CN113390539A - 压力标定系统 - Google Patents

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何英强
齐静波
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Abstract

本申请公开了一种压力标定系统，用于实现压力装置的压力标定，该压力标定系统包括：激光源、分光镜、二向色镜、照明光源、图像传感器以及光谱仪；其中，所述激光源用于提供激光；所述照明光源用于提供照明光；所述二向色镜用于将所述激光反射至金刚石对顶砧样品空间内的待激发物上以激发出荧光；所述分光镜用于将所述激光透射至所述待激发物上，以及将所述激光的反射光反射至所述图像传感器；其中，所述二向色镜还用于将所述荧光透射至所述光谱仪，至少部分光学部件在至少两条光路中进行复用，并采用立体式设计，使得系统整体结构紧凑小巧，使用简单便捷。

Description

压力标定系统
技术领域
本发明涉及高压装置技术领域，更具体地，涉及一种压力标定系统。
背景技术
自然界的大多数物质都处于一个高压环境，如星球的内部就是天然的高压环境，对于高压环境下物质的研究如物质的形态，物理性质，化学过程等，都有助于我们对这个世界的认知。随着技术的发展，人类在实验室条件下可达到的压强越来越高，而压力的标定也越来越重要，正确的压强标定使得在实验条件下能够进行更加精确的操作。
目前，人工实验用于产生高压的压力装置包括金刚石对顶砧(diamond anvilcell，DAC)，金刚石对顶砧通常由两个对顶设置的金刚石及打孔的垫片构成，金刚石和垫片的孔构成一个样品空间，在其内可以放置合适的样品，通过两个金刚石对顶产生高压。利用金刚石的通光性，该装置可以与显微镜、拉曼光谱、显微红外，X衍射等兼容使用。但由于压力装置的长期使用需要，需要定期或时常对其实际压力与显示压力进行校准标定，不然其实际压力值与显示数值之间可能产生较大偏差，严重影响实验目标的实现和对实验结果的干扰。而现有的压力标定系统通常布置复杂，占地较大，布置调试耗时耗力，使用极其不便捷，对压力装置的标定会占用实验人员大量的时间及精力，造成资源浪费。因此亟需一种简单易用的压力标定系统，使得压力装置可便捷的实现标定，使得压力装置在进行压力值调整等操作时更加精确可靠，减少实验误差。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种压力标定系统，其采用了立体式设计，并复用了部分光学透镜，将成像的部分光路设置在其他光路结构的下方，使得系统整体结构更加紧凑小巧，极大的节省了压力标定系统所需的空间，且仅需对系统整体进行位置高度调整，其内部光路等结构无特殊需要可不再进行调整，该压力标定系统使用简单易操作，标定过程方便快捷，耗时短，效率高，具有很强的实用性。
本发明提供一种压力标定系统，其特征在于，包括激光源、分光镜、二向色镜、照明光源、图像传感器以及光谱仪；其中，所述激光源用于提供激光；所述照明光源用于提供照明光；所述二向色镜用于将所述激光反射至金刚石对顶砧样品空间内的待激发物上以激发出荧光；所述分光镜用于将所述激光透射至所述待激发物上，以及将所述激光的反射光反射至所述图像传感器；其中，所述二向色镜还用于将所述荧光透射至所述光谱仪。
优选地，所述激光经由所述二向色镜反射至金刚石对顶砧样品空间内的待激发物上形成激发光路；所述荧光经由所述二向色镜透射至所述光谱仪形成探测光路；所述激光的反射光及所述照明光经由所述二向色镜以及所述分光镜反射至所述图像传感器形成成像光路。
优选地，所述激发光路和所述成像光路至少部分重合。
优选地，所述激光源的发射端至所述二向色镜之间依次设置有第一透镜、第二透镜和第三透镜，用于将所述激光进行扩束。
优选地，所述照明光直接照射金刚石对顶砧的样品空间。
优选地，所述分光镜位于所述第一透镜和第二透镜之间。
优选地，所述分光镜和所述图像传感器之间设置有第四透镜，用于将所述分光镜反射的所述激光的反射光及所述照明光汇聚至所述图像传感器。
优选地，所述二向色镜与所述待激发物之间还设置有物镜，所述物镜用于将扩束后的所述激光汇聚至所述待激发物。
优选地，还包括若干反射镜，使至少部分所述成像光路位于所述激发光路的上方或下方。
优选地，除去所述照明光源外，所述压力标定系统的其他部分均位于封装盒中，通过调整所述封装盒和/或所述金刚石对顶砧的位置，使所述待激发物位于所述物镜的焦点处。
本发明的实施例具有以下优点或有益效果：本发明提供的压力标定系统采用了部分光路重叠的设计，使得系统中部分透镜得以复用，整体结构更加紧凑小巧，极大的节省了压力标定系统所需的空间，使得系统的调试使用更加便捷，进一步地，还将成像的部分光路设置在另一部分光路结构的下方，利用了立体空间。本发明所提供的压力标定系统利用激光的反射光与照明光进行成像，在初始阶段可允许较大的对准误差，且调试使用更加灵活，提高了压力装置的精度，该压力标定系统体积小巧，占用空间少，调试标定耗时短，效率高，可节省实验人员的精力和时间，具有很强的实用性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了本发明实施例的压力标定系统的原理示意图；
图2示出了本发明实施例的压力标定系统的结构示意图；
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1示出了本发明实施例的压力标定系统的原理示意图；如图1所示，该压力标定系统是用来校准与标定压力装置200的，使得压力装置200的设定压力值(显示压力值)与实际压力值相一致。图中的压力标定系统包括：激光源10，第一凹透镜11、分光镜12、第一凸透镜13、第二凹透镜14、二向色镜15、滤光片16、第二凸透镜17，光纤18，物镜19，待激发物20，第三凸透镜21，图像传感器22和照明光源(图中未示出)。其中，照明光源用于提供照明光，照明光源照向待激发物20，照明光源的要求不高，本领域人员可以根据布局另行设置，故不在此赘述；待激发物20例如为红宝石(掺杂Cr+的Al2O3)，该压力标定系统主要利用红宝石在激光的激发下会产生荧光，其荧光图谱中的荧光峰的位置随红宝石受到的压强变化而移动。具体地，在激光的激发下，红宝石会出现两个明显的荧光峰R1和R2，在常压下R1位于694.2nm，R2位于692.7nm，红宝石荧光标压的经验公式：
P＝1904/7.665×((1+(λ-λ0)/λ0)7.665-1)
其中，λ0为参考波长，即常压下红宝石的R1的位置，λ为加压下红宝石的R1的位置。根据该经验公式可获取红宝石实际所受的压力值，从而对压力装置进行校准与标定。
具体地，将待激发物20放置在压力装置200中，压力装置200例如为金刚石对顶砧(diamond anvil cell，DAC)，其主要由两个对顶防止的金刚石和打孔的垫片构成，金刚石和垫片的孔构成一个样品空间，在样品空间内可放置待激发物20或者其他适合的实验样品，再由压力装置200提供数十至数百Gpa的压强。由于金刚石的通光性，使得压力装置200内的压强可以由本申请中的利用红宝石荧光的压力标定系统进行标压，使得压力装置的压力操控更加精确。
该压力标定系统的光路如图1所示，首先由激光源10发出波长适当的激光，由第一凹透镜11与第一凸透镜13构成的透镜组对激光进行扩束，再经由第二凹透镜14扩束至所需的大小，经过二向色镜15(二向色镜15例如二向色滤光片)反射进入物镜19中，物镜19将激光聚焦至待激发物20上，激发待激发物20发出荧光，构成激发光路。
下面描述探测光路，由待激发物20发出的荧光，经过物镜19和二向色镜15，再由滤光片16滤去杂光(非所需荧光)，经过第二凸透镜17将荧光聚焦至光纤18上，由光纤18将光传导至光谱仪中，进一步地，由于压力装置200中的样品空间通常极小，所需的待激发物20的尺寸的通常为几十微米，由物镜聚焦后的光斑也处于微米级别，需要将光斑对准待激发物20，待激发物20反射的激光与背景光(照明光)经过激发光路返回，由设置在第一凹透镜11与第一凸透镜13之间的分光镜12反射，再由第三凸透镜21聚焦至图像传感器22上进行成像；操作人员可通过肉眼从图像传感器22中获取具体的图像，通过调节第二凹透镜14使激光通过物镜19后的焦点落在像平面上，再根据图像中焦点与待激发物20的位置偏差对压力标定系统的位置或压力装置200的位置进行调整，使焦点位于待激发物20上，无需进行复杂计算，调整也更加灵活，进一步地，由于成像采用的为激光的反射光和照明光，在对准的初始阶段可以允许更大的误差，无需在初始阶段就已对准待激发物20，如激光反射光太微弱，可通过调整激光源10的功率，从而增强激光的反射光，再利用较为清晰的图像进行位置调整，使激光对准待激发物20，物镜19的放大倍数及位置，第二凹透镜17的位置也可根据需要进行调整。
当然地，该实施例中所使用的待激发物为红宝石，也可采用具有类似特性的其他待激发物进行替换，并相应地调整激光源、二向色镜、滤光片等部件即可。
图2示出了本发明实施例的压力标定系统的结构示意图，根据图1的原理图进行了部分变动优化，将各部件集中排布在一起形成了图2所示的压力标定系统的结构，该压力标定系统包括激光源101、第一反射镜102、第一凹透镜103、第二反射镜104、分光镜105、第一凸透镜106、第二凹透镜107、第三反射镜108、二向色镜109、第二滤光镜110、第二凸透镜111、光纤112、物镜113、第四反射镜114、第三凸透镜115、图像传感器116。其中，该物镜113对准待激发物(图中未示出)，整个压力标定系统位于封装盒内，通过边缘和/或顶面的侧边进行封装保护。
具体地，该激光源101的功率例如为1-100mw，所发出的激光波长为473nm，激光源101通过支架固定在封装盒中，使得激光源101发出的激光平行于封装盒右侧的侧板。
激发光路：激光从激光源101中发出，经过第一反射镜102后横向转向90度通过第一凹透镜103，再经过第二反射镜104后再次转向90度(与最初光线方向平行)，经过分过境105后穿过第一凸透镜106，图示中各透镜均由二维镜架固定，可通过二维镜架(可横向移动)的调整使激光始终保持准直，激光通过第一凹透镜103发散后再由第一凸透镜106将激光重新变为平行光束，两者配合完成对激光的扩束(激光扩束前后光束直径的倍数为凸透镜焦距与凹透镜焦距倍数的绝对值之比，本实施例中，凸透镜与凹透镜的焦点在空间重合)。扩束后的激光经过第二凹透镜107以一定的发散角打在第三反射镜108上，再由第三反射镜108射向二向色镜109，再通过物镜113射向待激发物。其中，第二凹透镜107同样由二维镜架固定在笼杆上可横向移动，在笼杆上前后移动第二凹透镜107可以改变激光通过物镜后在空间中的聚焦位置，使其最终聚焦在待激发物上。二向色镜109例如通过笼式立方体固定，该二向色镜109需要能够反射473nm的激光，同时可透过波长为670nm至700nm的荧光，物镜113例如为长工作距离物镜，放大倍率为10X。
探测光路：待激发物由激光激发产生荧光，荧光通过物镜113后，透过二向色镜109，再由滤光片110滤去杂光后由第二凸透镜111聚焦至光纤112上。滤光片110例如由压圈式镜架固定，光纤112由光线转接件固定在光线固定架上。滤光片110需要在保证荧光可通过的同时滤光范围尽可能的窄以去除杂光，通过在笼杆上前后移动第二凸透镜111，以保证荧光聚焦在光纤112上，光纤与光谱仪相连，光谱仪可选择光学分辨率为0.2nm，光谱范围为670nm-750nm的设备。
成像光路：为了使整个压力标定系统结构更加紧凑，故未设计照明装置，在使用该系统时，可在压力装置后方设置外置光源辅助照明。该成像光路是激光聚焦后打在待激发物上观察其反射的激光，故该成像平面为反射的激光聚焦的平面，成像光路与部分激发光路相反，为便于观察，在第一凹透镜103和第一凸透镜106之间(具体为第二反射镜104与第一凸透镜106之间),设置分光镜105，将反射光分离出来，分光镜的透反比例如为5:5，位于笼式立方体中，分离的反射光朝向下方，经过第四反光镜114变为水平方向，进一步地，在图像传感器116之前还设置有第三凸透镜115，当然地，也可省去该第三凸透镜115直接在图像传感器116上成像。
该压力标定系统采用了立体式设计，将成像的部分光路设置在另一部分光路结构的下方，使得系统整体结构更加紧凑小巧，极大的节省了压力标定系统所需的空间，并在封装侧板上预留孔位以便系统内部与外界相连，该系统中各部分与封装的壳体相对固定，仅需将该封装壳体固定在移动台上，通过移动台调整位置和高度，即可实现将激光聚焦在待激发物上，系统内部光路等结构无特殊需要可不再进行调整，使用过程方便快捷，简单易操作。
该压力标定系统具体使用过程如下：首先将红宝石放入金刚石对顶砧的样品空间中(样品空间中不与红宝石干涉的区域还可放置其他需要进行压力试验的材料)，将该压力标定系统放置在金刚石对顶砧一侧的移动台上，开启激光源，使压力标定系统发出的激光大致对准样品空间中的红宝石，在金刚石对顶砧的另一侧设置照明光源提供射向样品空间的照明光，由照明光作为背景光，可在图像传感器的成像中找到红宝石，同时，激光的反射光也在成像中呈现肉眼可见的光斑，通过调整第二凹透镜，使光斑缩小至最小(即激光聚焦在含有红宝石的像平面)，然后通过移动台移动压力标定系统或移动金刚石对顶砧，使红宝石与光斑点重合，实现激光与红宝石的对准，使红宝石发出荧光，然后增大激光功率，增强红宝石的荧光，再在光谱仪上寻找荧光峰，从而获得红宝石实际受到的压力值。进一步地，初始阶段激光源功率较低，避免激光过强影响对红宝石的观测，后面调高激光源功率可以增强红宝石所激发出的荧光，更利于光谱仪的数据获取，减小杂光的干扰。
本发明的实施例具有以下优点或有益效果：本发明提供的压力标定系统采用了部分光路重叠的设计，使得系统中部分透镜得以复用，整体结构更加紧凑小巧，极大的节省了压力标定系统所需的空间，使得系统的调试使用更加便捷，进一步地，还将成像的部分光路设置在另一部分光路结构的下方，利用了立体空间。本发明所提供的压力标定系统利用激光的反射光与照明光进行成像，在初始阶段可允许较大的偏差量，且调试使用更加灵活，提高了压力装置的精度，该压力标定系统体积小巧，占用空间少，调试标定耗时短，效率高，可节省实验人员的精力和时间，具有很强的实用性。
依照本发明的实施例如上文所述，图示中为突出本发明技术方案的细节，各部件比例并非按照真实比例绘制，其附图中所示的比例及尺寸并不应限制本发明的实质技术方案，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种压力标定系统，其特征在于，包括激光源、分光镜、二向色镜、照明光源、图像传感器以及光谱仪；
其中，所述激光源用于提供激光；
所述照明光源用于提供照明光；
所述二向色镜用于将所述激光反射至金刚石对顶砧样品空间内的待激发物上以激发出荧光；
所述分光镜用于将所述激光透射至所述待激发物上，以及将所述激光的反射光反射至所述图像传感器；
其中，所述二向色镜还用于将所述荧光透射至所述光谱仪。
2.根据权利要求1所述的压力标定系统，其特征在于，所述激光经由所述二向色镜反射至金刚石对顶砧样品空间内的待激发物上形成激发光路；所述荧光经由所述二向色镜透射至所述光谱仪形成探测光路；所述激光的反射光及所述照明光经由所述二向色镜以及所述分光镜反射至所述图像传感器形成成像光路。
3.根据权利要求2所述的压力标定系统，其特征在于，所述激发光路和所述成像光路至少部分重合。
4.根据权利要求1所述的压力标定系统，其特征在于，所述激光源的发射端至所述二向色镜之间依次设置有第一透镜、第二透镜和第三透镜，用于将所述激光进行扩束。
5.根据权利要求1所述的压力标定系统，其特征在于，所述照明光直接照射金刚石对顶砧的样品空间。
6.根据权利要求4所述的压力标定系统，其特征在于，所述分光镜位于所述第一透镜和第二透镜之间。
7.根据权利要求1所述的压力标定系统，其特征在于，所述分光镜和所述图像传感器之间设置有第四透镜，用于将所述分光镜反射的所述激光的反射光及所述照明光汇聚至所述图像传感器。
8.根据权利要求6所述的压力标定系统，其特征在于，所述二向色镜与所述待激发物之间还设置有物镜，所述物镜用于将扩束后的所述激光汇聚至所述待激发物。
9.根据权利要求8所述的压力标定系统，其特征在于，还包括若干反射镜，使至少部分所述成像光路位于所述激发光路的上方或下方。
10.根据权利要求9所述的压力标定系统，其特征在于，除去所述照明光源外，所述压力标定系统的其他部分均位于封装盒中，通过调整所述封装盒和/或所述金刚石对顶砧的位置，使所述待激发物位于所述物镜的焦点处。
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