一种测量介质热光系数和热膨胀系数的装置及方法

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种测量介质热光系数和热膨胀系数的装置，该装置包括底座1、光源组件2和条纹观测组件3，底座1上设置有支架4、由金属材料制成的中空样品台5、加热装置7(如图5a所示)和温度测量装置6。

支架4与底座1固定连接，支架4包括横支架41和两个竖支架42，横支架41的一端与其中一个竖支架42连接，横支架41的另一端与另一个竖支架42连接。光源组件2和条纹观测组件3活动连接在横支架41上，光源组件2和条纹观测组件3可在横支架41上左右移动。

光源组件2如图2所示，包括第一底盘16，第一底盘16周边设置有角度角度值(图中未示出)，第一底盘16上设置有第一可旋转动片10，第一可旋转动片10上设置有单色或准单色光源11、光扩束器12、第一凸透镜14、第一螺旋13及第一校准线15，第一凸透镜14的作用是产生平行光。第一校准线15位于光源11、光扩束器12及第一凸透镜14的光轴上。旋转第一螺旋13，通过第一校准线15可以方便的控制第一可旋转动片10旋转的角度。在此实施例中，要求光源11的光束对于待测介质是透明的。

条纹观测组件3如图3所示，包括第二底盘22，第二底盘22周边设置有角度角度值(图中未示出)，第二底盘22上设置有第二可旋转动片17，第二可旋转动片17上设置有螺旋测微目镜18、第二凸透镜19、第二螺旋20及第二校准线21，第二凸透镜19的作用是：由于平行光干涉条纹发生在无穷远处，所以可通过第二凸透镜19把干涉条纹移到螺旋测微目镜18处。第二校准线21位于螺旋测微目镜18及第二凸透镜19的光轴上。螺旋测微目镜18位于第二凸透镜19的焦平面上，这样，便于观测干涉条纹的移动。旋转第二螺旋20，通过第二校准线21可以方便的控制第二可旋转动片17旋转的角度。在本实施例中螺旋测微目镜18采用现有的技术，本发明采用螺旋测微目镜18的目的是为了测量待测介质膜在初始温度下的折射率和物理厚度。如果待测介质膜在初始温度下的折射率和物理厚度已知，这种情况下，本发明可以采用任意现有的显微目镜替代本实施例中的螺旋测微目镜18，只需观测待测介质膜的任意固定位置上干涉条纹的移动，计算得到待测介质膜的热光系数和热膨胀系数。

样品台5上置放有试样8，试样8如图4a所示，包括衬底薄片81和沉积在衬底薄片81上的待测介质膜82，衬底薄片81为一单面抛光的毛玻璃片即一面为毛面且另一面为抛光面的毛玻璃片，采用常规制膜工艺将待测介质膜82沉积在抛光面上，毛面与样品台5的正表面紧密平整接触。

本实施例的待测介质膜82直接沉积在单面抛光的毛玻璃片上形成试样8，然后将毛玻璃片的毛面与样品台5的正表面紧密平整地接触和固定。这里，待测介质膜82的制备方式可采用真空蒸镀和涂覆成膜等常规制膜工艺，在制膜过程中，要求待测介质膜82平整，并准确控制待测介质膜82的厚度。此外，基于薄膜等倾干涉理论，选择单面抛光的毛玻璃片可以避免衬底薄片81产生干涉条纹，提高待测介质膜82产生的干涉条纹对比度。

样品台5如图4b所示，其由导热性能良好的金属材料制成，样品台5与底座1固定连接。本实施例中的样品台5也可以设计成只有一面即正面由导热性能良好的金属材料制成，此时，试样8就放置在正面上。

加热装置7如图5a所示，包括电源71、恒温调节控制器72和电热器件73，恒温调节控制器72与电热器件73连接，电热器件73置放在样品台5内，可通过支柱74将电热器件73固定在底座1上(如图4b所示)。在本实施例中，恒温调节控制器72采用现有技术，电热器件73可以是现有的电阻丝、电热片或电热板等。

温度测量装置6如图5b所示，包括热敏探头61和温度探测器62。在本实施例中，热敏探头61可以采用BaTiO₃陶瓷PTC热敏电阻器，热敏探头61紧贴连接在样品台5的正表面上，并靠近试样8放置，这样通过热敏探头61获取的温度更接近试样8的温度，因此，在本实施例中，将热敏探头61获取的温度作为试样8的温度。温度探测器62与恒温调节控制器72连接，温度探测器62可采用现有技术。

本发明装置的工作原理为：由光源11发出的光经光扩束器12扩束后照射到第一凸透镜14上，经第一凸透镜14出射的平行光再入射到待测介质膜82上，经待测介质膜82上下表面的反射，反射光由于满足干涉条件而发生干涉。由于待测介质膜82上下表面的反射光相互平行，所以待测介质膜82上下表面的反射光应该在无穷远处发生干涉，为此，条纹观测组件3通过第二凸透镜19把干涉条纹移到螺旋测微目镜18处，螺旋测微目镜18处于第二凸透镜19的焦平面上，这样便于观测条纹的移动。测量过程中，通过加热器件73改变样品台5的正表面的温度，从而改变试样8的温度，使得待测介质膜82的温度由从室温变化到另一温度，在这个过程中，有两个因素会导致待测介质膜82上下表面的反射光之间的光程差发生改变：一是由于热光效应，待测介质膜82的折射率发生改变，从而改变光程差；二是由于热膨胀效应，待测介质膜82的物理厚度发生改变，从而改变光程差。光程差的变化会直接引起干涉条纹的移动，在固定位置上移动过一个干涉条纹意味着光程差相应改变一个波长。因此，可以通过螺旋测微目镜18观测在固定位置上移动过的干涉条纹的数目来求得光程差的改变量，得到待测介质膜82的折射率改变量和厚度改变量。基于薄膜等倾干涉理论，通过改变光的入射角度和试样的温度，进行两次测量，就能同时测量得到待测介质的热光系数和热膨胀系数。

由上述原理给出本发明方法，具体步骤如下：

1)选择一单面抛光的毛玻璃片作为衬底薄片，采用制膜工艺在毛玻璃片的抛光面上沉积一层待测介质膜形成试样；将试样固定在样品台上使毛玻璃片的毛面与样品台的正表面紧密平整接触。

2)转动第一螺旋，使第一校准线对准第一设定角度值，第一设定角度值用θ1表示，打开光源，移动整个光源组件，使光源发出的光入射到待测介质膜上；转动第二螺旋，使第二校准线对准第一设定角度值，移动整个条纹观测组件，使条纹观测组件接收到干涉条纹场。

3)打开电源，开启恒温调节控制器，调节恒温调节控制器设定试样的初始温度为T₁，由恒温调节控制器控制加热器件对试样进行加热，通过温度测量装置监测试样的温度，试样的温度达到T₁后，由温度测量装置反馈信息给恒温调节控制器，恒温调节控制器接收到信息后控制加热器件使试样保持恒温；在温度T₁下，通过螺旋测微目镜观测干涉条纹场中待测介质膜的任意两条相邻干涉明条纹或者干涉暗条纹的表观间距a₁(如图6b所示的a)，同时通过螺旋测微目镜观察待测介质膜表面一固定位置上的干涉条纹；然后调节恒温调节控制器设定试样的最后温度为T₂，由恒温调节控制器控制加热器件对试样进行加热，使试样的温度由T₁开始缓慢升高，通过温度测量装置监测试样的温度，试样的温度达到T₂后，由温度测量装置反馈信息给恒温调节控制器，恒温调节控制器接收到信息后控制加热器件使试样保持恒温；在温度调节和试样加热过程中，观察待测介质膜表面在同一固定位置上移动过的干涉条纹并记录移动过的干涉条纹的数目，该数目用k₁表示；

此处固定位置是指当观察者通过螺旋测微目镜能够观察到干涉条纹时，由观察者主观确定的某个位置，在观察过程中均以这个位置为参照。

4)关闭恒温调节控制器，停止电热器件对试样的加热，等待试样的温度从T₂自然冷却到室温。

5)、再次转动第一螺旋，使第一校准线对准第二设定角度值，第二设定角度值用θ₂表示，打开光源，移动整个光源组件，使光源发出的光入射到待测介质膜上；转动第二螺旋，使第二校准线对准第二设定角度值，移动整个条纹观测组件，使条纹观测组件接收到干涉条纹场。

6)开启恒温调节控制器，调节恒温调节控制器设定试样的初始温度为T₁，由恒温调节控制器控制加热器件对试样进行加热，通过温度测量装置监测试样的温度，试样的温度达到T₁后，由温度测量装置反馈信息给恒温调节控制器，恒温调节控制器接收到信息后控制加热器件使试样保持恒温；在温度T₁下，通过螺旋测微目镜观测干涉条纹场中待测介质膜的任意两条相邻干涉明条纹或者干涉暗条纹的表观间距a₂(如图6b所示的a)，同时通过螺旋测微目镜观察待测介质膜表面一固定位置上的干涉条纹；然后调节恒温调节控制器设定试样的最后温度为T₂，由恒温调节控制器控制加热器件对试样进行加热，使试样的温度由T₁开始缓慢升高，通过温度测量装置监测试样的温度，试样的温度达到T₂后，由温度测量装置反馈信息给恒温调节控制器，恒温调节控制器接收到信息后控制加热器件使试样保持恒温；在温度调节和试样加热过程中，观察待测介质膜表面在同一固定位置上移动过的干涉条纹并记录移动过的干涉条纹的数目，该数目用k₂表示；

此处固定位置是指当观察者通过螺旋测微目镜能够观察到干涉条纹时，由观察者主观确定的某个位置，在观察过程中均以这个位置为参照。

7)由于光以θ角从折射率为n_a的介质入射至折射率为n_b的介质薄膜时，如图6a所示，介质薄膜上下表面的反射光f和g之间的光程差为：$\Delta =2h\sqrt{n_b^2-n_a^2{\sin }^2\theta }+(\frac{\lambda }{2},0),$式中，h为介质薄膜的物理厚度，的取值有两种情况：第一情况，当介质薄膜上下表面反射光之一有半波损失时，取第二情况，当介质薄膜上下表面反射光都有半波损失或都没有半波损失时，取0。半波损失是指当反射光从折射率小的介质(即光疏介质)入射到折射率大的介质(即光密介质)界面上，反射时有的附加光程。

根据以上介质薄膜上下表面的反射光f和g之间的光程差的表达式，可以获得任意两个入射角情况下对应不同温度的介质薄膜上下表面反射光之间的光程差，并根据薄膜等倾干涉理论，首先计算待测介质膜在温度T₁时的折射率n₁和物理厚度h₁，

$n_1=\sqrt{\frac{{\left(a_2\sin {\theta }_2\sin 2{\theta }_1\right)}^2-{\left(a_1\sin {\theta }_1\sin 2{\theta }_2\right)}^2}{{\left(a_2\sin 2{\theta }_1\right)}^2-{\left(a_1\sin 2{\theta }_2\right)}^2}},$$h_1=\frac{a_1\sqrt{n_1^2-{\sin }^2{\theta }_1}}{M\sin 2{\theta }_1},$a₁为在第一设定角度值θ₁和温度T₁下待测介质膜的任意两条相邻干涉明条纹或者干涉暗条纹的表观间距，a₂为在第二设定角度值θ₂和温度T₁下待测介质膜的任意两条相邻干涉明条纹或者干涉暗条纹的表观间距，M为螺旋测微目镜的放大倍数；然后计算待测介质膜在温度T₂时的折射率n₂和物理厚度h₂，

$n_2=\frac{\sqrt{(k_1^2{\sin }^2{\theta }_2-k_2^2{\sin }^2{\theta }_1){\lambda }^2+4\lambda h_1(k_1{\sin }^2{\theta }_2\sqrt{n_1^2-{\sin }^2{\theta }_1}-k_2{\sin }^2{\theta }_1\sqrt{n_1^2-{\sin }^2{\theta }_2})+4h_1^2{n}_1^2({\sin }^2{\theta }_2-{\sin }^2{\theta }_1)}}{(k_1^2-k_2^2){\lambda }^2+4\lambda h_1(k_1\sqrt{n_1^2-{\sin }^2{\theta }_1}-k_2\sqrt{n_1^2-{\sin }^2{\theta }_2})+4h_1^2({\sin }^2{\theta }_2-{\sin }^2{\theta }_1)},$

$h_2=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{(k_1^2-k_2^2){\lambda }^2+4\lambda h_1(k_1\sqrt{n_1^2-{\sin }^2{\theta }_1}-k_2\sqrt{n_1^2-{\sin }^2{\theta }_2})+4h_1^2({\sin }^2{\theta }_2-{\sin }^2{\theta }_1)}{{\sin }^2{\theta }_2-{\sin }^2{\theta }_1}}$

其中，k₁为在第一设定角度值θ₁下温度从T₁变化到T₂时在固定位置上移动过的干涉条纹的数目，k₂为在第二设定角度值θ₂下温度从T₁变化到T₂时在固定位置上移动过的干涉条纹的数目，λ为光源波长。

在此具体实施例中，以两个特殊入射角的情形，测量和计算待测介质膜在温度T₁时的折射率n₁和物理厚度h₁以及待测介质膜在温度T₂时的折射率n₂和物理厚度h₂。具体过程为：

取第一设定角度值θ₁＝30°，光路分析如图7a所示，在温度T₁下，光源发出的光以30°角从折射率为n₀的介质入射至折射率为n₁的待测介质膜，由螺旋测微目镜18观测待测介质膜上任意两条相邻干涉明条纹或者干涉暗条纹的表观间距a₁，计算待测介质膜上下表面反射光之间的光程差为Δ₁，${\Delta }_1=h_1\sqrt{4n_1^2-1}+(\frac{\lambda }{2},0),$式中，n₀＝1为空气的折射率，h₁为待测介质膜在温度T₁时的物理厚度，n₁为待测介质膜在温度T₁时的折射率，的取值有两种情况：第一种情况，当待测介质膜上下表面反射光之一有半波损失，取第二种情况，当待测介质膜上下表面反射光均有半波损失或均没有半波损失，取0；计算在温度T₂下，光源发出的光以30°角从折射率为n₀介质入射至折射率为n₂待测介质膜，待测介质膜上下表面反射光之间的光程差Δ₂，${\Delta }_2=h_2\sqrt{4n_2^2-1}+(\frac{\lambda }{2},0),$式中，h₂为待测介质膜在温度T₂时的厚度，n₂为待测介质膜在温度T₂时的折射率；根据在固定位置上移动过一个干涉条纹意味着光程差相应改变一个波长，得出Δ₂-Δ₁＝k₁λ，其中，k₁为在第一设定角度值30°下，试样的温度从T₁变化到T₂时，在待测介质膜上的固定位置移动过的干涉条纹的数目；根据${\Delta }_1=h_1\sqrt{4n_1^2-1}+(\frac{\lambda }{2},0)$${\Delta }_2=h_2\sqrt{4n_2^2-1}+(\frac{\lambda }{2},0)$和Δ₂-Δ₁＝k₁λ，得到$h_2\sqrt{{4n}_2^2-1}=h_1\sqrt{{4n}_1^2-1}+k_1\lambda .$

同理，取第二设定角度值θ₂＝45°时，由螺旋测微目镜18观测待测介质膜上任意两条相邻干涉明条纹或者干涉暗条纹的表观间距a₂，计算得到$h_2\sqrt{{4n}_2^2-2}=h_1\sqrt{{4n}_1^2-2}+k_2\lambda .$其中k₂为在第二设定角度值45°下，试样的温度从T₁变化到T₂时，在待测介质膜上的固定位置移动过的干涉条纹的数目，光路分析如图7b所示。

综合上述，可得到$n_1=\sqrt{\frac{1}{2}+\frac{a_1^2}{3a_2^2-4a_1^2}},$$h_1=\frac{a_1}{M}\sqrt{\frac{4n_1^2-1}{3}},$

$n_2=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{(k_2^2-2k_1^2){\lambda }^2-4n_1^2{h}_1^2+2h_1\lambda (k_2\sqrt{4n_1^2-2}-2k_1\sqrt{{4n}_1^2-1})}{(k_2^2-k_1^2){\lambda }^2-h_1^2+2h_1\lambda (k_2\sqrt{4n_1^2-2}-k_1\sqrt{{4n}_1^2-1})}},$

$h_2=\sqrt{h_1^2-{2h}_1\lambda (k_2\sqrt{{4n}_1^2-2}-k_1\sqrt{{4n}_1^2-1})-(k_2^2-k_1^2){\lambda }^2};$

8)最后由热光系数和热膨胀系数的定义计算待测介质膜的热光系数α和热膨胀系数β，$\alpha =\frac{n_2-n_1}{T_2-T_1},$$\beta =\frac{h_2-h_1}{T_2-T_1},$其中，n₁为待测介质膜在温度T₁时的折射率，n₂为待测介质膜在温度T₂时的折射率，h₁为待测介质膜在温度T₁时的物理厚度，h₂为待测介质膜在温度T₂时的物理厚度，T₁为试样的初始温度，T₂为试样的最后温度。