一种非接触式薄膜温度‑折射率测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种非接触式薄膜温度‑折射率测量装置及方法，该测量装置包括光源、光纤耦合器、第一凸透镜、第二凸透镜、参考板、温度加载器、光谱仪以及信号处理系统。参考板和被测薄膜均置于温度加载器内，温度加载器能够改变参考板和被测薄膜所处的温度。光谱仪能够得到被测薄膜前表面反射光、被测薄膜后表面反射光以及参考板反射光相互干涉的干涉光谱。信号处理系统能够计算得出被测薄膜所处的温度由T1变至T2后其折射率的变化量Δn

A non-contact temperature film refractive index measuring device and method

The invention discloses a non-contact temperature film refractive index measurement device and method, the measuring device comprises a light source, an optical fiber coupler, a first convex lens, a convex lens, second reference plate, temperature, spectrometer and signal processing system of loader. The reference plate and the measured film are both placed in the temperature loader, and the temperature loader can change the temperature of the reference plate and the measured film. The spectrometer can obtain the interference spectrum of the reflected light of the front surface of the measured film, the reflected light of the back surface of the measured film and the mutual interference of the reflected light of the reference plate. The signal processing system can calculate the refractive index change of the measured film at n from T1 to T2

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式薄膜温度-折射率测量装置及方法
本专利技术涉及光学干涉测量
，更具体地说，涉及一种非接触式薄膜温度-折射率测量装置及方法。
技术介绍
聚合物薄膜目前被广泛地应用于高新工业的多项领域，例如微机电系统中的隔热绝缘材料和航空航天设备中的力学涂层等。在使用过程中，聚合物薄膜通常处于温度变化的环境当中，而聚合物薄膜的力学和光学特性与自身温度有关，为了保证薄膜材料在温度变化环境下的力学和光学性能，需要进行相关的测量。温度变化下聚合物薄膜的力学和光学特性通常指温度-应变和温度-折射率，而温度-应变的测量又需要预知材料的温度-折射率，因此温度-折射率的测量就显得格外重要。目前常用的聚合物薄膜折射率的测量方法主要有测角法和反射法两大类。其中测角法主要利用光线在进入被测薄膜过程中入射角和折射角之间的关系对薄膜折射率进行测量，这种方法主要有最小偏向角法、直角照准法、自准直法和V棱镜折射仪法等，但是这种方法通常需要对被测材料进行加工，不适合在线测量。另外，反射方法主要利用光的干涉现象对光程进行测量，再结合其与薄膜厚度、折射率的关系，解调出被测样件的折射率。反射方法主要有法布里-珀罗干涉仪法、浸液法和光学相干层析法等，反射方法能够实现非接触式的无损测量，不损坏被测薄膜，但测量精度较低，通常只能达到10-4，且一些方法不能实现随着温度变化过程中薄膜自身结构的变化，进行测量，故无法用于研究材料的温度-折射率特性。综上所述，如何有效地提高薄膜温度导致的薄膜折射率变化量的测量精度，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的第一个目的在于提供一种非接触式薄膜温度-折射率测量方法，该非接触式薄膜温度-折射率测量方法的可以有效地提高薄膜温度导致的薄膜折射率变化量，本专利技术的第二个目的是提供一种非接触式薄膜温度-折射率测量装置。为了达到上述第一个目的，本专利技术提供如下技术方案：一种非接触式薄膜温度-折射率测量方法，包括：将来自光源的光分成强度相等的两束光；所述强度相等的两束光中的一束光依次穿过第一凸透镜和第二凸透镜后照射在所述被测薄膜上，所述强度相等的两束光中的另一束光依次穿过第一凸透镜和第二凸透镜后照射在参考板上；所述被测薄膜和所述参考板所处的温度为T1时，对从所述被测薄膜和参考板反射出的光进行光谱分析，计算得出被测薄膜的厚度d以及折射率n1；改变所述被测薄膜所处的温度，所述被测薄膜所处的温度由T1变至T2；计算得出所述被测薄膜所处的温度由T1变至T2后其折射率的变化量Δn1。优选地，上述非接触式薄膜温度-折射率测量方法中，计算得出被测薄膜的厚度d以及折射率n1，具体为：其中，n0为空气处于温度T1时的折射率，Λ1为处于温度T1的所述参考板前表面的光学长度，Λ2为处于温度T1的所述被测薄膜前表面的光学长度，Λ3为处于温度T1的所述被测薄膜后表面的光学长度。优选地，上述非接触式薄膜温度-折射率测量方法中，Λ1＝π·fk1,k1＝2π/λ1,λ1为从处于温度T1的所述参考板前表面反射出的光的光谱的波长；Λ2＝π·fk2,k2＝2π/λ2,λ2为从处于温度T1的所述被测薄膜前表面反射出的光的光谱的波长；Λ3＝π·fk3,k3＝2π/λ3,λ3为从处于温度T1的所述被测薄膜后表面反射出的光的光谱的波长。优选地，上述非接触式薄膜温度-折射率测量方法中，计算得出所述被测薄膜所处的温度由T1变至T2后其折射率的变化量Δn1，具体为：其中，ΔΛ1为温度由T1变至T2后所述参考板前表面的光学长度变化量；ΔΛ2为温度由T1变至T2后所述被测薄膜前表面的光学长度变化量；ΔΛ3为温度由T1变至T2后所述被测薄膜后表面的光学长度变化量；Δn0为温度由T1变至T2后空气折射率的变化量。一种非接触式薄膜温度-折射率测量装置，包括：光源；与所述光源的光输出端连接的光纤耦合器，且所述光纤耦合器能够将来自光源的光分成强度相等的两束光；第一凸透镜和第二凸透镜，且所述第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴重合设置；参考板，所述强度相等的两束光中的一束光依次穿过第一凸透镜和第二凸透镜后照射在所述被测薄膜上，所述强度相等的两束光中的另一束光依次穿过第一凸透镜和第二凸透镜后照射在参考板上；温度加载器，所述参考板和被测薄膜均置于所述温度加载器内，所述温度加载器能够改变所述参考板和被测薄膜所处的温度；光谱仪，其能够得到从所述被测薄膜的前表面反射出的光的光谱、从所述被测薄膜的后表面反射出的光的光谱以及从所述参考板反射出的光的光谱；信号处理系统，其能够根据所述光谱仪获得的光谱计算得出所述被测薄膜所处的温度由T1变至T2后其折射率的变化量Δn1。优选地，上述非接触式薄膜温度-折射率测量装置中，所述光源为低相干宽带光源。优选地，上述非接触式薄膜温度-折射率测量装置中，所述被测薄膜为环氧树脂薄膜或硅胶薄膜。本专利技术提供的非接触式薄膜温度-折射率测量方法，包括步骤：S1：将来自光源的光分成强度相等的两束光；即通过光源射出光，具体可以通过低相干宽带光源射出一束光，并将来自光源的光分成强度相等的两束光，具体可以通过光纤耦合器将来自光源的光分成强度相等的两束光，该两束光的强度均为光源射出的光强度的50％。S2：所述强度相等的两束光中的一束光依次穿过第一凸透镜和第二凸透镜后照射在所述被测薄膜上，所述强度相等的两束光中的另一束光依次穿过第一凸透镜和第二凸透镜后照射在参考板上；即步骤S1中得到的强度相等的两束光均依次穿过第一凸透镜和第二凸透镜，然后其中一束照射在被测薄膜上，另一束照射在参考板上。被测薄膜和参考板并排布置。S3：所述被测薄膜和所述参考板所处的温度为T1时，对从所述被测薄膜和参考板反射出的光进行光谱分析，计算得出被测薄膜的厚度d以及折射率n1；当被测薄膜和参考板所处的温度均为T1时，从被测薄膜反射出的光依次穿过第二凸透镜和第一凸透镜，对从被测薄膜反射出的且依次穿过第二凸透镜和第一凸透镜的光进行光谱分析；从参考板反射出的光依次穿过第二凸透镜和第一凸透镜，对从参考板反射出的且依次穿过第二凸透镜和第一凸透镜的光进行光谱分析；最终计算得出被测薄膜的厚度d以及被测薄膜所处温度为T1时的折射率n1。具体可以使用光谱仪对从所述被测薄膜和参考板反射出的光进行光谱分析，从被测薄膜反射出的光依次穿过第二凸透镜和第一凸透镜后再经过光纤耦合器进入光谱仪中，同样地，从参考板反射出的光依次穿过第二凸透镜和第一凸透镜后再经过光纤耦合器进入光谱仪中。S4：改变所述被测薄膜所处的温度，所述被测薄膜所处的温度由T1变至T2；具体地，可以将被测薄膜置于温度加载器中，通过温度加载器改变被测薄膜所处的温度，使被测薄膜所处的温度由T1变至T2。S5：计算得出被测薄膜所处的温度由T1变至T2后其折射率的变化量Δn1。最后，根据温度由T1变至T2后，被测薄膜前表面光程差、被测薄膜后表面光程差、参考板前表面的光程差、被测薄膜的厚度以及空气折射率计算得出被测薄膜所处的温度由T1变至T2后其折射率的变化量Δn1。为了达到上述第二个目的，本专利技术还提供了一种非接触式薄膜温度-折射率测量装置，该非接触式薄膜温度-折射率测量装置包括光源、光纤耦合器、第一凸透镜、第二凸透镜、参考板、温度加载器、光谱仪以及信号处理系统。其中，光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非接触式薄膜温度‑折射率测量方法，其特征在于，包括：将来自光源的光分成强度相等的两束光；所述强度相等的两束光中的一束光依次穿过第一凸透镜(3)和第二凸透镜(4)后照射在所述被测薄膜(7)上，所述强度相等的两束光中的另一束光依次穿过第一凸透镜(3)和第二凸透镜(4)后照射在参考板(5)上；所述被测薄膜(7)和所述参考板(5)所处的温度为T

【技术特征摘要】
1.一种非接触式薄膜温度-折射率测量方法，其特征在于，包括：将来自光源的光分成强度相等的两束光；所述强度相等的两束光中的一束光依次穿过第一凸透镜(3)和第二凸透镜(4)后照射在所述被测薄膜(7)上，所述强度相等的两束光中的另一束光依次穿过第一凸透镜(3)和第二凸透镜(4)后照射在参考板(5)上；所述被测薄膜(7)和所述参考板(5)所处的温度为T1时，对从所述被测薄膜(7)和参考板(5)反射出的光进行光谱分析，计算得出被测薄膜(7)的厚度d以及折射率n1；改变所述被测薄膜(7)所处的温度，所述被测薄膜(7)所处的温度由T1变至T2；计算得出所述被测薄膜(7)所处的温度由T1变至T2后其折射率的变化量Δn1。2.根据权利要求1所述的非接触式薄膜温度-折射率测量方法，其特征在于，计算得出被测薄膜(7)的厚度d以及折射率n1，具体为：其中，n0为空气处于温度T1时的折射率，Λ1为处于温度T1的所述参考板(5)前表面的光学长度，Λ2为处于温度T1的所述被测薄膜(7)前表面的光学长度，Λ3为处于温度T1的所述被测薄膜(7)后表面的光学长度。3.根据权利要求2所述的非接触式薄膜温度-折射率测量方法，其特征在于，Λ1＝π·fk1,k1＝2π/λ1,λ1为从处于温度T1的所述参考板(5)前表面反射出的光的光谱的波长；Λ2＝π·fk2,k2＝2π/λ2,λ2为从处于温度T1的所述被测薄膜(7)前表面反射出的光的光谱的波长；Λ3＝π·fk3,k3＝2π/λ3,λ3为从处于温度T1的所述被测薄膜(7)后表面反射出的光的光谱的波长。4.根据权利要求1所述的非接触式薄膜温度-折射率测量方法，其特征在于，计算得出所述被测薄膜(7)所处的温度由T1变至T2后其折射率的变化量Δn1，具体为：

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡宇，陈林雄，黄家豪，董博，何昭水，谢胜利，周延周，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44