CN201314897Y - 一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置，包括底座、光源组件和条纹观测组件，底座上设置有支架、由金属材料制成的中空样品台、加热装置和温度测量装置，光源组件和条纹观测组件活动连接在支架上，样品台上置放有试样，加热装置包括电源、恒温调节控制器和电热器件，电热器件置放在样品台内，温度测量装置分别与样品台和恒温调节控制器连接，通过旋转第一、第二螺旋设定所需的角度，移动光源组件可使光源发射的光照射到介质膜上，移动条纹观测组件可观测到整个干涉条纹，利用加热器件对试样加热，观测不同温度下固定位置上移过的干涉条纹数目，由此测得介质的热光系数和热膨胀系数；此外，装置结构简单、测量精度高。

Description

一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种光学测量技术，尤其是涉及一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置。

背景技术

随着材料科学技术的发展，人们对材料的要求也越来越高。在光电子功能材料和器件制备、机械加工和建筑等领域，特别是涉及薄膜材料精密加工的工程应用，材料的热光效应和热膨胀效应均有广泛的应用，热光系数和热膨胀系数成为衡量材料性能的重要指标。因此，研究介质的热光系数和热膨胀系数的测量装置或测量方法具有重要意义。目前，测量介质热光系数的装置有Abbe折射仪、椭偏仪、棱镜耦合仪等。然而，这些测量装置均存在一些缺陷，如使用Abbe折射仪进行测量，必须把待测介质置于某种液体材料中，且该液体材料的折射率大小必须保持在待测介质的折射率和棱镜的折射率之间，这一条件限制了Abbe折射仪的测量范围；椭偏仪是基于椭偏原理的测量，计算复杂，很难从测量值直接求得结果；在棱镜耦合仪的测量过程中，需要非常精确的角度测量，角度误差直接影响到测量精度，所以棱镜耦合仪的机械精密度要求很高，比较昂贵。对于材料热膨胀系数的测量，目前多数采用电阻线圈加热的接触式测量，如把材料制成约0.5-1.0m长的棒，置于恒温电炉加热然后测量棒的微小伸长量，从而求得材料的热膨胀系数，存在很大的局限性。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、操作简单、测量精度高的介质热光系数和热膨胀系数的测量装置。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置，包括底座、光源组件和条纹观测组件，所述的底座上设置有支架、由金属材料制成的中空样品台、加热装置和温度测量装置，所述的光源组件和所述的条纹观测组件活动连接在所述的支架上，所述的样品台上置放有试样，所述的加热装置包括电源、恒温调节控制器和电热器件，所述的恒温调节控制器与所述的电热器件连接，所述的电热器件置放在所述的样品台内，所述的温度测量装置分别与所述的样品台和所述的恒温调节控制器连接。

所述的金属材料为导热性能良好的金属材料。

所述的试样包括衬底薄片和沉积在所述的衬底薄片上的待测介质膜，所述的衬底薄片与所述的样品台的正表面平整接触。

所述的衬底薄片为一面为毛面且另一面为抛光面的毛玻璃片，所述的待测介质膜沉积在所述的抛光面上，所述的毛面与所述的样品台的正表面紧密平整接触。

所述的光源组件包括第一底盘，所述的第一底盘周边设置有角度标度值，所述的第一底盘上设置有第一可旋转动片，所述的第一可旋转动片上设置有光源、光扩束器、第一凸透镜、第一螺旋及第一校准线，所述的第一校准线位于所述的光源、所述的光扩束器及所述的第一凸透镜的光轴上。

所述的条纹观测组件包括第二底盘，所述的第二底盘周边设置有角度标度值，所述的第二底盘上设置有第二可旋转动片，所述的第二可旋转动片上设置有螺旋测微目镜、第二凸透镜、第二螺旋及第二校准线，所述的第二校准线位于所述的螺旋测微目镜及所述的第二凸透镜的光轴上，所述的螺旋测微目镜位于所述的第二凸透镜的焦平面上。

所述的温度测量装置包括热敏探头和与所述的热敏探头连接的温度探测器，所述的热敏探头连接在所述的样品台的正表面上并靠近所述的试样，所述的温度探测器与所述的恒温调节控制器连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：①测量装置由简单的机械部件和电路构成，容易实现；②测量过程中，通过旋转第一螺旋和第二螺旋精确设定测量时所需的角度，通过移动光源组件可使光源发射的光直接照射到待测介质膜上，通过移动条纹观测组件可以观测到整个干涉条纹场，利用加热器件对试样进行加热，观测不同温度下某个固定位置上移过的干涉条纹的数目，由此测量介质的热光系数和热膨胀系数，操作方便，可调性好；③测量过程中，只通过改变角度和温度，进行两次测量，就能同时测量出待测介质的热光系数和热膨胀系数，限制因素少；④采用薄膜等倾干涉法测量条纹的变化，测量精度高，计算过程简单。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意图；

图2为光源组件的结构示意图；

图3为条纹观测组件的结构示意图；

图4a为试样的结构示意图；

图4b为样品台与置放在样品台内的加热器件的结构示意图；

图5a为加热装置的结构示意图；

图5b为温度测量装置的结构示意图；

图6a为光程差分析光路图；

图6b为螺旋测微目镜观察到的干涉条纹场的示意图，图中11’与22’是固定十字线，3和3’是两条相邻的干涉条纹，a为表观间距，44’是螺旋测微目镜的动丝。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置，该装置包括底座1、光源组件2和条纹观测组件3，底座1上设置有支架4、由金属材料制成的中空样品台5、加热装置7(如图5a所示)和温度测量装置6。

支架4与底座1固定连接，支架4包括横支架41和两个竖支架42，横支架41的一端与其中一个竖支架42连接，横支架41的另一端与另一个竖支架42连接。光源组件2和条纹观测组件3活动连接在横支架41上，光源组件2和条纹观测组件3可在横支架41上左右移动。

光源组件2如图2所示，包括第一底盘16，第一底盘16周边设置有角度角度值(图中未示出)，第一底盘16上设置有第一可旋转动片10，第一可旋转动片10上设置有单色或准单色光源11、光扩束器12、第一凸透镜14、第一螺旋13及第一校准线15，第一凸透镜14的作用是产生平行光。第一校准线15位于光源11、光扩束器12及第一凸透镜14的光轴上。旋转第一螺旋13，通过第一校准线15可以方便的控制第一可旋转动片10旋转的角度。在此实施例中，要求光源11的光束对于待测介质是透明的。

条纹观测组件3如图3所示，包括第二底盘22，第二底盘22周边设置有角度角度值(图中未示出)，第二底盘22上设置有第二可旋转动片17，第二可旋转动片17上设置有螺旋测微目镜18、第二凸透镜19、第二螺旋20及第二校准线21，第二凸透镜19的作用是：由于平行光干涉条纹发生在无穷远处，所以可通过第二凸透镜19把干涉条纹移到螺旋测微目镜18处。第二校准线21位于螺旋测微目镜18及第二凸透镜19的光轴上。螺旋测微目镜18位于第二凸透镜19的焦平面上，这样，便于观测干涉条纹的移动。旋转第二螺旋20，通过第二校准线21可以方便的控制第二可旋转动片17旋转的角度。在本实施例中螺旋测微目镜18采用现有的技术，本发明采用螺旋测微目镜18的目的是为了测量待测介质膜在初始温度下的折射率和物理厚度。如果待测介质膜在初始温度下的折射率和物理厚度已知，这种情况下，本发明可以采用任意现有的显微目镜替代本实施例中的螺旋测微目镜18，只需观测待测介质膜的任意固定位置上干涉条纹的移动，计算得到待测介质膜的热光系数和热膨胀系数。

样品台5上置放有试样8，试样8如图4a所示，包括衬底薄片81和沉积在衬底薄片81上的待测介质膜82，衬底薄片81为一单面抛光的毛玻璃片即一面为毛面且另一面为抛光面的毛玻璃片，采用常规制膜工艺将待测介质膜82沉积在抛光面上，毛面与样品台5的正表面紧密平整接触。

本实施例的待测介质膜82直接沉积在单面抛光的毛玻璃片上形成试样8，然后将毛玻璃片的毛面与样品台5的正表面紧密平整地接触和固定。这里，待测介质膜82的制备方式可采用真空蒸镀和涂覆成膜等常规制膜工艺，在制膜过程中，要求待测介质膜82平整，并准确控制待测介质膜82的厚度。此外，基于薄膜等倾干涉理论，选择单面抛光的毛玻璃片可以避免衬底薄片81产生干涉条纹，提高待测介质膜82产生的干涉条纹对比度。

样品台5如图4b所示，其由导热性能良好的金属材料制成，样品台5与底座1固定连接。本实施例中的样品台5也可以设计成只有一面即正面由导热性能良好的金属材料制成，此时，试样8就放置在正面上。

加热装置7如图5a所示，包括电源71、恒温调节控制器72和电热器件73，恒温调节控制器72与电热器件73连接，电热器件73置放在样品台5内，可通过支柱74将电热器件73固定在底座1上(如图4b所示)。在本实施例中，恒温调节控制器72采用现有技术，电热器件73可以是现有的电阻丝、电热片或电热板等。

温度测量装置6如图5b所示，包括热敏探头61和温度探测器62。在本实施例中，热敏探头61可以采用BaTiO₃陶瓷PTC热敏电阻器，热敏探头61紧贴连接在样品台5的正表面上，并靠近试样8放置，这样通过热敏探头61获取的温度更接近试样8的温度，因此，在本实施例中，将热敏探头61获取的温度作为试样8的温度。温度探测器62与恒温调节控制器72连接，温度探测器62可采用现有技术。

本实用新型的工作原理为：

根据薄膜等倾干涉理论，光以θ角从折射率为n_a的介质入射至折射率为n_b的介质薄膜时，如图6a所示，介质薄膜上下表面的反射光f和g之间的光程差为： $\mathrm{\Δ}=2h\sqrt{n_b^2-n_a^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}+(\frac{\mathrm{\λ}}{2},0),$ 式中，h为介质薄膜的物理厚度，

的取值有两种情况：第一情况，当介质薄膜上下表面反射光之一有半波损失时，取

第二情况，当介质薄膜上下表面反射光都有半波损失或都没有半波损失时，取0。半波损失是指当反射光从折射率小的介质(即光疏介质)入射到折射率大的介质(即光密介质)界面上，反射时有

的附加光程。

由光源11发出的光经光扩束器12扩束后照射到第一凸透镜14上，经第一凸透镜14出射的平行光再入射到待测介质膜82上，经待测介质膜82上下表面的反射，反射光由于满足干涉条件而发生干涉。由于待测介质膜82上下表面的反射光相互平行，所以待测介质膜82上下表面的反射光应该在无穷远处发生干涉，为此，条纹观测组件3通过第二凸透镜19把干涉条纹移到螺旋测微目镜18处，螺旋测微目镜18处于第二凸透镜19的焦平面上，这样便于观测条纹的移动。测量过程中，通过加热器件73改变样品台5的正表面的温度，从而改变试样8的温度，使得待测介质膜82的温度由从室温变化到另一温度，在这个过程中，有两个因素会导致待测介质膜82上下表面的反射光之间的光程差发生改变：一是由于热光效应，待测介质膜82的折射率发生改变，从而改变光程差；二是由于热膨胀效应，待测介质膜82的物理厚度发生改变，从而改变光程差。光程差的变化会直接引起干涉条纹的移动，在固定位置上移动过一个干涉条纹意味着光程差相应改变一个波长。因此，可以通过螺旋测微目镜18观测在固定位置上移动过的干涉条纹的数目来求得光程差的改变量，得到待测介质膜82的折射率改变量和厚度改变量。基于薄膜等倾干涉理论，通过改变光的入射角度和试样的温度，进行两次测量，就能同时测量得到待测介质的热光系数和热膨胀系数。

在此具体实施例中，以两个特殊入射角的情形，测量和计算待测介质膜在温度T₁时的折射率n₁和物理厚度h₁以及待测介质膜在温度T₂时的折射率n₂和物理厚度h₂。具体过程为：

取第一设定角度值θ₁＝30°，在温度T₁下，光源发出的光以30°角从折射率为n₀的介质入射至折射率为n₁的待测介质膜，由螺旋测微目镜18观测待测介质膜上任意两条相邻干涉明条纹或者干涉暗条纹的表观间距a₁(如图6b所示的a)，再观察试样的温度从T₁变化到T₂时，在待测介质膜上的固定位置移动过的干涉条纹的数目k₁。

同理，取第二设定角度值θ₂＝45°时，在温度T₁下，光源发出的光以45°角从折射率为n₀的介质入射至折射率为n₁的待测介质膜，由螺旋测微目镜18观测待测介质膜上任意两条相邻干涉明条纹或者干涉暗条纹的表观间距a₂(如图6b所示的a)，再观察试样的温度从T₁变化到T₂时，在待测介质膜上的固定位置移动过的干涉条纹的数目k₂。

此处固定位置是指当观察者通过螺旋测微目镜能够观察到干涉条纹时，由观察者主观确定的某个位置，在观察过程中均以这个位置为参照。

综合上述，可得到 $n_1=\sqrt{\frac{1}{2}+\frac{a_1^2}{3a_2^2-4a_1^2}},$ $h_1=\frac{a_1}{M}\sqrt{\frac{4n_1^2-1}{3}},$ $n_2=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{(k_2^2-2k_1^2){\mathrm{\λ}}^2-4n_1^2{h}_1^2+2h_1\mathrm{\λ}(k_2\sqrt{{4n}_1^2-2}-2k_1\sqrt{{4n}_1^2-1})}{(k_2^2-k_1^2){\mathrm{\λ}}^2-h_1^2+2h_1\mathrm{\λ}(k_2\sqrt{{4n}_1^2-2}-k_1\sqrt{{4n}_1^2-1})}},$ $h_2=\sqrt{h_1^2-2h_1\mathrm{\λ}(k_2\sqrt{{4n}_1^2-2}-k_1\sqrt{{4n}_1^2-1})-(k_2^2-k_1^2){\mathrm{\λ}}^2},$ 其中，M为螺旋测微目镜的放大倍数，λ为光源波长；

最后由热光系数和热膨胀系数的定义计算待测介质膜的热光系数α和热膨胀系数β， $\mathrm{\α}=\frac{n_2-n_1}{T_2-T_1},$ $\mathrm{\β}=\frac{h_2-h_1}{T_2-T_1},$ 式中，n₁为待测介质膜在温度T₁时的折射率，n₂为待测介质膜在温度T₂时的折射率，h₁为待测介质膜在温度T₁时的物理厚度，h₂为待测介质膜在温度T₂时的物理厚度，T₁为试样的初始温度，T₂为试样的最后温度。

Claims (7)

1、一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置，其特征在于包括底座、光源组件和条纹观测组件，所述的底座上设置有支架、由金属材料制成的中空样品台、加热装置和温度测量装置，所述的光源组件和所述的条纹观测组件活动连接在所述的支架上，所述的样品台上置放有试样，所述的加热装置包括电源、恒温调节控制器和电热器件，所述的恒温调节控制器与所述的电热器件连接，所述的电热器件置放在所述的样品台内，所述的温度测量装置分别与所述的样品台和所述的恒温调节控制器连接。

2、根据权利要求1所述的一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置，其特征在于所述的金属材料为导热性能良好的金属材料。

3、根据权利要求1所述的一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置，其特征在于所述的试样包括衬底薄片和沉积在所述的衬底薄片上的待测介质膜，所述的衬底薄片与所述的样品台的正表面平整接触。

4、根据权利要求3所述的一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置，其特征在于所述的衬底薄片为一面为毛面且另一面为抛光面的毛玻璃片，所述的待测介质膜沉积在所述的抛光面上，所述的毛面与所述的样品台的正表面紧密平整接触。

5、根据权利要求1所述的一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置，其特征在于所述的光源组件包括第一底盘，所述的第一底盘周边设置有角度标度值，所述的第一底盘上设置有第一可旋转动片，所述的第一可旋转动片上设置有光源、光扩束器、第一凸透镜、第一螺旋及第一校准线，所述的第一校准线位于所述的光源、所述的光扩束器及所述的第一凸透镜的光轴上。

6、根据权利要求1所述的一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置，其特征在于所述的条纹观测组件包括第二底盘，所述的第二底盘周边设置有角度标度值，所述的第二底盘上设置有第二可旋转动片，所述的第二可旋转动片上设置有螺旋测微目镜、第二凸透镜、第二螺旋及第二校准线，所述的第二校准线位于所述的螺旋测微目镜及所述的第二凸透镜的光轴上，所述的螺旋测微目镜位于所述的第二凸透镜的焦平面上。

7、根据权利要求1所述的一种介质热光系数和热膨胀系数的测量装置，其特征在于所述的温度测量装置包括热敏探头和与所述的热敏探头连接的温度探测器，所述的热敏探头连接在所述的样品台的正表面上并靠近所述的试样，所述的温度探测器与所述的恒温调节控制器连接。

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