式中：c为光速，n为空气折射率，f₀为声光调制器的频率。

当光束经过声光调制器时，取-1级衍射光，完成第一个谐振峰测量后，调节可调激光器使其波长减小，对相邻谐振峰进行测量，此时试样长度计算公式修改为如下形式。

根据试样长度、可调激光器波长和高速光电接收器工作范围，选择声光调制器的频率，使得高速光电接收器接收的光信号频率始终在其测量范围内。

步骤二：用温度调节及测量模块将试样的温度控制在设定温度，并测量试样的温度；用干涉测长模块按照步骤一测量在此温度下试样的长度；将试样的温度调节至下一个设定温度，测量试样的温度和长度。

步骤三：重复步骤二测量过程直到最后一个设定温度；用控制及数据处理模块根据测得的不同温度下的试样长度测算试样的线膨胀系数。

有益效果

1、本发明的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置及方法，采用法布里-珀罗干涉仪测量试样的长度，使测量分辨力与通常双光束干涉仪相比提高一个数量级以上，有利于提高测量准确性。

2、本发明的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置及方法，采用声光调制器产生附加光频移动，利用由同一套稳频激光器、高速光电接收器和频率计数器组成的频率测量系统能够完成对法布里-珀罗干涉仪两个相邻谐振峰的频率测量，在不显著增加系统成本的情况下，实现用法布里-珀罗干涉仪测量试样长度。

3、本发明的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置及方法，能够对不同温度下的试样长度进行绝对测量，突破通常法布里-珀罗干涉仪测量范围小的局限，且不需要干涉测长系统连续工作，操作方便。

综上，本发明的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置及方法，其干涉测长模块具有测量准确度高、测量范围大、干涉系统结构简单且不需要长时间连续工作等优点，在低膨胀材料线膨胀系数测量等方面具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明所述的一种线膨胀系数测量装置的组成框图。

其中，1—干涉测长模块，2—温度调节及测量模块，3—控制及信息处理模块，4—试样

图2是本发明所述的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置及方法的实施例的干涉测长模块的光学原理图。

其中，4—试样，5—可调激光器，6—第一分光镜，7—第一反射镜，8—第二反射镜，9—光电接收器，10—第三反射镜，11—第一λ/2波片，12—偏振分光镜；13—第一透镜，14—声光调制器，15—第二透镜，16—λ/4波片，17—第四反射镜，18—第二λ/2波片，19—挡光板，20—稳频激光器；21—第二分光镜，22—第三分光镜，23—偏振片，24—高速光电接收器，25—频率计数器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1、2所示，本实施例公开的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置，由干涉测长模块1、温度调节及测量模块2、控制及数据处理模块组成3。干涉测长模块用于测量试样4的长度，它主要包括：可调激光器5、第一分光镜6、第一反射镜7、第二反射镜8、光电接收器9、第三反射镜10、第一λ/2波片11、偏振分光镜12、第一透镜13、声光调制器14、第二透镜15、λ/4波片16、第四反射镜17、第二λ/2波片18、挡光板19、稳频激光器20、第二分光镜21、第三分光镜22、偏振片23、高速光电接收器24和频率计数器25。温度调节及测量模块2用于调节和测量试样4的温度；控制及数据处理模块3用于协调干涉测长模块1和温度调节及测量模块2的工作，通过对不同温度下的试样长度数据进行处理得到试样4的线膨胀系数。

以可调激光器5为起点，说明干涉测长模块1各组成部分之间的位置关系；可调激光器5的右侧依次为第一分光镜6、第一反射镜7、试样4、第二反射镜8和光电接收器9，第一反射镜7和第二反射镜8分别与试样4的两端刚性连接，组成法布里-珀罗腔；第一分光镜6的下方依次为偏振分光镜12、第二λ/2波片18和第三分光镜22；偏振分光镜12的左侧依次为第一λ/2波片11和第三反射镜10；偏振分光镜12的右侧依次为第一透镜13、声光调制器14、第二透镜15、λ/4波片16和第四反射镜17；第三分光镜22的左侧依次为第二分光镜21和稳频激光器20，第二分光镜21位于第三反射镜10的下方；第三分光镜22的右侧依次为偏振片23和高速光电接收器24；挡光板19根据测量需要置于第三反射镜10和第二分光镜21之间或第二λ/2波片18和第三分光镜22之间。

本实施例的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置的工作方法为：

步骤一：测量试样4长度，根据试样4长度、可调激光器5波长和高速光电接收器24工作范围，选择声光调制器14的频率，使得高速光电接收器24接收的光信号频率始终在其测量范围内。

将圆筒形试样4的两端分别与第一反射镜7和第二反射镜8刚性连接，使反射面与试样4端面接触，形成法布里-珀罗腔；

以可调激光器5作为法布里-珀罗干涉仪的光源，其发出的光束被第一分光镜6分为两部分，大部分光透过第一分光镜6，进入由第一反射镜7和第二反射镜8组成的法布里-珀罗腔，形成多光束干涉，法布里-珀罗干涉仪的输出信号由光电接收器9接收；

被第一分光镜6反射的光束被偏振分光镜12分为两束，透过偏振分光镜12的光束经过第二λ/2波片18，进入第三分光镜22并被反射；被偏振分光镜12反射的光束经过第一透镜13汇聚于声光调制器14，其1级衍射光经过第二透镜15变为平行光束，然后通过λ/4波片16，被第四反射镜17反射后沿原路返回，该光束通过偏振分光镜12和第一λ/2波片11，被第三反射镜10反射，进入第二分光镜21并被反射；

以稳频激光器20作为频率基准，由稳频激光器20发出的光束通过第二分光镜21和第三分光镜22，在第二分光镜21和第三分光镜22处分别与来自第三反射镜10和第二λ/2波片18光束汇合，然后通过偏振片23，进入高速光电接收器24。

在测量过程中，首先调节可调激光器5的波长，使法布里-珀罗干涉仪的输出信号光强达到极大值，且高速光电接收器24能够探测到拍频信号，将可调激光器5的频率锁定在该光强极大值处；将挡光板19置于第三反射镜10和第二分光镜21之间；用频率计数器25测量高速光电接收器24输出的拍频信号，计算来自第二λ/2波片18的光束的频率f₁；

然后，调节可调激光器5使其波长增大，当法布里-珀罗干涉仪的输出信号达到下一个极大值时，将可调激光器5的频率锁定在该光强极大值处；将挡光板置于第二λ/2波片18和第三分光镜22之间；通过适当选取声光调制器14的频率，此时拍频信号仍然在高速光电接收器24的工作范围内，用频率计数器25测量高速光电接收器24输出的拍频信号，计算来自第三反射镜10的光束的频率f₂；

根据两次测得的激光频率，按照下式计算试样4的长度。

式中：c为光速，n为空气折射率(真空中n＝1)，f₀为声光调制器的频率。

步骤二：采用波长范围为632.5nm～638nm的可调激光器5、波长为633nm的碘饱和吸收稳频激光器20和200MHz的声光调制器14组成图2所示的干涉测长模块1，对长度为400mm的试样4进行测量。首先，利用温度调节及测量模块2将试样4的温度调节为20℃，待试样4的温度稳定后，测量试样4的温度，同时利用干涉测长模块1按照步骤一测量在此温度下试样4的长度。然后，将试样4的温度调节为30℃，待试样4的温度稳定后。

步骤三：重复上述测量试样温度和长度的过程；最后，利用控制及数据处理模块3计算出试样在20℃～30℃的平均线膨胀系数。

以上所述的具体描述，对发明的目的、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，并不用于限定本发明的保护范围，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 (2)

1.一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置，其特征在于：由干涉测长模块(1)、温度调节及测量模块(2)、控制及数据处理模块(3)组成；干涉测长模块(1)用于测量试样(4)的长度，包括可调激光器(5)、第一分光镜(6)、第一反射镜(7)、第二反射镜(8)、光电接收器(9)、第三反射镜(10)、第一λ/2波片(11)、偏振分光镜(12)、第一透镜(13)、声光调制器(14)、第二透镜(15)、λ/4波片(16)、第四反射镜(17)、第二λ/2波片(18)、挡光板(19)、稳频激光器(20)、第二分光镜(21)、第三分光镜(22)、偏振片(23)、高速光电接收器(24)和频率计数器(25)；温度调节及测量模块(2)用于调节和测量试样(4)的温度；控制及数据处理模块(3)用于协调干涉测长模块(1)和温度调节及测量模块(2)的工作，通过对不同温度下的试样长度数据进行处理得到试样(4)的线膨胀系数；

可调激光器(5)的右侧依次为第一分光镜(6)、第一反射镜(7)、试样(4)、第二反射镜(8)和光电接收器(9)，第一反射镜(7)和第二反射镜(8)分别与试样(4)的两端刚性连接，组成法布里-珀罗腔；第一分光镜(6)的下方依次为偏振分光镜(12)、第二λ/2波片(18)和第三分光镜(22)；偏振分光镜(12)的左侧依次为第一λ/2波片(11)和第三反射镜(10)；偏振分光镜(12)的右侧依次为第一透镜(13)、声光调制器(14)、第二透镜(15)、λ/4波片(16)和第四反射镜(17)；第三分光镜(22)的左侧依次为第二分光镜(21)和稳频激光器(20)，第二分光镜(21)位于第三反射镜(10)的下方；第三分光镜(22)的右侧依次为偏振片(23)和高速光电接收器(24)；挡光板(19)置于第三反射镜(10)和第二分光镜(21)之间或第二λ/2波片(18)和第三分光镜(22)之间。

2.一种低膨胀材料线膨胀系数测量方法，基于如权利要求1所述的一种低膨胀材料线膨胀系数测量装置实现，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：测量试样(4)长度，即干涉测长模块(1)的工作方法为：根据试样(4)长度、可调激光器(5)波长和高速光电接收器(24)工作范围，选择声光调制器(14)的频率，使得高速光电接收器(24)接收的光信号频率始终在其测量范围内；

将圆筒形试样(4)的两端分别与第一反射镜(7)和第二反射镜(8)刚性连接，使反射面与试样(4)端面接触，形成法布里-珀罗腔；

以可调激光器(5)作为法布里-珀罗干涉仪的光源，其发出的光束被第一分光镜(6)分为两部分，大部分光透过第一分光镜(6)，进入由第一反射镜(7)和第二反射镜(8)组成的法布里-珀罗腔，形成多光束干涉，法布里-珀罗干涉仪的输出信号由光电接收器(9)接收；

被第一分光镜(6)反射的光束被偏振分光镜(12)分为两束，透过偏振分光镜(12)的光束经过第二λ/2波片(18)，进入第三分光镜(22)并被反射；被偏振分光镜(12)反射的光束经过第一透镜(13)汇聚于声光调制器(14)，其1级衍射光经过第二透镜(15)变为平行光束，然后通过λ/4波片(16)，被第四反射镜(17)反射后沿原路返回，该光束通过偏振分光镜(12)和第一λ/2波片(11)，被第三反射镜(10)反射，进入第二分光镜(21)并被反射；

以稳频激光器(20)作为频率基准，由稳频激光器(20)发出的光束通过第二分光镜(21)和第三分光镜(22)，在第二分光镜(21)和第三分光镜(22)处分别与来自第三反射镜(10)和第二λ/2波片(18)光束汇合，然后通过偏振片(23)，进入高速光电接收器(24)；

在测量过程中，调节可调激光器(5)的波长，使法布里-珀罗干涉仪的输出信号光强达到极大值，且高速光电接收器(24)能够探测到拍频信号，将可调激光器(5)的频率锁定在该光强极大值处；将挡光板(19)置于第三反射镜(10)和第二分光镜(21)之间；用频率计数器(25)测量高速光电接收器(24)输出的拍频信号，测算来自第二λ/2波片(18)的光束的频率f₁；

调节可调激光器(5)使其波长增大，当法布里-珀罗干涉仪的输出信号达到下一个极大值时，将可调激光器(5)的频率锁定在该光强极大值处；将挡光板置于第二λ/2波片(18)和第三分光镜(22)之间；通过适当选取声光调制器(14)的频率，此时拍频信号仍然在高速光电接收器(24)的工作范围内，用频率计数器(25)测量高速光电接收器(24)输出的拍频信号，计算来自第三反射镜(10)的光束的频率f₂；

根据两次测得的激光频率，按照下式计算试样(4)的长度；

式中：c为光速，n为空气折射率，f₀为声光调制器的频率；

步骤二：用温度调节及测量模块(2)将试样(4)的温度控制在设定温度，并测量试样(4)的温度；用干涉测长模块(1)按照步骤一测量在此温度下试样(4)的长度；将试样(4)的温度调节至下一个设定温度，测量试样(4)的温度和长度；

步骤三：重复步骤二测量过程直到最后一个设定温度；用控制及数据处理模块(3)根据测得的不同温度下的试样(4)长度测算试样的线膨胀系数。

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