本发明专利技术公开了一种材料相变检测装置及方法，属于光学技术领域，其装置包括依次设置的激光器、光阑、半波片、第一透镜、第一格兰偏振镜、反射棱镜架、第二格兰偏振镜、第二透镜和激光光束分析仪CCD。本发明专利技术通过简单观测激光光束分析仪CCD上面的光斑变化和数值差异就能分辨该相变材料的相变情况。辨该相变材料的相变情况。辨该相变材料的相变情况。
A material phase change detection device and method
【技术实现步骤摘要】
一种材料相变检测装置及方法
[0001]本专利技术属于光学
，具体涉及一种材料相变检测装置及方法。
技术介绍
[0002]伴随着人类探索脚步的不断迈进，各式新型功能材料也得到了日益发展。充分探究现有材料的本质并发挥其性能，不断开拓新型材料种类和新型材料研究方法是实现材料研究可持续发展的根本途径。以二氧化钒(VO2)为代表的具有相变特性的功能材料逐渐受到诸多科研工作者的青睐。VO2的这种金属
‑
绝缘体转变可以在多种外界刺激下产生，比如激光、电场、应力以及研究最为广泛的温度变化。一般来说，电学测定法测定相变过程会受到衬底选择的影响，选择导电性强的材料会导致测定效果不佳，无法准确分辨其相变过程和相变前后的状态，且噪声影响较大，然而，使用光学方法来研究材料相变的过程有助于避开相变材料薄膜的外部影响，由于VO2相变前后光学性质的改变，使得其存在相变前后巨大的红外透过率差异，这也是其应用在超材料、智能节能窗、红外隐身等领域的关键所在，但是由于除检测光源存在不可视等因素外，透射监测本身也对薄膜衬底的光透过性也有要求，而且，光的透过率监测方法也不可避免地涉及光路中器件的手动调整，例如通光孔、薄膜以及加热片的组合等，导致操作过程存在较大的人为因素干扰。因此存在由于外部因素导致检测失效的可能。在材料分析和材料设计的一些应用中，迫切需要对相变材料相变过程进行高精度和实时、非接触监测的方法。
技术实现思路
[0003]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种材料相变检测装置及方法。
[0004]本专利技术的技术方案是：一种材料相变检测装置包括依次设置的激光器、光阑、半波片、第一透镜、第一格兰偏振镜、反射棱镜架、第二格兰偏振镜、第二透镜和激光光束分析仪CCD；
[0005]激光器用于发出波长为632.8纳米的激光；光阑用于限制激光的杂散光；半波片用于调节经限制杂散光后的激光光强；第一透镜用于聚焦调节激光光强后的激光光束；第一格兰偏振镜用于对聚焦后的激光光束进行预选，并将预选后的激光光束照射至反射棱镜架；反射棱镜架利用相变介质材料薄膜对激光光束进行全反射，耦合自旋分裂；第二格兰偏振镜和第二透镜用于对自旋分裂后的激光分量进行干涉，放大观测量；激光光束分析仪CCD用于显示光斑以及读取位移。
[0006]进一步地，反射棱镜架通过电热硅胶和热粘附层与棱镜反射斜面粘贴，为相变介质材料薄膜加热。
[0007]进一步地，反射棱镜架利用相变介质材料薄膜对激光光束进行全反射的入射角为76.2
°
。
[0008]进一步地，激光器发出的激光为水平偏振的高斯光束，高斯光束的角谱的表达式为：
[0009][0010]其中，i表示入射光波，k
ix
表示入射波矢的x分量，k
iy
表示入射波矢的y分量，e
ix
表示经由欧拉公式将原角谱表达式简化后的指数型表达式，σ表示左右圆偏振光，w0表示束腰宽度，exp(
·
)表示指数运算。
[0011]进一步地，激光器发出的激光入射至第一格兰偏振镜(5)的偏振态|H>的表达式为：
[0012][0013]其中，|+>和|
‑
>表示两个本征的量子态。
[0014]进一步地，反射棱镜架利用相变介质材料薄膜对激光光束进行全反射的光束角谱反射矩阵M
R
的表达式为：
[0015][0016]其中，r
pp
表示入射p偏振光反射p偏振光的波反射系数，r
ps
表示入射p偏振光反射s偏振光的波反射系数，r
sp
表示入射s偏振光反射p偏振光的波反射系数，r
ss
表示入射s偏振光反射s偏振光的波反射系数，k
ry
表示反射波函数的y方向分量，k0表示波矢，θ
i
表示入射角。
[0017]进一步地，激光光束分析仪CCD读取的位移δ
w
的表达式为：
[0018][0019][0020][0021][0022]其中，表示光路放大的倍数，δ表示未经光路放大的本征光束位移，z表示第二透镜的有效焦距，r
p
表示p偏振光反射系数，r
s
表示s偏振光反射系数，z
r
表示光束的瑞利距离，Δ表示前后选择态的差值态，k0表示波矢，θ
i
表示入射角，λ0表示激光源的激光波长，w0表示束腰半径，ψ
f
表示后选择态。
[0023]本专利技术的有益效果是：本专利技术能够针对不便于利用常规电学手段进行检测的相变物质相变过程的分辨。利用光自旋霍尔效应装置，将未知属性的待测样品材料放置于激光反射棱镜处。利用光自旋霍尔效应为指针，当未对待测样品进行升温操作时，调试最初的光斑为对称光斑，记录此时的光斑重心位置，并设定此时的初始位移为0；当逐步升温并保持
恒温时，光斑将会向某一方向倾斜，光斑将不再对称，此时的位移将为正或负。采用所用的激光光束分析仪CCD，记录不同温度下的光斑重心位置，该位置的数值与初始光斑重心位置的差值即为此时的相变导致的光束位移。
[0024]基于以上系统，本专利技术还提出一种材料相变检测方法，包括以下步骤：
[0025]S1：利用超声波清洗待检测相变材料薄膜，并利用折射率匹配液将待检测相变材料薄膜黏在反射棱镜上；
[0026]S2：利用反射棱镜架将待检测相变材料薄膜加热至初始温度30℃；
[0027]S3：开启激光器，调节半波片、第一格兰偏振镜和第二格兰偏振镜，以使激光光束分析仪CCD上呈现对称且无杂斑的两个光斑，记录当前时刻的纵坐标，并将当前时刻的纵坐标作为零点；
[0028]S4：利用反射棱镜架按照每次3℃的梯度大小将初始温度30℃提高至设定温度80℃；
[0029]S5：在加热至设定温度80℃时保持恒温5分钟，并利用激光光束分析仪CCD进行光斑显示以及读取纵坐标位移。
[0030]本专利技术的有益效果是：本专利技术通过简单观测激光光束分析仪CCD上面的光斑变化和数值差异就能分辨该相变材料的相变情况。
附图说明
[0031]图1为材料相变检测装置的结构图；
[0032]图2为材料相变检测方法的流程图；
[0033]图3(a)表示实验测得的是某样品方阻与温度的关系曲线图；
[0034]图3(b)表示基于实验测试的结果理论计算得出的样品电导率与电阻率与温度的关系曲线图；
[0035]图3(c)表示利用本方法对该样品相变过程的位移值曲线图；
[0036]图3(d)表示不同相变过程中由激光光束分析仪CCD记录的光束轮廓图；
[0037]图中，1、激光器；2、光阑；3、半波片；4、第一透镜；5、第一格兰偏振镜；6、反射棱镜架；7、第二格兰偏振镜；8、第二透镜；9、激光光束分析仪CCD。
具体实施方式<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种材料相变检测装置，其特征在于，包括依次设置的激光器(1)、光阑(2)、半波片(3)、第一透镜(4)、第一格兰偏振镜(5)、反射棱镜架(6)、第二格兰偏振镜(7)、第二透镜(8)和激光光束分析仪CCD(9)；所述激光器(1)用于发出波长为632.8纳米的激光；所述光阑(2)用于限制激光的杂散光；所述半波片(3)用于调节经限制杂散光后的激光光强；所述第一透镜(4)用于聚焦调节激光光强后的激光光束；所述第一格兰偏振镜(5)用于对聚焦后的激光光束进行预选，并将预选后的激光光束照射至反射棱镜架(6)；所述反射棱镜架(6)利用相变介质材料薄膜对激光光束进行全反射，耦合自旋分裂；所述第二格兰偏振镜(7)和第二透镜(8)用于对自旋分裂后的激光分量进行干涉，放大观测量；所述激光光束分析仪CCD(9)用于显示光斑以及读取位移。2.根据权利要求1所述的材料相变检测装置，其特征在于，所述反射棱镜架(6)通过电热硅胶和热粘附层与棱镜反射斜面粘贴，为相变介质材料薄膜加热。3.根据权利要求1所述的材料相变检测装置，其特征在于，所述反射棱镜架(6)利用相变介质材料薄膜对激光光束进行全反射的入射角为76.2
°
。4.根据权利要求1所述的材料相变检测装置，其特征在于，所述激光器(1)发出的激光为水平偏振的高斯光束，所述高斯光束的角谱的表达式为：其中，i表示入射光波，k
ix
表示入射波矢的x分量，k
iy
表示入射波矢的y分量，e
ix
表示经由欧拉公式将原角谱表达式简化后的指数型表达式，σ表示左右圆偏振光，w0表示束腰宽度，exp(
·
)表示指数运算。5.根据权利要求1所述的材料相变检测装置，其特征在于，所述激光器(1)发出的激光入射至第一格兰偏振镜(5)的偏振态|H>的表达式为：其中，|+>和|
‑
>表示两个本征的量子态。6.根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐婷婷，唐榆傑，梁潇，李杰，刘波，彭穗，
申请(专利权)人：攀钢集团研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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