CN115825010A - 一种测量光学透明块体材料折射率温度系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量光学透明块体材料折射率温度系数的方法，包括设计测量光路，实验测量过程，样品的温度场仿真以及数据处理共四个步骤，其中测量光路设计简单，由激光器输出的光束经准直垂直入射样品的入射面，然后由出射面出射，出射光垂直进入CCD相机，由CCD相机采集到整个光强分布图像，且样品需置于加热台上；实验测量过程中用计算机保存CCD相机采集的常温下的光强分布图像数据和设置温度下的光强分布图像数据；采用仿真软件进行样品在设置温度下的温度场仿真，使仿真结果与热电偶实际测量的样品各个点的温度相同。最后根据测量的光强分布图像数据和仿真的温度场数据计算出折射率温度系数即可。本发明测试装置简单易行，测出的折射率温度系数精度较高，且可以测量不同温度下的折射率温度系数。

Description

一种测量光学透明块体材料折射率温度系数的方法

技术领域

本发明涉及光学元件折射率测量，尤其是光学透明块体材料的折射率温度系数的测量方法。

背景技术

折射率温度系数是光学玻璃的一个重要参数，其测量在工业生产和试验研究中具有重要的意义。目前测量折射率温度系数的方法都是基于测量折射率的方法来实现的，例如最小偏向角法，垂直入射法，全反射法和干涉法等。这些方法有些对样品的要求较高，例如最小偏向角法需要将样品加工成三棱镜，且顶角的塔差要足够小，全反射法除了对样品形状有要求，且容易产生误差，而干涉法的实验装置较复杂。因此需要发明一种装置简单，对样品形状要求不高且测量精度较高的直接测量折射率温度系数的方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种测量光学透明块体材料折射率温度系数的方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种测量光学透明块体材料折射率温度系数的方法，其特点在于，包括下列步骤：

S1.构建测量光路：

将样品放置在加热台，使入射光束垂直入射至该样品的入射面，并经该样品出射面射出的出射光束由CCD相机接收，该CCD相机与计算机相连；

S2.实验测量过程：

S2-1加热台关闭状态：

CCD相机测量常温T₀下出射光束的光强分布图像，并将图像数据保存在计算机中；

使用标准刻度尺测量：入射光束在样品入射面的相对位置，以及样品出射面到CCD相机接收面的距离L，以及样品的长宽高分别为l、w、h，所述样品的长是光束在样品内传播方向，以及加热台的长宽高分别为l’、w’、h’；

S2-2加热台开启状态：

利用加热台使样品表面升温至稳定状态，加热台的设定温度T_i，T_i>T_i-1>…>T₀,i＝1,2,3,…；

测量样品的入射面中心线从上到下j个平均分布的测温点的温度值，记为T_i入1～T_i入j，j≥3；

测量样品的侧面中心线从上到下j个平均分布的测温点的温度值，记为T_i侧1～T_i侧j，，j≥3；

利用CCD相机测量出射光束的光强分布图像，并将图像数据保存在计算机中；

S3.样品的温度场仿真：

S3-1建立温度场仿真模型，输入参数包括样品和加热台的热参数，对流传热系数，表面接触热阻，样品的长宽高l,w,h以及加热台的长宽高l’,w’,h’，加热台设定温度T_i和样品的初始温度T₀；输出参数包括样品在加热台设定温度为T_i时稳定状态的温度场；

S3-2通过调整对流传热系数以及表面接触热阻，使从仿真温度场中提取的与S2-2中相同位置的各个点的温度值，与S2-2中相同位置的各个点的温度值T_i入1～T_i入j和T_i侧1～T_i侧j相同；

S3-3由S3-2最终的温度场中提取出与S2-1中光斑在入射面的相同位置处光斑上下端的温度值，包括上端温度值T_i,up和下端温度值T_i,down；

S4.数据处理

S4-1计算加热台的设定温度T_i时样品的出射面光斑上下端的折射率差Δn_i，公式如下：

式中，D_i为CCD相机接收到的光斑垂直于加热台表面方向的直径，Δx_i,down为光斑下端相较于常温下移动的距离，Δ+_i,up为光斑上端相较于常温下移动的距离；

S4-2计算出射面光斑上下端温差ΔT_i，公式如下：

ΔT_i＝T_i,-T_i,

S4-3计算折射率温度系数，公式如下：

与现有技术相比，本发明的有益效果是测量精度较高，且可以测量不同温度下的折射率温度系数。

附图说明

图1为本发明一实施例中测量光学透明块体材料折射率温度系数方法的工作流程图。

图2为本发明一实施例中测量光学透明块体材料折射率温度系数的光路示意图。

图3为本发明一实施例中数据处理的几何示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例测量光学透明块体材料折射率温度系数方法的流程图，如图1所示，该实施例提供的测量光学透明块体材料折射率温度系数方法，可以包括如下步骤：

S1.设计测量光路：

所述的激光器1输出光束，该光束经准直后垂直入射样品5入射面，随后由样品5出射面出射，出射光束被CCD相机3接收，使CCD相机3可以测量出射光束的光强分布图像。CCD相机3输出端与计算机4相连接。所述的样品5放置在所述的加热台2上。

S2.实验测量过程：

S2-1在加热台关闭状态下，使用CCD相机测量常温T₀下出射光束的光强分布图像并将图像数据保存在计算机中；使用标准刻度尺测量出光束在样品入射面的相对位置，出射面与CCD相机接收面的距离L，样品的长宽高分别为l,w,h,其中长为光束传播方向的样品长度以及加热台的长宽高l’,w’,h’。

S2-2打开加热台，设置温度为T₁，使用热电偶测量样品表面温度，直到表面温度处于稳定状态时，用热电偶测出样品入射面中心从上到下平均分布5个不同位置的温度值T_1入1～T_1入5及样品一侧面的中心从上到下平均分布5个不同位置的温度值T_1侧1～T_1侧5，然后使用CCD相机测量出射光束的光强分布图像并将图像数据保存在计算机中。

S3.样品的温度场仿真：

S3-1使用仿真软件，结合热传导物理模型，根据实际测试条件建立温度场仿真模型。

S3-2输入参数有：样品和加热台的热参数，对流传热系数，表面接触热阻，样品的长宽高l,w,h以及加热台的长宽高l’,w’,h’，加热台设定温度T_i和样品的初始温度T₀。输出结果为样品在加热台设定温度为T_i时稳定状态的温度场。通过调整对流传热系数以及表面接触热阻使从仿真温度场中提取的与S2-2中相同位置的各个点的温度值，与S2-2中相同位置的各个点的温度值T_1入1～T_i入5和T_1侧1～T_i侧5相同。

S3-3由S3-2最终的温度场中提取出与S2-1中光斑在入射面的相同位置处光斑上下端的温度值，上端温度值T_1,up，下端温度值T_1,down。

S4.数据处理

S4-1设加热台设定为T₁时样品出射面光斑上下端的折射率差为Δn₁,CCD相机接收到的光斑垂直于加热台表面方向的直径为D₁，光斑上端加热后相较于常温下移动的距离为Δx_1,up,光斑下端加热后相较于常温下移动的距离为Δx_1,wn.Δn₁由式(1)和(2)求出：

S4-2由S3-3得到出射面光斑上下端温差ΔT₁＝T_1,-T_1,

S4-3最后求得折射率温度系数

经过实验表明，本发明上述实施例提供的方法测试装置简单易行，测出的折射率温度系数精度较高，且可以测量不同温度下的折射率温度系数。

本发明上述实施例中未尽事宜均为本领域公知技术。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种测量光学透明块体材料折射率温度系数的方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1.构建测量光路：

将样品放置在加热台，使入射光束垂直入射至该样品的入射面，并经该样品出射面射出的出射光束由CCD相机接收，该CCD相机与计算机相连；

S2.实验测量过程：

S2-1加热台关闭状态：

CCD相机测量常温T₀下出射光束的光强分布图像，并将图像数据保存在计算机中；

使用标准刻度尺测量：入射光束在样品入射面的相对位置，以及样品出射面到CCD相机接收面的距离L，以及样品的长宽高分别为l、w、h，所述样品的长是光束在样品内传播方向，以及加热台的长宽高分别为l’、w’、h’；

S2-2加热台开启状态：

利用加热台使样品表面升温至稳定状态，加热台的设定温度T_i，T_i>T_i-1>…>T₀,i＝1,2,3,…；

测量样品的入射面中心线从上到下j个平均分布的测温点的温度值，记为T_i入1～T_i入j，j≥3；

测量样品的侧面中心线从上到下j个平均分布的测温点的温度值，记为T_i侧1～T_i侧j，，j≥3；

利用CCD相机测量出射光束的光强分布图像，并将图像数据保存在计算机中；

S3.样品的温度场仿真：

S3-1建立温度场仿真模型，输入参数包括样品和加热台的热参数，对流传热系数，表面接触热阻，样品的长宽高l,w,h以及加热台的长宽高l’,w’,h’，加热台设定温度T_i和样品的初始温度T₀；输出参数包括样品在加热台设定温度为T_i时稳定状态的温度场；

S3-2通过调整对流传热系数以及表面接触热阻，使从仿真温度场中提取的与S2-2中相同位置的各个点的温度值，与S2-2中相同位置的各个点的温度值T_i入1～T_i入j和T_i侧1～T_i侧j相同；

S3-3由S3-2最终的温度场中提取出与S2-1中光斑在入射面的相同位置处光斑上下端的温度值，包括上端温度值T_i,up和下端温度值T_i,down；

S4.数据处理

S4-1计算加热台的设定温度T_i时样品的出射面光斑上下端的折射率差Δn_i，公式如下：

式中，D_i为CCD相机接收到的光斑垂直于加热台表面方向的直径，Δx_i,down为光斑下端相较于常温下移动的距离，Δx_i,up为光斑上端相较于常温下移动的距离；

S4-2计算出射面光斑上下端温差ΔT_i，公式如下：

ΔT_i＝T_i,down-T_i,up

S4-3计算折射率温度系数，公式如下：

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