專利名稱：用于傅里葉磁光測(cè)試的光學(xué)傳輸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及傅里葉變換紅外磁光光譜學(xué)及相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)，特別是一種用于傅里葉磁光測(cè)試的光學(xué)傳輸裝置。
現(xiàn)有磁光測(cè)試系統(tǒng)中普遍的是用透鏡或反射鏡將光譜儀的光束或激光器的光直接通過杜瓦的窗口耦合到分裂磁體(赫姆霍茲線圈)里的樣品室，英國(guó)Oxford公司、美國(guó)Janise公司等商品化的磁光系統(tǒng)就是這樣。這種系統(tǒng)中的光學(xué)傳輸裝置簡(jiǎn)單明了，光路短、加工方便。其缺點(diǎn)是這種類型的超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度一般只7特斯拉(Tesla)左右。同時(shí)，光譜范圍一般受到兩層杜瓦窗口材料的限制，大都很窄。如通常用的紅外窗口是氟化鈣，長(zhǎng)波僅達(dá)10微米、改變測(cè)量光譜波段需要更換窗口，是很麻煩的，更不是在測(cè)試過程中能執(zhí)行的。
現(xiàn)有技術(shù)中也有使用光管把光譜儀或激光的光束直接耦合入不帶窗口的杜瓦及螺線管型的超導(dǎo)磁體中。但這種單一的光學(xué)傳輸裝置傳輸效率很低，對(duì)傅里葉光譜儀發(fā)散的干涉光束傳輸效率更低，一般不超過10％，而且透過率在短波區(qū)很快下降，因而通常只用于遠(yuǎn)紅外和亞毫米波波段。
本實(shí)用新型的目的是提供一種把傅里葉變換光譜儀的干涉光束引導(dǎo)出來并投射到深深置于低溫杜瓦內(nèi)超導(dǎo)磁體腔里的樣品上，再把光與樣品作用后的光信號(hào)或電信號(hào)送返光譜儀加以接收處理的光學(xué)傳輸裝置，這一裝置具有傳輸效率高、光譜范圍寬、投射到樣品上的照度強(qiáng)等優(yōu)良性能。
本實(shí)用新型的目的是這樣來達(dá)到的整個(gè)裝置全部由反射光學(xué)元件組成，因?yàn)橐恍┙饘俦∧ぴ谡麄€(gè)紅外波段有很高的反射率，這對(duì)滿足寬帶傳輸要求和提高傳輸效率都十分有利。杜瓦外的傳輸系統(tǒng)采用反射鏡組成的成象光學(xué)系統(tǒng)，用反射鏡容易處理光譜儀的干涉光束，并把傳輸途中的能量損失降至最低程度。
在杜瓦內(nèi)的傳輸采用光管和光錐組成的非成象系統(tǒng)，使用光管、光錐這些非成象元件比較容易解決杜瓦和磁體孔徑狹小造成的困難，同時(shí)對(duì)增強(qiáng)光照度以及兼顧液氦技術(shù)等要求也帶來了方便。
選用光譜響應(yīng)寬、探測(cè)率高而且是液氦冷卻的半導(dǎo)體鍺、硅測(cè)輻射熱計(jì)或碳測(cè)輻射熱計(jì)作為紅外探測(cè)器安裝于樣品附近適當(dāng)?shù)妮椛涫占粌?nèi)，與光管、光錐有機(jī)組合成一個(gè)統(tǒng)一的樣品架，光信號(hào)經(jīng)探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后被引出杜瓦送返光譜儀處理，這樣既回避了將光信號(hào)再引出杜瓦的難題，又滿足了探測(cè)器的低溫工作條件。
光學(xué)成象系統(tǒng)與光譜儀聯(lián)成一體，并用光譜儀的真空泵將附加的這一系統(tǒng)與光譜儀樣品室一起抽真空，從而消除大氣和水汽的紅外吸收。非成象光學(xué)系統(tǒng)則單獨(dú)用真空泵按要求抽真空，或抽真空后再充以低壓氦氣等作為交換氣體。成象與非成象系統(tǒng)之間由聚乙烯、KRS－5等適當(dāng)材料制成的窗口隔開。
本實(shí)用新型有如下有益效果。
本光學(xué)傳輸裝置結(jié)構(gòu)緊湊、工作波段寬、無色散、距離遠(yuǎn)、損耗小、照度高、并滿足了弱信號(hào)檢測(cè)、強(qiáng)磁場(chǎng)、深低溫、機(jī)械以及安裝調(diào)試和方便使用等要求。
本實(shí)用新型用成象元件與非成象元件有機(jī)地結(jié)合，克服了單一的采用光管或采用反射鏡的組成傳輸裝置的缺點(diǎn)，成功地將傅里葉變換紅外光譜儀和杜瓦超導(dǎo)磁體聯(lián)接，該系統(tǒng)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)12特斯拉；光譜工作波段從1微米至8毫米，實(shí)際測(cè)定傳輸效率達(dá)30％以上。同時(shí)還進(jìn)一步將傅里葉變換紅外磁光光譜測(cè)試與紅外激光磁光光譜測(cè)試合為一套系統(tǒng)，既能以固定磁場(chǎng)強(qiáng)度、光譜掃描的模式工作；又能以固定入射光波長(zhǎng)，磁場(chǎng)掃描的模式工作，因而能適用于各種物理問題的要求，并使以激光激發(fā)引起的分譜磁光光譜測(cè)量成為可能。另外又用三級(jí)光錐組合的方法把樣品架做得結(jié)構(gòu)緊湊、靈活方便，得以使用具有高探測(cè)率的半導(dǎo)體紅外探測(cè)器。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。


圖1為由本實(shí)用新型光學(xué)傳輸裝置組成的傅里葉變換紅外磁光光譜測(cè)試系統(tǒng)示意圖。圖中1－5為由反射鏡組成的成象光學(xué)系統(tǒng)，6為光學(xué)窗口，7為真空套筒，8為光管，9為三級(jí)光錐組合，10為樣品，11為半導(dǎo)體紅外探測(cè)器，12為低溫杜瓦超導(dǎo)磁體，13為傅里葉變換紅外光譜儀。
圖2為位于低溫杜瓦超導(dǎo)磁場(chǎng)中的三級(jí)光錐組合9、樣品10及半導(dǎo)體紅外探測(cè)器11的放大示意圖。
圖3是本光學(xué)傳輸裝置光學(xué)傳輸效率的檢驗(yàn)曲線，光譜曲線14是在光譜儀樣品室中測(cè)出的，光譜曲線15是在樣品錐后測(cè)出的。
本實(shí)用新型是用來把傅里葉變換紅外光譜儀與杜瓦超導(dǎo)體聯(lián)接起來組成磁光光譜測(cè)試系統(tǒng)。超導(dǎo)磁體一般包括低溫杜瓦、超導(dǎo)磁體、電源、控制裝置、失超保護(hù)裝置、安全裝置、液面測(cè)量、溫度測(cè)量、液氦輸液管、氦氣回收管道及其他輔助設(shè)備。磁體本身是分別用NbTi和Nb3Sn多股超導(dǎo)線繞制的內(nèi)外兩個(gè)同軸螺線管，內(nèi)腔有效直徑40毫米，能提供的最高穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)與磁體溫度有關(guān)，4.2K時(shí)為11特斯拉，2.2K時(shí)為12特斯拉。這種螺線管的磁體和全封閉式杜瓦幾乎可以完全消除室溫?zé)彷椛鋵?duì)紅外測(cè)量的干擾，同時(shí)可以增加液氦容量，減少液氦蒸發(fā)，延長(zhǎng)工作時(shí)間。
本系統(tǒng)采用的傅里葉變換紅外光譜儀有著“模塊”結(jié)構(gòu)，主機(jī)的光源室、干涉室、樣品室、探測(cè)器室彼此分立，當(dāng)把它組織到磁光源系統(tǒng)中去時(shí)，只要在樣品室中增置光學(xué)元件就可以對(duì)干涉光束重新處理并引導(dǎo)出光譜儀，而其他部件都不受觸動(dòng)。這種儀器的主要光學(xué)元部件都在計(jì)算機(jī)控制之下并用鍵盤操作，幾秒鐘就可以從一個(gè)光譜區(qū)變換到另一個(gè)光譜區(qū)工作，這也正是磁光測(cè)試所需要的。
參見圖1和圖2，從光譜儀樣品室至光管頂端的窗口6是成象光學(xué)系統(tǒng)，從窗口至探測(cè)器是非成象光學(xué)系統(tǒng)。成象光學(xué)系統(tǒng)由反射鏡1－5組成。其中反射鏡2是準(zhǔn)直反射鏡，把光譜儀發(fā)散的干涉光束變?yōu)槠叫泄庖岳L(zhǎng)距離傳播；另一面反射鏡5是會(huì)聚反射鏡，把平行光束聚焦到光導(dǎo)管上的窗口，此外還有三面用來折射光束方向的反射鏡?？偣彩俏鍓K，其具體情況簡(jiǎn)述如下反射鏡1為轉(zhuǎn)折反射鏡，形狀φ20毫米，曲率半徑∞；反射鏡2為準(zhǔn)直反射鏡，形狀φ80毫米，曲率半徑549.58毫米；反射鏡3為中繼反射鏡，形狀φ85毫米，曲率半徑∞；反射鏡4為矩形反射鏡，形狀190毫米×100毫米，曲率半徑∞；反射鏡5為會(huì)聚反射鏡，形狀φ110毫米，曲率半徑950毫米。每個(gè)光學(xué)反射鏡的f數(shù)都設(shè)計(jì)得小于光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的f數(shù)3.7，使之能夠包容軸外有效視場(chǎng)的光線，讓光譜儀輸出的光束全部通過這一裝置。同時(shí)，合理配置各反射鏡的相對(duì)位置及選擇適當(dāng)?shù)墓馊肷浣且詼p小軸外象差。整個(gè)成象光學(xué)系統(tǒng)的線放大率決定于準(zhǔn)直反射鏡與會(huì)聚反射鏡的焦點(diǎn)光斑之比，等于1.73。成象光束的會(huì)聚角為4.4°，焦點(diǎn)光斑直徑約12.3毫米。
非成象系統(tǒng)實(shí)際上構(gòu)成了樣品架，在圖1和圖2中畫出的是用來作磁一透射光譜測(cè)量的，自上而下由光學(xué)窗口6、光管8、樣品錐、過渡腔、中繼錐、會(huì)聚錐、輻射收集腔等七個(gè)主要元件組成，此外還有電纜、真空閥、安全閥及聯(lián)接這些元部件的機(jī)械零件。樣品緊貼于樣品錐出射的小口，并正落在磁場(chǎng)中心，鍺或硅測(cè)輻射熱計(jì)安裝在最下面的聚光腔中并處于超導(dǎo)螺旋管之外以減弱磁場(chǎng)對(duì)其性能的影響。如果使用碳測(cè)輻射熱計(jì)則不用過渡腔及中繼錐，只要把它連同聚光腔緊接裝在樣品錐之下就行了。因?yàn)樗艌?chǎng)系數(shù)極小。這里所說的樣品錐、過渡腔、中繼錐、會(huì)聚錐及輻射收集腔即組成所謂的三級(jí)光錐組合9。
光管8是一種內(nèi)表面拋光成鏡面的空心金屬管，本實(shí)用新型選用黃銅作光管，管長(zhǎng)1200毫米，內(nèi)徑12.5毫米，略大于成象系統(tǒng)焦點(diǎn)處光斑。光束經(jīng)過光管光線的傾角基本不變。因此，樣品光錐的大端口徑直徑取為12.5毫米。小端口直徑定為2毫米，錐角8.58°，長(zhǎng)70毫米。
入射光在光錐內(nèi)表面反射一次其入射角就增加半錐角的兩倍，相對(duì)于錐軸的傾角也隨之增加，這就意味著發(fā)散光束通過反射出光錐時(shí)增加到64.6°，為提高照度可以把樣品緊貼在光錐小口上。但探測(cè)器即使用碳測(cè)輻射熱計(jì)也不得不離開小口一點(diǎn)距離。這樣一來就勢(shì)必有相當(dāng)一部分輻射不能到達(dá)探測(cè)器。為解決這個(gè)問題，專門設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)部呈圓徑6毫米高6毫米的圓柱狀的輻射收集腔，這種腔比球狀積分室加工方便，容易拋光。把探測(cè)器裝在里面聯(lián)接于光錐小口之下就會(huì)使未直接投射到光敏面上的光經(jīng)腔壁多次反射后仍為探測(cè)器所接收。
在使用半導(dǎo)體鍺、硅測(cè)輻射熱計(jì)的情況下，需要把穿越樣品錐和透過樣品的光再繼續(xù)傳輸130毫米遠(yuǎn)的距離到達(dá)置于磁體之外的探測(cè)器上。因此時(shí)光束發(fā)散已達(dá)64.6°，如用光管傳輸，在130毫米內(nèi)反射次數(shù)過多，光學(xué)效率太低，故用一個(gè)中繼光錐將光束復(fù)原，再接一會(huì)聚光錐，兩錐參數(shù)基本與樣品錐相同，這樣，總共經(jīng)十四次反射就可以達(dá)到探測(cè)器，光學(xué)效率大大提高，這就是本實(shí)用新型選用三級(jí)光錐的原因。
本實(shí)用新型試樣的全部元件經(jīng)逐個(gè)檢驗(yàn)再裝成系統(tǒng)之后，又從光學(xué)、真空、低溫、機(jī)械等方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體檢驗(yàn)。特別在光學(xué)方面作了反復(fù)檢驗(yàn)，圖3是本光學(xué)傳輸裝置光學(xué)傳輸效率的檢驗(yàn)曲線。曲線14是室溫下用熱釋電探測(cè)器在光譜儀樣品室中測(cè)出的干涉光束的光譜曲線；曲線15是干涉光束通過成象系統(tǒng)、光管、樣品錐后的光譜曲線。比較兩個(gè)光譜可以看出，其形狀非常相象，說明經(jīng)這一裝置的傳輸沒使干涉光束的光譜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而保證了用于磁光光譜測(cè)試的可靠性，兩光譜強(qiáng)度的變化反映了本裝置的傳輸效率，可達(dá)30％以上，其結(jié)果與理論估算的37％基本一致。
本裝置已加工了樣機(jī)，并經(jīng)試用，成功地進(jìn)行了多種半導(dǎo)體物理問題的實(shí)驗(yàn)研究。
權(quán)利要求1.一種用于傅里葉磁光測(cè)試的光學(xué)傳輸裝置，包括成象光學(xué)元件和光管等非成象元件，其特征在于a)整個(gè)裝置全部由反射光學(xué)元件組成；b)在杜瓦內(nèi)的傳輸采用非成象元件光管和光錐；c)在杜瓦外的傳輸采用成象光學(xué)元件反射鏡；d)選用光譜響應(yīng)寬、探測(cè)率高、液氦冷卻工作的鍺、硅或碳測(cè)輻射熱計(jì)作為紅外探測(cè)器安裝于樣品附近適當(dāng)位置的輻射收集腔內(nèi)，與光錐組合成一個(gè)統(tǒng)一的樣品架；e)光學(xué)成象元件與光譜儀聯(lián)成一體，并用光譜儀的真空泵將這一附加的部件與光譜儀樣品室一起抽真空；非成象光學(xué)元件則單獨(dú)用另一真空泵抽真空或再充以交換氣體；f)成象光學(xué)部件與非成象光學(xué)部件之間有聚乙烯或KRS-5材料的光學(xué)窗口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所規(guī)定的一種用于傅里葉磁光測(cè)試的光學(xué)傳輸裝置，其特征在于所說的杜瓦內(nèi)的傳輸采用的非成象元件的光錐采用由樣品錐、過濾腔、中繼錐、會(huì)聚錐和輻射收集腔組成的三級(jí)光錐組合(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所規(guī)定的用于傅里葉磁光測(cè)試的光學(xué)傳輸裝置，其特征在于所說的杜瓦外的傳輸成象光學(xué)元件由轉(zhuǎn)折反射鏡、準(zhǔn)直反射鏡、中繼反射鏡、矩形反射鏡及會(huì)聚反射鏡所組成；其中準(zhǔn)直反射鏡把發(fā)散的干涉光束變?yōu)槠叫泄猓瑫?huì)聚反射鏡是把平行光聚焦到光導(dǎo)管窗口上，其余三面反射鏡用來折射光束方向。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種用于傅里葉磁光測(cè)試的光學(xué)傳輸裝置。用傳統(tǒng)反射鏡光學(xué)元件與光管、光錐等相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)了紅外干涉光束長(zhǎng)距離、高效率、寬波段傳輸。成功地把傅里葉變換紅外光譜儀與杜瓦超導(dǎo)磁體聯(lián)接起來；又用三級(jí)光錐組合的方法把樣品架做得結(jié)構(gòu)緊湊、靈活方便，得以使用具有很高探測(cè)率的半導(dǎo)體紅外器件。所組成的紅外磁光光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光能傳輸效率和磁場(chǎng)強(qiáng)度都得到很大提高。
文檔編號(hào)G01J3/28GK2166469SQ9322629
公開日1994年5月25日 申請(qǐng)日期1993年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月7日
發(fā)明者劉普霖, 史國(guó)良, 陸衛(wèi), 王培剛, 沈?qū)W礎(chǔ) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所