专利名称：基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学精密测量技术领域，尤其涉及一种基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，该装置是对红外或可见光材料的折射率在低温条件下进行测定的装置。
背景技术：
低温光学技术的发展为红外观测提供了优良的观测途径，在国内，由于缺少红外透射材料在低温下的折射率值和折射率随温度的变化率数据，目前只能研制全反低温光学系统。因此，成功研制折反式低温光学系统的关键之一就是要拥有红外材料低温下的折射率数据。在国外，已经有关于成功测定红外材料低温折射率数据和测量装置的报道，2004年NASA戈达德空间飞行中心(NASA，s Goddard Space Flight Center)成功研制了一个·低温折射率测量系统——CHARMS，其样品控温范围为15 300K，折射率测量精度10_6，能测量可见光到红外波段的折射率(O. Γ4. 5 μ m)，但是该系统结构复杂，对轴角编码器测量精度要求很高，而且该系统需要定制专门的气浮平台，研制成本较高。在此之后，意大利INFA的科学家也研制出了一种低成本的低温折射率测量系统。该系统采用了垂直入射光路，采用自准直的方法，降低了系统的研制难度。折射率测量精度10_5，但是只能测量可见光到近红外的低温折射率(O. 4-1. 7 μ m)，样品控温范围10(Γ300Κ，而且该系统采用的是垂直入射法，该方法对误差较敏感，而且只适合测量折射率较低的样品，在测量折射率较高的样品时容易发生全反射而导致测量失败。而国内当前还没有红外材料低温下(120Κ以下)的折射率数据和红外材料低温下折射率测量设备的相关报道，因此，精确测量红外材料在低温下的折射率对低温光学的发展意义重大。常温下测定光学材料折射率有很多方法，例如最小偏向角法、自准直法、三最小偏向角法、全反射法、干涉测量法、布鲁斯特角法等。其中，最小偏向角法精度高、波长范围广，且为绝对测量，国内外大多数高精度光学玻璃材料折射率测量仪器普遍采用最小偏向角法，是一种比较理想的折射率测定方案。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，该装置可实时改变样品材料从常温到低温(120Κ以下)的温度，而且能保证驱动样品仓转动的转台和步进电机工作在其合适温度，从而测出在不同温度下的材料的折射率。本发明为了解决上述的技术问题采用的技术方案为一种基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，该装置包括准直光源系统、分光镜、瞄准系统、低温真空仓、样品仓、旋转反射镜、第一电控旋转台、第二电控旋转台和轴角编码器；分光镜置于准直光源系统和低温真空仓之间；瞄准系统用于瞄准从低温真空仓返回的光束，瞄准系统是由一个离轴聚焦抛物面反射镜和一个阵列探测器组成，阵列探测器置于离轴聚焦抛物面反射镜的焦平面上；所述低温真空仓内有一所述样品仓，其由一个铝合金腔体、一个绝热垫以及一个所述第一电控旋转台组成，铝合金腔体用于放置样品棱镜，绝热垫置于铝合金腔体和所述第一电控旋转台中间，用于降低所述第一电控旋转台的热传导，便于铝合金腔体和所述第一电控旋转台分别控温，样品仓上盖和底座用导热铜带将热导入G-M制冷机冷头，用于样品制冷，样品仓上盖和底座都由测温电阻进行温度测量，通过样品仓的测量温度预估样品温度；所述样品仓后面是所述旋转反射镜，该旋转反射镜是由一个平面反射镜加上一个所述第二电控旋转台构成的，所述第二电控旋转台内安装所述的轴角编码器，测量旋转反射镜的转角；低温真空仓壁有两个抽气口，一个连接机械真空泵，另一个连接低温真空泵，用于实现高真空；低温真空仓还有一个入射窗口，该窗口的材料根据测量波段选择由光学玻璃或者硒化锌加工而成，用于实现光源进入低温真空仓或者出射低温真空仓内的光束；低温真空仓内各部件采用真空润滑油润滑。进一步的，所述低温真空仓是低温真空测量环境下的隔热装置，抽真空采用机械真空泵和低温真空泵配合使用，可以达到10_3 10_7Pa的真空度，为样品的制冷提供合适的 环境。进一步的，所述的低温真空仓包括与该低温真空仓相连的所述的第一电控旋转台，所述第一电控旋转台与样品仓之间存在一个所述的绝热垫，其用螺栓连接，螺栓外也由绝热材料包裹，隔绝所述第一电控旋转台的产热和低温真空仓体的热，用于调整样品仓旋转的角度。进一步的，所述的样品仓用于放置样品棱镜，由所述第一电控旋转台驱动旋转，所述旋转反射镜放置于所述低温真空仓中，该旋转反射镜用于垂直反射由样品仓出射的光束，使光束按入射光路原路反射回去，所述旋转反射镜旋转和所述样品仓的旋转配合，并在控制软件控制下，可寻找最小偏向角的位置。进一步的，所述准直光源系统包括准直光源和单色仪，所述准直光源系统出射准单色的可见光或红外光。进一步的，所述分光镜置于准直光源系统和低温真空仓之间的光路上，用于反射经低温+真空仓后出射的平行光，使平行光顺利进入瞄准系统。进一步的，所述离轴聚焦抛物面反射镜用于平行光聚焦，便于瞄准焦点位置。所述阵列探测器用于探测聚焦光斑，其类型由使用的光源波段决定，可见光部分用CCD探测，红外f 12 u m波段使用FPA红外阵列探测器。本发明的原理在于本发明是一种光学精密测量技术领域的基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，包括准直光源系统、分光镜、瞄准系统、低温真空仓及其附属低温真空系统、样品仓、旋转反射镜、电控旋转台和编码器。其中样品仓、旋转反射镜分别由电机驱动，置于低温真空仓中。测量时，由准直光源出射的准单色平行光束，经过分光镜折射后入射到低温真空仓，旋转调整三棱镜和编码器上反射镜的放置角度，找到最小偏向角的位置(角度可由编码器读出)，在此状态下光束垂直入射旋转反射镜后最终返回到分光反镜，反射后进入瞄准系统。通过测量最小偏向角，根据公式
权利要求
1.一种基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，其特征在于该装置包括准直光源系统(I)、分光镜(3)、猫准系统、低温真空仓(8)、样品仓(6)、旋转反射镜(9)、第一电控旋转台、第二电控旋转台和轴角编码器；分光镜(3)置于准直光源系统(I)和低温真空仓(8)之间；瞄准系统用于瞄准从低温真空仓(8)返回的光束，瞄准系统是由一个离轴聚焦抛物面反射镜(4)和一个阵列探 测器(5)组成，阵列探测器(5)置于离轴聚焦抛物面反射镜(4)的焦平面上；所述低温真空仓(8)内有一所述样品仓(6)，其由一个铝合金腔体、一个绝热垫以及一个所述第一电控旋转台组成，铝合金腔体用于放置样品棱镜，绝热垫置于铝合金腔体和所述第一电控旋转台中间，用于降低所述第一电控旋转台的热传导，便于铝合金腔体和所述第一电控旋转台分别控温，样品仓上盖和底座用导热铜带(11)将热导入G-M制冷机冷头(13)，用于样品制冷，样品仓上盖和底座都由测温电阻进行温度测量，通过样品仓的测量温度预估样品温度；所述样品仓(6)后面是所述旋转反射镜(9)，该旋转反射镜(9)是由一个平面反射镜加上一个所述第二电控旋转台构成的，所述第二电控旋转台内安装所述的轴角编码器，测量旋转反射镜(9)的转角；低温真空仓(8)壁有两个抽气口，一个连接机械真空泵(12)，另一个连接低温真空泵(14)，用于实现高真空；低温真空仓(8)还有一个入射窗口( 10),该窗口的材料根据测量波段选择由光学玻璃或者硒化锌加工而成，用于实现光源进入低温真空仓(8)或者出射低温真空仓(8)内的光束；低温真空仓(8)内各部件采用真空润滑油润滑。
2.根据权利要求I所述的基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，其特征在于，所述低温真空仓(8)是低温真空测量环境下的隔热装置，抽真空采用机械真空泵(12)和低温真空泵(14)配合使用，可以达到10’10_7Pa的真空度，为样品的制冷提供合适的环境。
3.根据权利要求2所述的基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，其特征在于，所述的低温真空仓(8)包括与该低温真空仓相连的所述的第一电控旋转台，所述第一电控旋转台与样品仓之间存在一个所述的绝热垫，其用螺栓连接，螺栓外也由绝热材料包裹，隔绝所述第一电控旋转台的产热和低温真空仓体的热，用于调整样品仓旋转的角度。
4.根据权利要求3所述的基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，其特征在于，所述的样品仓用于放置样品棱镜，由所述第一电控旋转台驱动旋转，所述旋转反射镜放置于所述低温真空仓中，该旋转反射镜用于垂直反射由样品仓出射的光束，使光束按入射光路原路反射回去，所述旋转反射镜旋转和所述样品仓的旋转配合，并在控制软件控制下，可寻找最小偏向角的位置。
5.根据权利要求I所述的基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，其特征在于，所述准直光源系统包括准直光源和单色仪，所述准直光源系统出射准单色的可见光或红外光。
6.根据权利要求I所述的基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，其特征在于，所述分光镜置于准直光源系统和低温真空仓之间的光路上，用于反射经低温真空仓后出射的平行光，使平行光顺利进入瞄准系统。
7.根据权利要求I所述的基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，其特征在于，所述离轴聚焦抛物面反射镜用于平行光聚焦，便于瞄准焦点位置，所述阵列探测器用于探测 聚焦光斑，其类型由使用的光源波段决定，可见光部分用CCD探测，红外ri2 U m波段使用FPA红外阵列探测器。
全文摘要
本发明提供一种基于最小偏向角法测量低温下材料折射率温度系数的装置，该装置包括准直光源系统，分光镜，瞄准系统，低温真空仓及其附属低温真空系统、样品仓、旋转反射镜、电控旋转台和编码器。其中样品仓、旋转反射镜分别由电机驱动，置于低温真空仓中。测量时，由准直光源出射的准单色平行光束，经过分光镜折射后入射到低温真空仓，旋转调整三棱镜和编码器上反射镜的放置角度，找到最小偏向角的位置，在此状态下光束垂直入射旋转反射镜后最终返回到分光反镜，反射后进入瞄准系统。本发明对传统最小偏向角法进行了改进，创新地将自准直原理和最小偏向角法结合起来，在同等测量精度范围内降低了对轴角编码器高精度的要求，从而降低了系统成本。
文档编号G01N21/41GK102788767SQ20121030414
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者任栖峰, 倪磊, 廖胜, 段沽坪 申请人:中国科学院光电技术研究所