CN201429409Y - 光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置。现有技术测量精度低，对测量环境要求高。本实用新型包括激光光源、扩束准直器、等腰三棱镜、第一、二反射镜、第一、二聚焦透镜、相位调节器、平凸透镜、汇聚物镜、光电传感器。激光束被等腰三棱镜两个等腰面反射的两个光束分别经过反射镜和聚焦透镜后光束相交，形成干涉区域；设置在光束相交处的平凸透镜的平面位于干涉区域，纳米颗粒设置在平面上；通过相位调节器改变一个光束的相位，导致干涉条纹移动，纳米颗粒散射光强同步发生强弱变化；光电传感器探测到纳米颗粒散射光强，通过计算光强对比度测量纳米颗粒尺寸。本实用新型具有无颗粒材料干扰、测量精度高、对测量环境要求低、应用广泛等特点。

Description

光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，涉及一种测量装置，特别是一种光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置，主要用于纳米微小颗粒尺寸的测量。

技术背景

纳米科学技术引起了人们的广泛关注，纳米技术极大地推动了工农业、医疗卫生、生命科学、环境安全等多领域的发展，成为社会发展的主要推动力之一。目前，纳米材料产业蓬勃发展，已经初步形成了规模化的产业。纳米材料的颗粒尺寸对纳米材料有着重要的影响，如何快速准确地测量纳米材料的颗粒尺寸一直是纳米材料研究中最为关心的问题，受到人们的普遍重视，已经逐渐发展成为现代测量学和纳米技术中的一个十分重要分支。在先技术中，存在几种纳米颗粒尺寸测量技术。筛分法：将颗粒样品通过一系列具有不同筛孔直径的标准筛，分离成若干个粒级，再分别称重，然后求得以质量分数表示的颗粒粒度分布。此方法严重不足是此测量原理决定了纳米颗粒尺寸精度低，无法实现高精度测量。显微镜法：利用电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜、扫描离子电导显微镜、扫描热显微镜等对纳米颗粒进行形貌扫描显微成像，从而得到纳米颗粒尺寸。此方法严重不足是容易对被测纳米颗粒造成损伤，并且对测量环境要求苛刻。光散射法：光散射法是近年来发展最快，应用最广泛的一种颗粒测量方法，光束通过存在颗粒的纯净介质时，光束将向周围空间散射，散射光强度和光强度波动与颗粒尺寸密切相关，通过检测散射光强度或光强度波动得到颗粒尺寸信息。此方法虽然具有一定优点，但仍然存在原理性不足，采用光束为远场光行波光束，检测精度受光束特性参数影响大，影响测量精度；散射光强度和光强度波动均与颗粒材料特性直接关联，根本无法消除颗粒材料特性对在先技术中的光散射法测量精度的影响，并且测量方法和系统构成复杂。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置，该装置操作简单、实现方便、无颗粒材料和光束参数干扰、测量精度高、对测量环境要求低。

本实用新型包括激光光源、扩束准直器、等腰三棱镜、第一反射镜、第一聚焦透镜、相位调节器、第二反射镜、第二聚焦透镜、平凸透镜、汇聚物镜、光电传感器。

扩束准直器和等腰三棱镜依次设置在激光光源的出射光束光路上，扩束准直器的入瞳对应激光光源设置，扩束准直器的出瞳对应等腰三棱镜的顶棱设置，激光光源出射光束经过扩束准直器后形成扩束准直激光光束。等腰三棱镜的底面背向扩束准直器设置，两个腰平面即第一腰平面和第二腰平面均镀有反射膜形成光束反射面，等腰三棱镜底角为20°～80°。扩束准直激光光束传播方向与等腰三棱镜的底面垂直，扩束准直激光光束射向等腰三棱镜后，被第一腰平面和第二腰平面反射形成两束准直激光光束。

被第一腰平面反射后的准直激光光束的光路上设置有第一反射镜，第一聚焦透镜设置在第一反射镜的反射光路上，准直激光光束经过第一反射镜反射后被第一聚焦透镜聚焦。

被第二腰平面反射后的准直激光光束的光路依次设置有相位调节器和第二反射镜，第二聚焦透镜设置在第二反射镜的反射光路上，准直激光光束经过第二反射镜反射后被第二聚焦透镜聚焦。

第一反射镜和第二反射镜的反射面与等腰三棱镜的底面的夹角均大于等腰三棱镜的底角，第一聚焦透镜的出射聚焦光束和第二聚焦透镜的出射聚焦光束相交，形成光束干涉区域；平凸透镜设置在第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的上方，所述的平凸透镜的一面为平面，另一面为球面，其中球面朝向第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，平面设置在第一聚焦透镜的出射聚焦光束和第二聚焦透镜的聚焦光束相交区域；被测量纳米金属颗粒设置在平凸透镜的平面上，位于光束干涉区域。平凸透镜的平面上方依次设置有汇聚物镜和光电传感器，光电传感器的光电传感面位于被测量纳米金属颗粒散光经过汇聚物镜后的焦点区域。

所述的激光光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器中的一种。

所述的扩束准直器为开普勒型扩束准直器、伽利略型扩束准直器中的一种。

所述的相位调节器为液晶型相位调节器、反射式相位调节器、微光栅相位调节器、波片式相位调节器中的一种。

所述的光电传感器为光电二极管、雪崩管、光电倍增管、光子计数器中的一种。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和效果：

1)提供一种光学驻波纳米颗粒尺寸测量方法，具有实现步骤简单、实现和调节方便、纳米尺寸测量精度高、对测量环境要求低、应用广泛等特点；

2)本实用新型是基于光束干涉形成光学驻波构成测量区域，消除了在先测量技术中使用行波光束时光束参数测量影响；

3)通过光路相位改变实现调节光学驻波位置，光学驻波移动过程中，检测纳米颗粒散光强度变化的光强对比度，实现纳米颗粒尺寸测试，由于计算光强对比度时纳米颗粒材料特性参数相除已经消掉，所以本实用新型消除了纳米颗粒材料特性对测量的干扰；

4)本实用新型结构设计合理、实现费用低、操作便利、对测量环境要求低、测量精度高、并且消除了光束参数和纳米颗粒材料特性对测量的影响。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示，一种光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置包括激光光源1、扩束准直器2、等腰三棱镜3、第一反射镜4、第一聚焦透镜5、相位调节器9、第二反射镜10、第二聚焦透镜11、平凸透镜6、汇聚物镜7、光电传感器8。

扩束准直器2和等腰三棱镜3依次设置在激光光源1的出射光束光路上，扩束准直器2的入瞳对应激光光源1设置，扩束准直器2的出瞳对应等腰三棱镜3的顶棱设置，激光光源1出射光束经过扩束准直器2后形成扩束准直激光光束。等腰三棱镜3的底面303背向扩束准直器2设置，两个腰平面即第一腰平面301和第二腰平面302均镀有反射膜形成光束反射面，等腰三棱镜3底角为20°～80°。扩束准直激光光束传播方向与等腰三棱镜3的底面303垂直，扩束准直激光光束射向等腰三棱镜3后，被第一腰平面和第二腰平面反射形成两束准直激光光束。

被第一腰平面301反射后的准直激光光束的光路上设置有第一反射镜4，第一聚焦透镜5设置在第一反射镜4的反射光路上，准直激光光束经过第一反射镜4反射后被第一聚焦透镜5聚焦。

被第二腰平面302反射后的准直激光光束的光路依次设置有相位调节器9和第二反射镜10，第二聚焦透镜11设置在第二反射镜10的反射光路上，准直激光光束经过第二反射镜10反射后被第二聚焦透镜11聚焦。

第一反射镜4和第二反射镜10的反射面与等腰三棱镜3的底面303的夹角均大于等腰三棱镜3的底角，第一聚焦透镜5的出射聚焦光束和第二聚焦透镜11的出射聚焦光束相交，形成光束干涉区域；平凸透镜6设置在第一聚焦透镜5和第二聚焦透镜11的上方，所述的平凸透镜6的一面为平面602，另一面为球面601，其中球面601朝向第一聚焦透镜5和第二聚焦透镜11，平面602设置在第一聚焦透镜5的出射聚焦光束和第二聚焦透镜11的聚焦光束相交区域；被测量纳米金属颗粒设置在平凸透镜6的平面602上，位于光束干涉区域；平凸透镜6的平面602上方依次设置有汇聚物镜7和光电传感器8，光电传感器8的光电传感面位于被测量纳米金属颗粒散光经过汇聚物镜7后的焦点区域。

激光光源1为氦氖气体激光器，波长为632.8nm；扩束准直器2为开普勒型扩束准直器；相位调节器为液晶型相位调节器；光电传感器8为光电倍增管。

本实用新型的工作过程为：激光光源1出射光束经过扩束准直器2的扩束准直后射向等腰三棱镜3，被第一腰平面301和第二要平面302反射；被等腰三棱镜3的第一腰平面301反射后形成的光束依次经过第一反射镜4和第一聚焦透镜5，被第一聚焦透镜5汇聚，由于第一反射镜4的反射面与等腰三棱镜3底面303所在平面的夹角大于等腰三棱镜3的底角，光束被第一反射镜4反射后偏折向激光光源1出射光束光路方向；被等腰三棱镜3的第二腰平面303反射后形成的光束依次经过相位调节器9、第二反射镜10、第二聚焦透镜11，被第二聚焦透镜11汇聚，第二反射镜10的反射面与等腰三棱镜3底面303所在平面的夹角大于等腰三棱镜3的底角，光束被第二反射镜10反射后偏折向激光光源1出射光束光路方向。

第一聚焦透镜5的出射聚焦光束和第二聚焦透镜11的出射聚焦光束相交，形成光束干涉区域；平凸透镜6设置在光束相交处，平凸透镜6的球面601朝向第一聚焦透镜5和第二聚焦透镜11，平凸透镜6的平面602设置在第一聚焦透镜5的出射聚焦光束和第二聚焦透镜11的聚焦光束相交区域；被测量纳米颗粒设置在平凸透镜6的平面602上，位于光束干涉区域；通过相位调节器9连续改变第二腰平面302反射后形成的准直激光光束的相位，相位调节范围大于2π，相位变化导致平凸透镜6的平面602上光束干涉条纹移动，纳米颗粒散射光强同步发生强弱变化；设置在平凸透镜6平面602上方的汇聚物镜7将纳米颗粒散射光汇聚到光电传感器8，光电传感器8探测到纳米颗粒散射光强，计算纳米颗粒散光强度变化的光强对比度，实现纳米颗粒尺寸测试。

本实用新型提供了一种光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置，实现了步骤简单、实现方便、无颗粒材料和光束参数干扰、测量精度高、对测量环境要求低、应用广泛的纳米颗粒尺寸测量。

Claims (5)

1、光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置，包括激光光源、扩束准直器、等腰三棱镜、第一反射镜、第一聚焦透镜、相位调节器、第二反射镜、第二聚焦透镜、平凸透镜、汇聚物镜、光电传感器，其特征在于：

扩束准直器和等腰三棱镜依次设置在激光光源的出射光束光路上，扩束准直器的入瞳对应激光光源设置，扩束准直器的出瞳对应等腰三棱镜的顶棱设置，激光光源出射光束经过扩束准直器后形成扩束准直激光光束；等腰三棱镜的底面背向扩束准直器设置，两个腰平面即第一腰平面和第二腰平面均镀有反射膜形成光束反射面，等腰三棱镜底角为20°～80°；扩束准直激光光束传播方向与等腰三棱镜的底面垂直，扩束准直激光光束射向等腰三棱镜后，被第一腰平面和第二腰平面反射形成两束准直激光光束；

被第一腰平面反射后的准直激光光束的光路上设置有第一反射镜，第一聚焦透镜设置在第一反射镜的反射光路上，准直激光光束经过第一反射镜反射后被第一聚焦透镜聚焦；

被第二腰平面反射后的准直激光光束的光路依次设置有相位调节器和第二反射镜，第二聚焦透镜设置在第二反射镜的反射光路上，准直激光光束经过第二反射镜反射后被第二聚焦透镜聚焦；

第一反射镜和第二反射镜的反射面与等腰三棱镜的底面的夹角均大于等腰三棱镜的底角，第一聚焦透镜的出射聚焦光束和第二聚焦透镜的出射聚焦光束相交，形成光束干涉区域；平凸透镜设置在第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的上方，所述的平凸透镜的一面为平面，另一面为球面，其中球面朝向第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，平面设置在第一聚焦透镜的出射聚焦光束和第二聚焦透镜的聚焦光束相交区域；被测量纳米金属颗粒设置在平凸透镜的平面上，位于光束干涉区域；平凸透镜的平面上方依次设置有汇聚物镜和光电传感器，光电传感器的光电传感面位于被测量纳米金属颗粒散光经过汇聚物镜后的焦点区域。

2、如权利要求1所述的光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置，其特征在于：所述的激光光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器中的一种。

3、如权利要求1所述的光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置，其特征在于：所述的扩束准直器为开普勒型扩束准直器、伽利略型扩束准直器中的一种。

4、如权利要求1所述的光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置，其特征在于：所述的相位调节器为液晶型相位调节器、反射式相位调节器、微光栅相位调节器、波片式相位调节器中的一种。

5、如权利要求1所述的光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置，其特征在于：所述的光电传感器为光电二极管、雪崩管、光电倍增管、光子计数器中的一种。