[发明专利]一种测量介质热光系数和热膨胀系数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学测量技术，尤其是涉及一种测量介质热光系数和热膨胀系数的装置及方法。

背景技术

热光效应是指介质的折射率随温度的变化而改变的现象；热膨胀效应是指介质的体积随温度的变化而改变的现象。热光效应应用范围较广，如热光效应光开关是目前研究较多，应用价值较高的一种光开关技术。与机械式光开关相比，热光效应光开关具有稳定性好、尺寸小、易于集成等优点，且适合大规模生产。可以预计，伴随着全光网络的发展及OADM(Optical Add-Drop Multiplexer，光分插复用器)、OXC(optic crossconnection，光交叉连接)的应用需求，高性能的基于热光技术的光开关产品将在光网络中得到更广泛的应用。热膨胀效应是自然界的普遍现象，材料的热胀冷缩的性质成为建筑、工程应用、机械加工等领域必须加以考虑的问题，特别是薄膜材料的热变形对精密加工的精度等级有非常重要的影响。随着材料科学技术的发展，人们对材料的要求越来越高，材料的热光系数和热膨胀系数有时成为衡量材料性能的重要指标。因此，研究介质的热光系数和热膨胀系数的测量装置及方法具有重要意义。

目前，测量介质热光系数的方法有使用Abbe折射仪的测量方法、基于椭偏原理的测量方法、棱镜耦合测量方法等。但是这些测量方法均存在一些缺点，如使用Abbe折射仪进行测量，必须把待测介质置于某种液体材料中，且该液体材料的折射率大小必须保持在待测介质的折射率和棱镜的折射率之间，这一条件限制了实验中可用Abbe折射仪测量的待测介质的折射率最高为1.81；基于椭偏原理的测量方法，其测量过程相对比较简单，但是计算过程复杂，难以从测量值直接得到介质的热光系数；棱镜耦合测量方法是基于光在介质波导中的传输特性，测量过程中需要非常精确的角度测量，角度误差直接影响到测量精度，所以对测量仪器的机械精密度要求很高，此外，样品温度的控制也不容易操作。对于材料热膨胀系数的测量，目前多数采用电阻线圈加热的接触式测量方法，如把材料制成约0.5-1.0m长的棒，置于恒温电炉加热然后测量棒的微小伸长量，从而求得材料的热膨胀系数，显然这种方法有很大的局限性。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种结构紧凑、操作简单、测量精度高的测量介质热光系数和热膨胀系数的装置。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种计算过程简单、测量精度高的测量介质热光系数和热膨胀系数的方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种测量介质热光系数和热膨胀系数的装置，包括底座、光源组件和条纹观测组件，所述的底座上设置有支架、由金属材料制成的中空样品台、加热装置和温度测量装置，所述的光源组件和所述的条纹观测组件活动连接在所述的支架上，所述的样品台上置放有试样，所述的加热装置包括电源、恒温调节控制器和电热器件，所述的恒温调节控制器与所述的电热器件连接，所述的电热器件置放在所述的样品台内，所述的温度测量装置分别与所述的样品台和所述的恒温调节控制器连接。

所述的金属材料为导热性能良好的金属材料。

所述的试样包括衬底薄片和沉积在所述的衬底薄片上的待测介质膜，所述的衬底薄片与所述的样品台的正表面平整接触。

所述的衬底薄片为一面为毛面且另一面为抛光面的毛玻璃片，所述的待测介质膜沉积在所述的抛光面上，所述的毛面与所述的样品台的正表面紧密平整接触。

所述的光源组件包括第一底盘，所述的第一底盘周边设置有角度标度值，所述的第一底盘上设置有第一可旋转动片，所述的第一可旋转动片上设置有光源、光扩束器、第一凸透镜、第一螺旋及第一校准线，所述的第一校准线位于所述的光源、所述的光扩束器及所述的第一凸透镜的光轴上，所述的光源为单色光源。

所述的条纹观测组件包括第二底盘，所述的第二底盘周边设置有角度标度值，所述的第二底盘上设置有第二可旋转动片，所述的第二可旋转动片上设置有螺旋测微目镜、第二凸透镜、第二螺旋及第二校准线，所述的第二校准线位于所述的螺旋测微目镜及所述的第二凸透镜的光轴上，所述的螺旋测微目镜位于所述的第二凸透镜的焦平面上。

所述的温度测量装置包括热敏探头和与所述的热敏探头连接的温度探测器，所述的热敏探头连接在所述的样品台的正表面上并靠近所述的试样，所述的温度探测器与所述的恒温调节控制器连接。

本发明解决上述另一个技术问题所采用的技术方案为：一种测量介质热光系数和热膨胀系数的方法，包括以下步骤：