專利名稱：基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，該裝置是對(duì)紅外或可見(jiàn)光材料的折射率在低溫條件下進(jìn)行測(cè)定的裝置。
背景技術(shù)：
低溫光學(xué)技術(shù)的發(fā)展為紅外觀測(cè)提供了優(yōu)良的觀測(cè)途徑，在國(guó)內(nèi)，由于缺少紅外透射材料在低溫下的折射率值和折射率隨溫度的變化率數(shù)據(jù)，目前只能研制全反低溫光學(xué)系統(tǒng)。因此，成功研制折反式低溫光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵之一就是要擁有紅外材料低溫下的折射率數(shù)據(jù)。在國(guó)外，已經(jīng)有關(guān)于成功測(cè)定紅外材料低溫折射率數(shù)據(jù)和測(cè)量裝置的報(bào)道，2004年NASA戈達(dá)德空間飛行中心(NASA，s Goddard Space Flight Center)成功研制了一個(gè)·低溫折射率測(cè)量系統(tǒng)——CHARMS，其樣品控溫范圍為15 300K，折射率測(cè)量精度10_6，能測(cè)量可見(jiàn)光到紅外波段的折射率(O. Γ4. 5 μ m)，但是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)軸角編碼器測(cè)量精度要求很高，而且該系統(tǒng)需要定制專門(mén)的氣浮平臺(tái)，研制成本較高。在此之后，意大利INFA的科學(xué)家也研制出了一種低成本的低溫折射率測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了垂直入射光路，采用自準(zhǔn)直的方法，降低了系統(tǒng)的研制難度。折射率測(cè)量精度10_5，但是只能測(cè)量可見(jiàn)光到近紅外的低溫折射率(O. 4-1. 7 μ m)，樣品控溫范圍10(Γ300Κ，而且該系統(tǒng)采用的是垂直入射法，該方法對(duì)誤差較敏感，而且只適合測(cè)量折射率較低的樣品，在測(cè)量折射率較高的樣品時(shí)容易發(fā)生全反射而導(dǎo)致測(cè)量失敗。而國(guó)內(nèi)當(dāng)前還沒(méi)有紅外材料低溫下(120Κ以下)的折射率數(shù)據(jù)和紅外材料低溫下折射率測(cè)量設(shè)備的相關(guān)報(bào)道，因此，精確測(cè)量紅外材料在低溫下的折射率對(duì)低溫光學(xué)的發(fā)展意義重大。常溫下測(cè)定光學(xué)材料折射率有很多方法，例如最小偏向角法、自準(zhǔn)直法、三最小偏向角法、全反射法、干涉測(cè)量法、布魯斯特角法等。其中，最小偏向角法精度高、波長(zhǎng)范圍廣，且為絕對(duì)測(cè)量，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)高精度光學(xué)玻璃材料折射率測(cè)量?jī)x器普遍采用最小偏向角法，是一種比較理想的折射率測(cè)定方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，該裝置可實(shí)時(shí)改變樣品材料從常溫到低溫(120Κ以下)的溫度，而且能保證驅(qū)動(dòng)樣品倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)和步進(jìn)電機(jī)工作在其合適溫度，從而測(cè)出在不同溫度下的材料的折射率。本發(fā)明為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為一種基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，該裝置包括準(zhǔn)直光源系統(tǒng)、分光鏡、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、低溫真空倉(cāng)、樣品倉(cāng)、旋轉(zhuǎn)反射鏡、第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)、第二電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)和軸角編碼器；分光鏡置于準(zhǔn)直光源系統(tǒng)和低溫真空倉(cāng)之間；瞄準(zhǔn)系統(tǒng)用于瞄準(zhǔn)從低溫真空倉(cāng)返回的光束，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是由一個(gè)離軸聚焦拋物面反射鏡和一個(gè)陣列探測(cè)器組成，陣列探測(cè)器置于離軸聚焦拋物面反射鏡的焦平面上；所述低溫真空倉(cāng)內(nèi)有一所述樣品倉(cāng)，其由一個(gè)鋁合金腔體、一個(gè)絕熱墊以及一個(gè)所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)組成，鋁合金腔體用于放置樣品棱鏡，絕熱墊置于鋁合金腔體和所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)中間，用于降低所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的熱傳導(dǎo)，便于鋁合金腔體和所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)分別控溫，樣品倉(cāng)上蓋和底座用導(dǎo)熱銅帶將熱導(dǎo)入G-M制冷機(jī)冷頭，用于樣品制冷，樣品倉(cāng)上蓋和底座都由測(cè)溫電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，通過(guò)樣品倉(cāng)的測(cè)量溫度預(yù)估樣品溫度；所述樣品倉(cāng)后面是所述旋轉(zhuǎn)反射鏡，該旋轉(zhuǎn)反射鏡是由一個(gè)平面反射鏡加上一個(gè)所述第二電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成的，所述第二電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)安裝所述的軸角編碼器，測(cè)量旋轉(zhuǎn)反射鏡的轉(zhuǎn)角；低溫真空倉(cāng)壁有兩個(gè)抽氣口，一個(gè)連接機(jī)械真空泵，另一個(gè)連接低溫真空泵，用于實(shí)現(xiàn)高真空；低溫真空倉(cāng)還有一個(gè)入射窗口，該窗口的材料根據(jù)測(cè)量波段選擇由光學(xué)玻璃或者硒化鋅加工而成，用于實(shí)現(xiàn)光源進(jìn)入低溫真空倉(cāng)或者出射低溫真空倉(cāng)內(nèi)的光束；低溫真空倉(cāng)內(nèi)各部件采用真空潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。進(jìn)一步的，所述低溫真空倉(cāng)是低溫真空測(cè)量環(huán)境下的隔熱裝置，抽真空采用機(jī)械真空泵和低溫真空泵配合使用，可以達(dá)到10_3 10_7Pa的真空度，為樣品的制冷提供合適的 環(huán)境。進(jìn)一步的，所述的低溫真空倉(cāng)包括與該低溫真空倉(cāng)相連的所述的第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)，所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)與樣品倉(cāng)之間存在一個(gè)所述的絕熱墊，其用螺栓連接，螺栓外也由絕熱材料包裹，隔絕所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的產(chǎn)熱和低溫真空倉(cāng)體的熱，用于調(diào)整樣品倉(cāng)旋轉(zhuǎn)的角度。進(jìn)一步的，所述的樣品倉(cāng)用于放置樣品棱鏡，由所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡放置于所述低溫真空倉(cāng)中，該旋轉(zhuǎn)反射鏡用于垂直反射由樣品倉(cāng)出射的光束，使光束按入射光路原路反射回去，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)和所述樣品倉(cāng)的旋轉(zhuǎn)配合，并在控制軟件控制下，可尋找最小偏向角的位置。進(jìn)一步的，所述準(zhǔn)直光源系統(tǒng)包括準(zhǔn)直光源和單色儀，所述準(zhǔn)直光源系統(tǒng)出射準(zhǔn)單色的可見(jiàn)光或紅外光。進(jìn)一步的，所述分光鏡置于準(zhǔn)直光源系統(tǒng)和低溫真空倉(cāng)之間的光路上，用于反射經(jīng)低溫+真空倉(cāng)后出射的平行光，使平行光順利進(jìn)入瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。進(jìn)一步的，所述離軸聚焦拋物面反射鏡用于平行光聚焦，便于瞄準(zhǔn)焦點(diǎn)位置。所述陣列探測(cè)器用于探測(cè)聚焦光斑，其類(lèi)型由使用的光源波段決定，可見(jiàn)光部分用CCD探測(cè)，紅外f 12 u m波段使用FPA紅外陣列探測(cè)器。本發(fā)明的原理在于本發(fā)明是一種光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，包括準(zhǔn)直光源系統(tǒng)、分光鏡、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、低溫真空倉(cāng)及其附屬低溫真空系統(tǒng)、樣品倉(cāng)、旋轉(zhuǎn)反射鏡、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)和編碼器。其中樣品倉(cāng)、旋轉(zhuǎn)反射鏡分別由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，置于低溫真空倉(cāng)中。測(cè)量時(shí)，由準(zhǔn)直光源出射的準(zhǔn)單色平行光束，經(jīng)過(guò)分光鏡折射后入射到低溫真空倉(cāng)，旋轉(zhuǎn)調(diào)整三棱鏡和編碼器上反射鏡的放置角度，找到最小偏向角的位置(角度可由編碼器讀出)，在此狀態(tài)下光束垂直入射旋轉(zhuǎn)反射鏡后最終返回到分光反鏡，反射后進(jìn)入瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)量最小偏向角，根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.一種基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，其特征在于該裝置包括準(zhǔn)直光源系統(tǒng)(I)、分光鏡(3)、貓準(zhǔn)系統(tǒng)、低溫真空倉(cāng)(8)、樣品倉(cāng)(6)、旋轉(zhuǎn)反射鏡(9)、第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)、第二電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)和軸角編碼器；分光鏡(3)置于準(zhǔn)直光源系統(tǒng)(I)和低溫真空倉(cāng)(8)之間；瞄準(zhǔn)系統(tǒng)用于瞄準(zhǔn)從低溫真空倉(cāng)(8)返回的光束，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是由一個(gè)離軸聚焦拋物面反射鏡(4)和一個(gè)陣列探 測(cè)器(5)組成，陣列探測(cè)器(5)置于離軸聚焦拋物面反射鏡(4)的焦平面上；所述低溫真空倉(cāng)(8)內(nèi)有一所述樣品倉(cāng)(6)，其由一個(gè)鋁合金腔體、一個(gè)絕熱墊以及一個(gè)所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)組成，鋁合金腔體用于放置樣品棱鏡，絕熱墊置于鋁合金腔體和所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)中間，用于降低所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的熱傳導(dǎo)，便于鋁合金腔體和所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)分別控溫，樣品倉(cāng)上蓋和底座用導(dǎo)熱銅帶(11)將熱導(dǎo)入G-M制冷機(jī)冷頭(13)，用于樣品制冷，樣品倉(cāng)上蓋和底座都由測(cè)溫電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，通過(guò)樣品倉(cāng)的測(cè)量溫度預(yù)估樣品溫度；所述樣品倉(cāng)(6)后面是所述旋轉(zhuǎn)反射鏡(9)，該旋轉(zhuǎn)反射鏡(9)是由一個(gè)平面反射鏡加上一個(gè)所述第二電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成的，所述第二電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)安裝所述的軸角編碼器，測(cè)量旋轉(zhuǎn)反射鏡(9)的轉(zhuǎn)角；低溫真空倉(cāng)(8)壁有兩個(gè)抽氣口，一個(gè)連接機(jī)械真空泵(12)，另一個(gè)連接低溫真空泵(14)，用于實(shí)現(xiàn)高真空；低溫真空倉(cāng)(8)還有一個(gè)入射窗口( 10),該窗口的材料根據(jù)測(cè)量波段選擇由光學(xué)玻璃或者硒化鋅加工而成，用于實(shí)現(xiàn)光源進(jìn)入低溫真空倉(cāng)(8)或者出射低溫真空倉(cāng)(8)內(nèi)的光束；低溫真空倉(cāng)(8)內(nèi)各部件采用真空潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，其特征在于，所述低溫真空倉(cāng)(8)是低溫真空測(cè)量環(huán)境下的隔熱裝置，抽真空采用機(jī)械真空泵(12)和低溫真空泵(14)配合使用，可以達(dá)到10’10_7Pa的真空度，為樣品的制冷提供合適的環(huán)境。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，其特征在于，所述的低溫真空倉(cāng)(8)包括與該低溫真空倉(cāng)相連的所述的第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)，所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)與樣品倉(cāng)之間存在一個(gè)所述的絕熱墊，其用螺栓連接，螺栓外也由絕熱材料包裹，隔絕所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的產(chǎn)熱和低溫真空倉(cāng)體的熱，用于調(diào)整樣品倉(cāng)旋轉(zhuǎn)的角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，其特征在于，所述的樣品倉(cāng)用于放置樣品棱鏡，由所述第一電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡放置于所述低溫真空倉(cāng)中，該旋轉(zhuǎn)反射鏡用于垂直反射由樣品倉(cāng)出射的光束，使光束按入射光路原路反射回去，所述旋轉(zhuǎn)反射鏡旋轉(zhuǎn)和所述樣品倉(cāng)的旋轉(zhuǎn)配合，并在控制軟件控制下，可尋找最小偏向角的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，其特征在于，所述準(zhǔn)直光源系統(tǒng)包括準(zhǔn)直光源和單色儀，所述準(zhǔn)直光源系統(tǒng)出射準(zhǔn)單色的可見(jiàn)光或紅外光。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，其特征在于，所述分光鏡置于準(zhǔn)直光源系統(tǒng)和低溫真空倉(cāng)之間的光路上，用于反射經(jīng)低溫真空倉(cāng)后出射的平行光，使平行光順利進(jìn)入瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，其特征在于，所述離軸聚焦拋物面反射鏡用于平行光聚焦，便于瞄準(zhǔn)焦點(diǎn)位置，所述陣列探測(cè)器用于探測(cè) 聚焦光斑，其類(lèi)型由使用的光源波段決定，可見(jiàn)光部分用CCD探測(cè)，紅外ri2 U m波段使用FPA紅外陣列探測(cè)器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于最小偏向角法測(cè)量低溫下材料折射率溫度系數(shù)的裝置，該裝置包括準(zhǔn)直光源系統(tǒng)，分光鏡，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，低溫真空倉(cāng)及其附屬低溫真空系統(tǒng)、樣品倉(cāng)、旋轉(zhuǎn)反射鏡、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)和編碼器。其中樣品倉(cāng)、旋轉(zhuǎn)反射鏡分別由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，置于低溫真空倉(cāng)中。測(cè)量時(shí)，由準(zhǔn)直光源出射的準(zhǔn)單色平行光束，經(jīng)過(guò)分光鏡折射后入射到低溫真空倉(cāng)，旋轉(zhuǎn)調(diào)整三棱鏡和編碼器上反射鏡的放置角度，找到最小偏向角的位置，在此狀態(tài)下光束垂直入射旋轉(zhuǎn)反射鏡后最終返回到分光反鏡，反射后進(jìn)入瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)最小偏向角法進(jìn)行了改進(jìn)，創(chuàng)新地將自準(zhǔn)直原理和最小偏向角法結(jié)合起來(lái)，在同等測(cè)量精度范圍內(nèi)降低了對(duì)軸角編碼器高精度的要求，從而降低了系統(tǒng)成本。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102788767SQ20121030414
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者任棲峰, 倪磊, 廖勝, 段沽坪 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所