同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的系统和方法。该系统包括通过光路连接的激光光源系统、迈克尔逊菲索干涉系统、温控系统和数据采集系统；激光光源系统包括激光器、扩束镜或准直器，迈克尔逊菲索干涉系统包括45

System and method for simultaneously measuring thermal expansion coefficient and temperature refractive index coefficient of objects

【技术实现步骤摘要】
同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的系统和方法


[0001]本专利技术涉及材料热变形测量
，尤其涉及一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的系统和方法。

技术介绍

[0002]对透光材料施加温度场后，材料内部原理排列有序的分子会随温度改变间距，在宏观上表现为长度或体积发生变化。线性膨胀系数定义为材料在不同梯度的温度场作用下产生的长度或体积的相对变化量与其在原温度下的长度或体积之比，是材料基本特性参数之一。
[0003]热变形在微观上有两方面的表现。一方面为施加的温度场引起透光材料本身内部分子的排列结构发生改变；另一方面为由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的热应力。两者都会导致材料的某些光学性质发生改变，而折射率是最主要的光学参数之一。
[0004]光学镜片材料的线性膨胀系数的数量级大致在10
‑7‑
10
‑5范围内，光学材料热膨胀很微小，一般测量长度的工具因精度不高无法完成准确测量，无法同时测量透明物体受热时热膨胀系数和温度折射率的变化。
[0005]现有技术中的一种测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数方案的实验装置图如图1所示，样品与光路设计图如图2所示。此实验所用的样品由均匀各向同性的玻璃制成，如图2左图所示。图中，A是被切去一部分的玻璃圆柱体，上下表面基本平行；B和B
′
是2块也被切去一部分的圆形玻璃板，每块玻璃板的上下表面不平行。3块玻璃A、B、B
′
胶合成一体。胶的折射率与玻璃相同，厚度可以忽略不计。激光从上方射向样品，如图2中右图所示。
[0006]当激光从样品的双层面反射时，在屏上可以看到3个反射光斑，而且中间光斑有干涉条纹。它是由上薄玻璃板的下表面与下薄玻璃板的上表面2束反射光干涉形成的。这2束光的光程差为2L。如果对样品加热，设样品温度升高ΔL＝Lβ
·
ΔT(β为玻璃的热膨胀系数)，可以观测到干涉条纹移动了m1条。
[0007]当激光从样品的单层面反射时，在屏上只能看到1个有干涉条纹的光斑，它是由玻璃圆柱体的上下表面反射光的干涉形成的。这2束光的光程差为2nL。设加热时的干涉条纹移动了m2条。则有：
[0008][0009][0010]已知L和n，只要分别测得干涉条纹移动数m1、m2与温度T的关系，由m1－T，m2－T作图，就可以分别求得热膨胀系数β和折射率温度系数γ。
[0011]实验时，先将样品小心地滑入大铝块中间的样品腔中，同时插入温度传感器，然后将大铝块放在电炉上面，将它们放在升降台上。将激光器、升降台等放在光具座上。打开激
光电源，调节激光器和样品的位置，使激光从样品反射时，在屏上能看到3个反射光斑，中间1个有干涉条纹。开启电炉，对样品进行加热，加热到一定温度，关闭电炉，在样品自然降温过程中，测出干涉条纹数m1与温度T之间的关系。测完数据后，将样品旋转至另外一侧，在屏上可以看到1个有干涉条纹的光斑，同样对样品进行加热，在样品冷却过程中，测出干涉条纹数m2与温度T之间的关系。
[0012]上述现有技术中的一种测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数方案的缺点为：不能在同一温度变化过程中同时测量热膨胀系数和折射率温度系数，不能很好的探究二者的变化机理；只考虑等等厚干涉图样为条纹的状态，未考虑等倾干涉图样为圆斑的状态。

技术实现思路

[0013]本专利技术提供了一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的系统和方法，以实现能够在同一温度变化过程中同时测量物体的热膨胀系数和温度折射率系数。
[0014]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。
[0015]根据本专利技术的一个方面，提供了一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的系统，包括：通过光路连接的激光光源系统、迈克尔逊菲索干涉系统、温控系统和数据采集系统；
[0016]所述激光光源系统包括激光器、扩束镜或准直器，所述迈克尔逊菲索干涉系统包括45
°
半透半反镜、反射镜和待测物体；所述温控系统包括保温装置、加热装置和石英材料，所述石英材料作为实验基准面，所述保温装置和所述加热装置连接，所述待测物体放置在所述保温装置中，所述保温装置设置在石英垫片上，所述数据采集系统放置在所述45
°
半透半反镜的上方；
[0017]所述温控系统、所述45
°
半透半反镜和所述数据采集系统构成垂直方向的光路，所述激光器、所述扩束镜或准直器、所述45
°
半透半反镜和所述反射镜构成水平方向的光路。
[0018]优选地，通过调节激光器、扩束镜或准直器的位置使激光器发出的激光准直打在45
°
半反射镜预留位置的中央，通过调节45
°
半反射镜的镜面角度使得45
°
半反射镜的水平入射光束和反射光束能重合；
[0019]反射镜到45
°
半反射镜的距离不等于45
°
半反射镜到石英材料基准面的距离。
[0020]优选地，激光器发射的激光透过扩束镜或准直器、45
°
半透半反镜后分为两束光，一束光通过反射镜、45
°
半透半反镜最终到达观察屏；另一束光由45
°
半透半反镜反射分别至待测物体上、下表面，分为两束光，这两束光再通过45
°
半透半反镜到达观察屏；
[0021]经反射镜反射的光束、经待测物体上表面反射的光束和经待测物体下表面反射的光束，这三束光在观察屏上两两产生干涉，在观察屏上产生圆环光斑或者条纹。
[0022]优选地，当激光系统为激光器和扩束镜时，形成的光源为点光源，且反射镜和样品表面完全垂直时为等倾干涉，其干涉光在观测屏上显示为圆环形的等倾干涉条纹；当激光系统为激光器和准直器时，形成的光源为平行光源，且反射镜和样品表面不垂直时是等厚干涉，其干涉光在观测屏上显示为以等厚交线为中心对称的直条纹。
[0023]优选地，当产生圆环光斑时，通过圆环光斑的吞吐数，计算得到待测物体上表面反射的光束的平移和折射率变化量；通过圆环光斑的圆心移动方向，计算待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化方向；通过圆环光斑的圆心移动距离，根据标定数据得到待测
物体上表面反射的光束的上表面角度变化大小；通过圆环光斑的圆环的形状的变化，可知待测物体反射的光束的不同位置的平移和折射率发生变化；
[0024]当产生条纹时，通过条纹的平移计算条纹级次的变化，计算得到上表面平移和折射率变化量；通过条纹的斜率改变，可知待测物体上表面反射的光束的角度发生变化；通过条纹的密度改变，计算的带待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化的大小；通过条纹的不同位置条纹的变化，计算得到待测物体上表面角度变化大小、上表面平移和折射率变化量。
[0025]优选地，对于具有各向异性的物体，激光系统采用激光器和准直器，使用等厚交线为中心对称的直条纹观本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的系统，其特征在于，包括：通过光路连接的激光光源系统、迈克尔逊菲索干涉系统、温控系统和数据采集系统；所述激光光源系统包括激光器、扩束镜或准直器，所述迈克尔逊菲索干涉系统包括45
°
半透半反镜、反射镜和待测物体；所述温控系统包括保温装置、加热装置和石英材料，所述石英材料作为实验基准面，所述保温装置和所述加热装置连接，所述待测物体放置在所述保温装置中，所述保温装置设置在石英垫片上，所述数据采集系统放置在所述45
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半透半反镜的上方；所述温控系统、所述45
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半透半反镜和所述数据采集系统构成垂直方向的光路，所述激光器、所述扩束镜或准直器、所述45
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半透半反镜和所述反射镜构成水平方向的光路。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过调节激光器、扩束镜或准直器的位置使激光器发出的激光准直打在45
°
半反射镜预留位置的中央，通过调节45
°
半反射镜的镜面角度使得45
°
半反射镜的水平入射光束和反射光束能重合；反射镜到45
°
半反射镜的距离不等于45
°
半反射镜到石英材料基准面的距离。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，激光器发射的激光透过扩束镜或准直器、45
°
半透半反镜后分为两束光，一束光通过反射镜、45
°
半透半反镜最终到达观察屏；另一束光由45
°
半透半反镜反射分别至待测物体上、下表面，分为两束光，这两束光再通过45
°
半透半反镜到达观察屏；经反射镜反射的光束、经待测物体上表面反射的光束和经待测物体下表面反射的光束，这三束光在观察屏上两两产生干涉，在观察屏上产生圆环光斑或者条纹。4.根据权利要求1所述的系统，当激光系统为激光器和扩束镜时，形成的光源为点光源，且反射镜和样品表面完全垂直时为等倾干涉，其干涉光在观测屏上显示为圆环形的等倾干涉条纹；当激光系统为激光器和准直器时，形成的光源为平行光源，且反射镜和样品表面不垂直时是等厚干涉，其干涉光在观测屏上显示为以等厚交线为中心对称的直条纹。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：当产生圆环光斑时，通过圆环光斑的吞吐数，计算得到待测物体上表面反射的光束的平移和折射率变化量；通过圆环光斑的圆心移动方向，计算待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化方向；通过圆环光斑的圆心移动距离，根据标定数据得到待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化大小；通过圆环光斑的圆环的形状的变化，可知待测物体反射的光束的不同位置的平移和折射率发生变化；当产生条纹时，通过条纹的平移计算条纹级次的变化，计算得到上表面平移和折射率变化量；通过条纹的斜率改变，可知待测物体上表面反射的光束的角度发生变化；通过条纹的密度改变，计算的带待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化的大小；通过条纹的不同位置条纹的变化，计算得到待测物体上表面角度变化大小、上表面平移和折射率变化量。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，对于具有各向异性的物体，激光系统采用激光器和准直器，使用等厚交线为中心对称的直条纹观察其不同方向上的热膨胀系数、温度折射率系数；对于具有各向同性的物体，激光系统采用激光器和扩束镜，使用圆环形的等倾干涉条纹观察其热膨胀系数、温度折射率系数。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述保温装置为圆柱形，扣放在石英垫片上，对保温装置的表面进行穿孔，孔径与光斑大小接近；所述加热装置包括加热片、控温器和温度探头，所述加热片贴在圆柱形不锈钢制品上，卡放在圆柱外壳中，所述加热片通过电线连接控温器进行加热，由温控器来调节加热片温度，所述温度探头由上部小孔深入圆柱外壳内部，将温度数据传回控温器。8.一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的方法，其特征在于，适用于权利要求1至7任一项所述的系统，所述方法包括：步骤(1)、在光学平台上安装该系统，将激光器固定在光学平台上，打开激光器电源，调节激光器的俯仰角，使激光器发出的激光平行于光学平台；步骤(2)、在光路中安装反射镜，调节反射镜使入射光束和反射光束重合，再挡住水平反射镜，安装45
°
半透半反镜并调节其镜面角度使得45
°
半透半反镜水平入射光束和反射光束能重合...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇琼，常迈，邹婕，许柏恺，王智，王亚平，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：