CN114112308A - 一种光学件表面污染物的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学件表面污染物的测量装置及方法,属于光学精密工程领域。该装置包括精密电子天平、真空腔体、分子泵/机械泵、蒸发室、温控组件、石英微晶天平、四极杆质谱仪、紫外分光光度仪和化学膜镜片及夹具组成。该装置功能强大,能精密控制有机污染物微量挥发,精密测量真空环境气氛中有机污染物挥发浓度分压值和精密测量光学件表面污染沉积质量。该装置及测量方法将有机物挥发扩散沉积量与化学膜透过率变化相关联,建立光学系统中有机物污染与光学元件性能参数变化的规律研究,为激光装置洁净污染损伤控制提供技术参考。
Description
技术领域
本发明涉及光学精密工程领域,具体的说涉及一种光学件表面污染物的测量装置及方法。
背景技术
光学件损伤阻碍了高功率激光系统实现惯性约束核聚变的发展,激光系统内的污染物是激光诱致光学件损伤的重要原因。当激光系统光学元件表面存在缺陷或污染物时,它会吸收激光能量产生热效应积累,不仅降低了光学件的机械强度和损伤阈值,同时还会产生相位畸变和光强调制,引发下游光学元件损伤,影响整个光学系统,造成激光系统的可靠性下降。因此研究高功率激光系统中有机污染物对光学件光学性能影响极其重要,经调研,大部分相关工作者研究了高功率激光系统中有机污染物的来源以及清除方法,但是没有精确研究激光系统中光学件表面对有机污染物吸附量的定量研究。
发明内容
针对现有技术的种种不足,为了解决上述问题,本发明提供了一种光学件表面污染物的测量装置及方法。该装置功能强大,精密控制有机污染物微量挥发,精密测量真空环境气氛中有机污染挥发浓度分压值,精密测量光学件表面污染沉积质量,将有机物挥发扩散沉积量与化学膜透过率变化相关联,建立光学系统中有机物污染与光学元件性能参数变化的规律研究,为激光装置洁净污染损伤控制提供技术参考
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种光学件表面污染物的测量装置,其特征在于,包括真空腔体,置于该真空腔体内的蒸发室、温控组件、石英微晶天平、化学膜镜片及夹具,以及置于该真空腔体外的精密电子天平、机械泵/分子泵、紫外分光光度仪、质谱仪、石英微晶天平控制器和温度控制器;
所述的机械泵/分子泵通过波纹管与所述的真空腔体连接,所述的温控组件安装在所述的蒸发室上,并与温度控制器相连,所述的质谱仪通过阀门与分子泵/机械泵的波纹管连接,所述的石英微晶天平与石英微晶天平控制器相连;
所述的化学膜镜片夹具放置在蒸发室出气孔垂直下方,且石英微晶天平探头中心到蒸发室出气孔中心距离所述的石英微晶天平放置在化学膜镜片垂直下方,其中为蒸发室(3)出气孔中心沿线与石英微晶天平(5)探头法线的夹角。
进一步,所述的温度控制器控制蒸发室温度在30~200℃。
进一步,所述的质谱仪为四极杆质谱仪。
利用上述光学件表面污染物的测量装置进行光学件表面污染物的测量方法,包括以下步骤:
a采用精密电子天平测量污染源质量m1;
b紫外分光光度仪测量初始化学膜镜片透过率T1;
c将污染样品放置在蒸发室中;
d将化学膜镜片及夹具安装在真空腔内;
e密封真空腔体,打开机械泵/分子泵,直至真空度到10-6Torr以上;
f采用质谱仪对步骤c中的真空腔体进行浓度成分检测;
g通过温控控制器对蒸发室进行加热,使其到目标温度,然后保温一段时间;
h再次采用质谱仪对步骤e中的真空腔体进行浓度成分检测;
i根据石英微晶天平计算原理:σQCM=c·Δf,计算化学膜镜片表面接收的污染物质量m2,m2=σQCM·A1,其中:σQCM为石英微晶天平接收面吸附污染物的面质量密度;Δf为石英微晶天平的频率差;c为石英微晶天平传感系数;m2为夹具上单个镜片接收面吸附污染物的质量;A1为单个镜片接收面的面积;
j关闭机械泵/分子泵,打开真空腔体;
k精密电子天平测量真空实验后污染源质量m3;
l对步骤g中的化学膜镜片进行透过率测量T2。
进一步,根据质量等分原理:m2=σQCM·A2·1000计算出蒸发室挥发到腔体的污染物质量,其中:m2为蒸发室挥发到腔体的污染质量,A2为石英微晶天平接收面积。
进一步,温度控制器能精密控制有机污染物微量挥发,电子天平精密测量污染物挥发前后的质量,质谱仪精密测量真空环境气氛中有机污染物挥发浓度分压值,石英微晶天平精密测量光学件表面污染沉积质量,紫外分光光度仪测量化学膜镜片污染前后的透过率。
进一步,测量方法将有机物挥发扩散沉积量m2与化学膜透过率变化量ΔT(ΔT=T1-T2)相关联,推出化学膜镜片实验前后的透过率变化量ΔT与光学件表面沉积的有机污染物质量m2成正相关,进一步为激光装置洁净污染损伤控制提供技术参考。
本发明的有益效果是:
1.该装置功能强大,不仅能精密控制有机污染物微量挥发,精密测量真空环境气氛中有机污染挥发浓度分压值,精密测量光学件表面污染沉积质量,还能将有机物挥发扩散沉积量与化学膜透过率变化相关联,建立光学系统中有机物污染与光学元件性能参数变化的规律。
2.根据该装置及测量方法获得的光学系统中有机物污染与光学元件性能参数变化的规律,进行光学件激光诱导损伤研究,为高功率激光装置洁净污染损伤控制提供技术参考。
附图说明
图1为本发明装置的示意图;
图2为石英微晶天平角流场示意图;
图3为污染物浓度与化学膜镜片透过率变化曲线图
图中:
1-真空腔体;
2-机械泵/分子泵;
3-蒸发室;
4-温控组件;
5-石英微晶天平;
6-质谱仪;
7-化学膜镜片夹具;
8-温度控制器;
9-石英微晶天平控制器;
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合本发明的附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述,基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例,都应当属于本申请保护的范围。
本实施例一种光学件表面污染物的测量装置,参见图1所示,包括真空腔体1,置于该真空腔体内的蒸发室3、温控组件4、石英微晶天平5、化学膜镜片及夹具7,以及置于该真空腔体外的精密电子天平、机械泵/分子泵2、紫外分光光度仪、质谱仪6、石英微晶天平控制器9和温度控制器8;
所述的机械泵/分子泵2通过波纹管与所述的真空腔体1连接,所述的温控组件4安装在所述的蒸发室3上,并与温度控制器8相连,所述的质谱仪6通过阀门与分子泵/机械泵2的波纹管连接,所述的石英微晶天平5与石英微晶天平控制器相连9;
所述的化学膜镜片夹具7放置在蒸发室3出气孔垂直下方,且石英微晶天平5探头中心到蒸发室3出气孔中心的距离所述的石英微晶天平放置在化学膜镜片垂直下方,其中为蒸发室3出气孔中心沿线与石英微晶天平5探头法线的夹角。
选择高功率激光系统中常见的有机污染物—C30H62角鲨烷和15%C24H38O4邻苯二甲酸二辛酯混合物利用上述光学件表面污染物的测量装置进行光学件表面污染物的测量,包括以下步骤:
a采用精密电子天平测量污染源质量m1;
b紫外分光光度仪测量初始化学膜镜片透过率T1;
c将污染样品放置在蒸发室中;
d将化学膜镜片及夹具安装在真空腔内;
e密封真空腔体,打开机械泵/分子泵,直至真空度到10-6Torr以上;
f采用质谱仪对步骤c中的真空腔体进行浓度成分检测;
g通过温控控制器对蒸发室进行加热,使其到目标温度,然后保温一段时间;
h再次采用质谱仪对步骤e中的真空腔体进行浓度成分检测;
i根据石英微晶天平计算原理:σQCM=c·Δf,计算化学膜镜片表面接收的污染物质量m2,m2=σQCM·A1,其中:σQCM为石英微晶天平接收面吸附污染物的面质量密度;Δf为石英微晶天平的频率差;c为石英微晶天平传感系数;m2为夹具上单个镜片接收面吸附污染物的质量;A1为单个镜片接收面的面积;
j关闭机械泵/分子泵,打开真空腔体;
k精密电子天平测量真空实验后污染源质量m3;
l对步骤g中的化学膜镜片进行透过率测量T2。
根据质量等分原理:m2=σQCM·A2·1000计算出蒸发室挥发到腔体的污染物质量,其中:m2为蒸发室挥发到腔体的污染质量,A2为石英微晶天平接收面积。
污染源更换为不同质量的C30H62角鲨烷和15%C24H38O4邻苯二甲酸二辛酯混合物依次进行光学件表面污染物的测量;将有机物挥发扩散沉积量m2与化学膜透过率变化量ΔT(ΔT=T1-T2)相关联,推出化学膜镜片实验前后的透过率变化量ΔT与光学件表面沉积的有机污染物质量m2成正相关,进一步为激光装置洁净污染损伤控制提供技术参考。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种光学件表面污染物的测量装置,其特征在于,包括真空腔体(1),置于该真空腔体内的蒸发室(3)、温控组件(4)、石英微晶天平(5)、化学膜镜片及夹具(7),以及置于该真空腔体外的精密电子天平、机械泵/分子泵(2)、紫外分光光度仪、质谱仪(6)、石英微晶天平控制器(9)和温度控制器(8);
所述的机械泵/分子泵(2)通过波纹管与所述的真空腔体(1)连接,所述的温控组件(4)安装在所述的蒸发室(3)上,并与温度控制器(8)相连,所述的质谱仪(6)通过阀门与分子泵/机械泵(2)的波纹管连接,所述的石英微晶天平(5)与石英微晶天平控制器相连(9);
2.根据权利要求1所述的一种光学件表面污染物的测量装置,其特征在于,所述的温度控制器控制蒸发室温度在30~200℃。
3.根据权利要求1所述的一种光学件表面污染物的测量装置,其特征在于,所述的质谱仪为四极杆质谱仪。
4.利用权利要求1-3任一所述的光学件表面污染物的测量装置,进行光学件表面污染物的测量方法,其特征在于,该测量方法包括以下步骤:
a采用精密电子天平测量污染源质量m1;
b紫外分光光度仪测量初始化学膜镜片透过率T1;
c将污染样品放置在蒸发室中;
d将化学膜镜片及夹具安装在真空腔内;
e密封真空腔体,打开机械泵/分子泵,直至真空度到10-6Torr以上;
f采用质谱仪对步骤c中的真空腔体进行浓度成分检测;
g通过温控控制器对蒸发室进行加热,达到目标温度后,进行保温;
h再次采用质谱仪对步骤e中的真空腔体进行浓度成分检测;
i根据石英微晶天平计算原理:σQCM=c·Δf,计算化学膜镜片表面接收的污染物质量m2,m2=σQCM·A1,其中:σQCM为石英微晶天平接收面吸附污染物的面质量密度;Δf为石英微晶天平的频率差;c为石英微晶天平传感系数;m2为夹具上单个镜片接收面吸附污染物的质量;A1为单个镜片接收面的面积;
j关闭机械泵/分子泵,打开真空腔体;
k精密电子天平测量真空实验后污染源质量m3;
l对步骤g中的化学膜镜片进行透过率测量T2。
5.根据权利要求4所述的光学件表面污染物的测量方法,其特征在于,温度控制器能精密控制有机污染物微量挥发,电子天平精密测量污染物挥发前后的质量,质谱仪精密测量真空环境气氛中有机污染物挥发浓度分压值,石英微晶天平精密测量光学件表面污染沉积质量,紫外分光光度仪测量化学膜镜片污染前后的透过率。
6.根据权利要求5所述的光学件表面污染物的测量方法,其特征在于,将有机物挥发扩散沉积量m2与化学膜透过率变化量ΔT(ΔT=T1-T2)相关联,推出化学膜镜片实验前后的透过率变化量ΔT与光学件表面沉积的有机污染物质量m2成正相关。
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