本發(fā)明屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種材料折射率和折射率溫度系數(shù)的測(cè)量裝置及方法，具體地說(shuō)，涉及一種在低溫下對(duì)紅外或可見光材料的折射率及其在低溫下溫度系數(shù)進(jìn)行測(cè)定的裝置及方法。

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)量可見光到紅外波段的折射率(0.4～4.5μm)，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)量可見光到近紅外的低溫折射率(0.4-1.7μm)，樣品控溫范圍100～300K，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(120K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、垂直入射法、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，垂直入射方法測(cè)量原理簡(jiǎn)單，操作方便，比較適合做低溫折射率的測(cè)定。自準(zhǔn)直儀是一種能發(fā)射平行光束的精密的光學(xué)儀器，也是裝校和調(diào)整光學(xué)儀器的重要工具之一。自準(zhǔn)直儀測(cè)角度的微小變化準(zhǔn)確度高，能很好的應(yīng)用于測(cè)量低溫下材料射率變化引起的偏向角的微小變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種材料折射率和折射率溫度系數(shù)的測(cè)量裝置及方法，該裝置可實(shí)時(shí)改變樣品材料的溫度，從而測(cè)出在不同溫度下的材料的折射率，該裝置不需要購(gòu)買價(jià)格昂貴的軸角編碼器等精密測(cè)角裝置，具有成本低廉、操作方便的特點(diǎn)，適合推廣應(yīng)用。

其具體技術(shù)方案為：

一種材料折射率和折射率溫度系數(shù)的測(cè)量裝置，包括為單色儀1、準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2、真空倉(cāng)入射窗口3、低溫真空倉(cāng)4、樣品倉(cāng)5、材料樣品6、離軸聚焦拋物面反射鏡7、雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8、自準(zhǔn)直儀9、瞄準(zhǔn)裝置10和導(dǎo)熱銅帶11，低溫真空倉(cāng)4作為隔絕空氣和真空環(huán)境的裝置，樣品倉(cāng)5，材料樣品6，離軸聚焦拋物面反射鏡7、雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8、自準(zhǔn)直儀9、瞄準(zhǔn)裝置10和導(dǎo)熱銅帶11都置于低溫真空倉(cāng)4中，其連接關(guān)系為導(dǎo)熱銅帶11與樣品倉(cāng)5相連，材料樣品6位于樣品倉(cāng)5中，雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8置于樣品倉(cāng)5后面，離軸聚焦拋物面反射鏡7位于樣品倉(cāng)5和雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8之間，瞄準(zhǔn)裝置10置于離軸聚焦拋物面反射鏡7焦平面處，自準(zhǔn)直儀9位于雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8后面用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度；所述準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2和單色儀1位于真空倉(cāng)入射窗口3正前方，所述自準(zhǔn)直儀9位于雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8正后方，以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8的瞄準(zhǔn)和轉(zhuǎn)角測(cè)量；所述樣品倉(cāng)5位于真空倉(cāng)入射窗口3處，所述樣品倉(cāng)5是一個(gè)無(wú)窗的腔體結(jié)構(gòu)；所述樣品倉(cāng)5下面是絕熱支撐，絕熱支撐下面是電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)，這樣能隔絕電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)和樣品倉(cāng)5的熱傳導(dǎo)；樣品倉(cāng)5后面是雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8由另一個(gè)電控轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)。

優(yōu)選地，所述準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2的出射光來(lái)自單色儀1，其出射準(zhǔn)單色的可見光或紅外光。

優(yōu)選地，根據(jù)不同的測(cè)量波段，所述瞄準(zhǔn)裝置10分為可見光CCD和單元探測(cè)器配振動(dòng)狹縫，在可見光波段下，利用CCD探測(cè)器，通過(guò)數(shù)字圖像處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度瞄準(zhǔn)，而在紅外波段，采用紅外單元探測(cè)器加振動(dòng)狹縫，通過(guò)對(duì)信號(hào)頻譜分析的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度瞄準(zhǔn)。

優(yōu)選地，所述的低溫真空倉(cāng)4是低溫真空測(cè)量環(huán)境下的絕熱裝置，抽真空采用所述的機(jī)械真空泵和所述低溫真空泵配合使用，能達(dá)到10^-3MPa以下的真空度。

優(yōu)選地，所述絕熱支撐由多層聚四氟乙烯材料加工而成。

一種材料折射率和折射率溫度系數(shù)的測(cè)量方法，包括以下步驟：首先是調(diào)整光路，將常溫下折射率已知的樣品棱鏡放入樣品倉(cāng)5，然后準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2采用可見光激光器做光源，使部分光束在經(jīng)過(guò)入射面時(shí)發(fā)生發(fā)射，調(diào)整樣品倉(cāng)5轉(zhuǎn)角，使光束返回到準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2，并聚焦在準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2的入射狹縫處，此時(shí)，樣品棱鏡入射面與入射光已經(jīng)垂直；第二步是正式降溫測(cè)量，過(guò)程為先抽真空真空度下降到10^-3Pa時(shí)，開啟制冷機(jī)對(duì)樣品倉(cāng)進(jìn)行制冷，對(duì)樣品倉(cāng)初始溫度設(shè)置為室溫300K，調(diào)整雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8的角度，使經(jīng)過(guò)樣品棱鏡的偏轉(zhuǎn)光束、進(jìn)入離軸聚焦拋物面反射鏡7、瞄準(zhǔn)裝置10，再次微調(diào)雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8，使聚焦光斑聚焦到視場(chǎng)中心，并調(diào)整好自準(zhǔn)直儀，使自準(zhǔn)直儀出射光從雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡返回的像位于自準(zhǔn)直儀的視場(chǎng)中心，此時(shí)計(jì)算機(jī)記錄下光斑質(zhì)心坐標(biāo)(x₀,y₀)和室溫下樣品棱鏡的偏向角δ₀，此時(shí)的偏向角是根據(jù)已知樣品棱鏡頂角和常溫下折射率計(jì)算出來(lái)的；然后樣品倉(cāng)溫度每下降10℃按照以上步驟進(jìn)行一次測(cè)量，保證每次離軸聚焦拋物面反射鏡7、瞄準(zhǔn)裝置10中返回的光斑質(zhì)心坐標(biāo)與(x₀,y₀)重合，每次測(cè)量都可以在自準(zhǔn)直儀中讀出旋轉(zhuǎn)雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡的角度改變，即偏向角的改變?chǔ)う?，則此溫度下的折射率改變表示為其中頂角A、初始偏向角δ₀都是已知的，所以折射率改變可以直接計(jì)算出來(lái)，進(jìn)而折射率和折射率溫度系數(shù)也能通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算出來(lái)，通過(guò)編寫相應(yīng)的軟件，以上測(cè)量過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量、計(jì)算。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)、本發(fā)明真空倉(cāng)的使用為低溫環(huán)境的實(shí)現(xiàn)提供了保證。裝置采用G-M二級(jí)制冷機(jī)，抽真空采用機(jī)械粗抽泵和低溫泵配合使用，可以達(dá)到10^-3Pa以下的真空度，從而避免了空氣熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流對(duì)樣品降溫的影響，使樣品溫度可以到120K以下的低溫要求，同時(shí)可以忽略空氣對(duì)折射率測(cè)量的影響，提高了測(cè)量精度。

(2)、由于本發(fā)明的裝置是基于最常用的垂直入射法的，原理簡(jiǎn)單，操作方便，裝置所需部件簡(jiǎn)單，是實(shí)驗(yàn)室常用設(shè)備，這樣就降低了設(shè)備成本，便于實(shí)現(xiàn)。

(3)、本發(fā)明所測(cè)得樣品棱鏡可以是紅外材料也可以是可見光波段的材料，應(yīng)用范圍廣。

(4)、本發(fā)明的裝置中沒(méi)有分光原件，可以極大降低紅外波段測(cè)量時(shí)紅外信號(hào)的衰減，提高了探測(cè)效率。

(5)、由于本發(fā)明采用真空低溫倉(cāng)與電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)采取了絕熱的基墊連接，隔絕了樣品倉(cāng)和電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的熱傳導(dǎo)，這樣做一方面可以保證樣品倉(cāng)的低溫要求，另一方面避免了電控轉(zhuǎn)臺(tái)低溫下不能工作的情況發(fā)生。

(6)、本發(fā)明在紅外波段瞄準(zhǔn)時(shí)采用單元探測(cè)器配套振動(dòng)狹縫的形式進(jìn)行瞄準(zhǔn)，提高了可瞄準(zhǔn)的波段范圍和瞄準(zhǔn)精度，避免了對(duì)進(jìn)口高性能FPA探測(cè)器的依賴，大大降低了成本。

附圖說(shuō)明

圖1是垂直入射測(cè)定光路圖原理圖；

圖2是本發(fā)明整個(gè)裝置光路原理示意圖；

圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是樣品倉(cāng)的一個(gè)無(wú)窗的腔體結(jié)構(gòu)外形示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。

本發(fā)明原理是垂直入射法，垂直入射法測(cè)量材料折射率，原理簡(jiǎn)單，操作方便，也比較適合做低溫折射率的測(cè)定。其測(cè)量原理如圖1，ABC為待測(cè)樣品制成的樣品棱鏡，入射光線1從AB面垂直入射到樣品棱鏡ABC，由折射定律，無(wú)偏轉(zhuǎn)地在樣品棱鏡內(nèi)傳播，出射光線2通過(guò)AC面偏轉(zhuǎn)出射，偏向角為δ，由幾何光學(xué)性質(zhì)，可以得出：折射率樣品溫度變化后折射率n'和偏向角的變化Δδ的關(guān)系為而折射率溫度系數(shù)為即獲到了低溫情況下材料的折射率和折射率溫度系數(shù)。其中A為頂角大小。

如圖2所示，本發(fā)明整個(gè)裝置具體包括準(zhǔn)直光源系統(tǒng)，，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，真空倉(cāng)及其附屬低溫真空系統(tǒng)、樣品倉(cāng)、旋轉(zhuǎn)雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡、電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)，以及自準(zhǔn)直儀，該自準(zhǔn)直儀用來(lái)測(cè)角度，其中反射鏡為雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡。低溫下測(cè)量材料折射率的實(shí)際光路為：準(zhǔn)直光源系統(tǒng)的光源發(fā)出光，經(jīng)由準(zhǔn)直光源系統(tǒng)的準(zhǔn)直系統(tǒng)變成準(zhǔn)直光束，經(jīng)過(guò)、入射到真空倉(cāng)中低溫樣品倉(cāng)的三角棱鏡上，出射到反射鏡上，調(diào)整反射鏡的角度，使光線入射到離軸聚焦拋物面反射鏡上，聚焦成一點(diǎn)，最后進(jìn)入到探測(cè)器系統(tǒng)的探測(cè)器上，理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng)每次保證打在該探測(cè)器上的質(zhì)心點(diǎn)位置相同時(shí)，光路中的光線在經(jīng)過(guò)真空倉(cāng)以外的地方都是相同方向的準(zhǔn)直光。實(shí)驗(yàn)中溫度變化后，偏向角的變化由自準(zhǔn)直儀測(cè)出。

如圖3所示，一種材料折射率和折射率溫度系數(shù)的測(cè)量裝置，包括為單色儀1、準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2、真空倉(cāng)入射窗口3、低溫真空倉(cāng)4、樣品倉(cāng)5、材料樣品6、離軸聚焦拋物面反射鏡7、雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8、自準(zhǔn)直儀9、瞄準(zhǔn)裝置10和導(dǎo)熱銅帶11；低溫真空倉(cāng)4作為隔絕空氣和真空環(huán)境的裝置，樣品倉(cāng)5，材料樣品6，離軸聚焦拋物面反射鏡7、雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8、自準(zhǔn)直儀9、瞄準(zhǔn)裝置10和導(dǎo)熱銅帶11都置于低溫真空倉(cāng)4中，其連接關(guān)系為導(dǎo)熱銅帶11與樣品倉(cāng)5相連，材料樣品6位于樣品倉(cāng)5中，雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8置于樣品倉(cāng)5后面，離軸聚焦拋物面反射鏡7位于樣品倉(cāng)5和雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8之間，瞄準(zhǔn)裝置10位于離軸聚焦拋物面反射鏡7焦平面處，自準(zhǔn)直儀9位于雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8后面用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度；所述準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2和單色儀1位于真空倉(cāng)入射窗口3正前方，所述自準(zhǔn)直儀9位于雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8正后方，以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8的瞄準(zhǔn)和轉(zhuǎn)角測(cè)量；所述樣品倉(cāng)5位于真空倉(cāng)入射窗口3處，所述樣品倉(cāng)5是一個(gè)無(wú)窗的腔體結(jié)構(gòu)，外形如圖4；所述樣品倉(cāng)5下面是絕熱支撐，絕熱支撐下面是電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)，這樣能隔絕電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)和樣品倉(cāng)5的熱傳導(dǎo)；樣品倉(cāng)5后面是雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8由另一個(gè)電控轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)。

優(yōu)選地，所述準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2的出射光來(lái)自單色儀1，其出射準(zhǔn)單色的可見光或紅外光。

優(yōu)選地，根據(jù)不同的測(cè)量波段，所述瞄準(zhǔn)裝置10分為可見光CCD和單元探測(cè)器配套振動(dòng)狹縫。

優(yōu)選地，所述的低溫真空倉(cāng)4是低溫真空測(cè)量環(huán)境下的絕熱裝置，抽真空采用所述的機(jī)械真空泵和所述低溫真空泵配合使用，能達(dá)到10^-3MPa以下的真空度。

優(yōu)選地，所述絕熱支撐由多層聚四氟乙烯材料加工而成。

一種材料折射率和折射率溫度系數(shù)的測(cè)量方法，包括以下步驟：首先是調(diào)整光路，將常溫下折射率已知的樣品棱鏡放入樣品倉(cāng)5，然后準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2采用可見光激光器做光源，使部分光束在經(jīng)過(guò)入射面時(shí)發(fā)生發(fā)射，調(diào)整樣品倉(cāng)5轉(zhuǎn)角，使光束返回到準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2，并聚焦在準(zhǔn)直光源系統(tǒng)2的入射狹縫處，此時(shí)，樣品棱鏡入射面與入射光已經(jīng)垂直；第二步是正式降溫測(cè)量，過(guò)程為先抽真空真空度下降到10^-3Pa時(shí)，開啟制冷機(jī)對(duì)樣品倉(cāng)進(jìn)行制冷，對(duì)樣品倉(cāng)初始溫度設(shè)置為室溫300K，調(diào)整雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8的角度，使經(jīng)過(guò)樣品棱鏡的偏轉(zhuǎn)光束、進(jìn)入離軸聚焦拋物面反射鏡7、瞄準(zhǔn)裝置10，再次微調(diào)雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡8，使聚焦光斑聚焦到視場(chǎng)中心，并調(diào)整好自準(zhǔn)直儀，使自準(zhǔn)直儀出射光從雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡返回的像位于自準(zhǔn)直儀的視場(chǎng)中心，此時(shí)計(jì)算機(jī)記錄下光斑質(zhì)心坐標(biāo)(x₀,y₀)和室溫下樣品棱鏡的偏向角δ₀，此時(shí)的偏向角是根據(jù)已知樣品棱鏡頂角和常溫下折射率計(jì)算出來(lái)的；然后樣品倉(cāng)溫度每下降10℃按照以上步驟進(jìn)行一次測(cè)量，保證每次離軸聚焦拋物面反射鏡7、瞄準(zhǔn)裝置10中返回的光斑質(zhì)心坐標(biāo)與(x₀,y₀)重合，每次測(cè)量都可以在自準(zhǔn)直儀中讀出旋轉(zhuǎn)雙面旋轉(zhuǎn)反射鏡的角度改變，即偏向角的改變?chǔ)う?，則此溫度下的折射率改變表示為其中頂角A、初始偏向角δ₀都是已知的，所以折射率改變可以直接計(jì)算出來(lái)，進(jìn)而折射率和折射率溫度系數(shù)也能通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算出來(lái)，通過(guò)編寫相應(yīng)的軟件，以上測(cè)量過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量、計(jì)算。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術(shù)方案的簡(jiǎn)單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。