测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及非接触式测量领域，尤其是涉及测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置及方法。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种可测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置及方法。具体通过探测光发射光路、信号接收光路以及信号处理计算机获得金刚石压砧在极端高温高压条件下的形变；所述探测光发射光路提供宽谱带探测光，所述信号接收光路收集从金刚石压砧前台面返回的信号光和从其后台面返回的参考光，两束光在信号接收光路的光纤光谱仪中发生频谱干涉；通过计算机处理光纤光谱仪输出的频谱干涉信号，获得金刚石压砧在极端高温高压条件下的形变。
【专利说明】测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及非接触式测量领域，尤其是涉及测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置及方法。
【背景技术】
[0002]金刚石压机(DAC)的发明与应用是静高压实验研究领域的重大突破，也是目前静高压研究领域最普遍的高压产生装置，它产生超高压的能力为人们提供了更深层次认识物质在极端高温高压条件下物理、化学性质的可能。借助DAC加载技术，人们开展了物质在极端高温高压条件下的相变、状态方程、强度、声速以及光学性质、磁学性质、电学性质等的研究。
[0003]在利用DAC进行电导率、声速以及压力梯度法强度等测量中，样品厚度的原位精确测量至关重要，而金刚石压砧和封垫在高压下的形变会严重影响样品厚度的精确测量。如果能够得到金刚石压砧在高温高压条件下的形变信息，则可以对高压下样品的厚度进行精修，从而提高实验精度。对金刚石压砧在高压下的形变主要有有限元数值模拟、X光透射成像以及接触式千分尺测量等方法进行评估；有限元数值模拟依赖于所建立的模型以及金刚石压砧和封垫材料的特性参数，X光透射成像法需要高亮度的同步辐射光源、耗费大量珍贵的同步辐射机时，千分尺测量法属于接触式测量、测量精度有限、并且无法给出压砧台面变形的形貌。综上所述，目前尚无有效的方法对金刚石压砧在高温高压下的形变进行测量，难以满足在DAC加载条件下对样品厚度进行原位精确测量的要求。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术存在的问题，提供一种可测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置及方法。本发明中包括探测光发射光路、信号接收光路以及信号处理计算机；所述探测光发射光路提供宽谱带探测光，所述信号接收光路收集从金刚石压砧前台面返回的信号光和从其后台面返回的参考光，两束光在信号接收光路的光纤光谱仪中发生频谱干涉；通过计算机处理光纤光谱仪输出的频谱干涉信号，获得金刚石压砧在极端高温高压条件下的形变。
[0005]本发明采用的技术方案如下:
[0006]一种测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置包括探测光发射光路、信号接收光路以及信号处理计算机；所述探测光发射光路提供宽谱带探测光，所述信号接收光路收集从金刚石压砧前台面返回的信号光和从其后台面返回的参考光，两束光在信号接收光路的光纤光谱仪中发生频谱干涉；通过计算机处理光纤光谱仪输出的频谱干涉信号，获得金刚石压砧在极端高温高压条件下的形变。
[0007]优选的，所述探测光发射光路包括:
[0008]带尾纤的宽带光源10，用于发出探测光；
[0009]三端口光纤环形器11，通过光纤环形器11第一端口将宽带光源10输入的探测光，从光纤环形器11第二端口输出；
[0010]光纤准直器13，用于将光纤环形器11第二端口输出的探测光转变成自由空间传输的准直光，并通过光纤准直器13带增透膜一端输出；
[0011]显微物镜6，用于将光纤准直器13输出的准直光聚焦到金刚石压砧7前台面；
[0012]优选的，所述信号接收光路包括:
[0013]显微物镜6，用于收集从金刚石压砧7后台面返回的参考光和从其前台面返回的信号光;
[0014]光纤准直器13,用于将显微物镜6收集的参考光和信号光稱合进入光纤,并通过光纤准直器13带尾纤一端输出；
[0015]光纤环形器11，将光纤环形器11的第二端口与光纤准直器13尾纤连接，将收集的参考光和信号光从光纤环形器11第三端口输出；
[0016]光纤光谱仪15,用于接收光纤环形器11第三端口输出的参考光和信号光,并记录参考光和信号光在频谱域内发生的频谱干涉信号；
[0017]优选的，所述计算机16接收和处理光纤光谱仪15输出的频谱干涉信号，计算得到金刚石压砧7在各点处的厚度值，进而分析得到金刚石压砧7在高温高压条件下的形变信息，具体过程包括:
[0018]步骤1:宽带光源10的光谱分布为Etl ( λ )，则从金刚石压砧7前后台面返回的信号光、参考光的光谱分布E1 (λ)、E2 (λ)可以分别写为:
[0019]
【权利要求】
1.一种测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置，其特征在于包括探测光发射光路、信号接收光路以及信号处理计算机；所述探测光发射光路提供宽谱带探测光，所述信号接收光路收集从金刚石压砧前台面返回的信号光和从其后台面返回的参考光，两束光在信号接收光路的光纤光谱仪中发生频谱干涉；通过计算机处理光纤光谱仪输出的频谱干涉信号，获得金刚石压砧在极端高温高压条件下的形变。
2.根据权利要求1所述的测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置，其特征在于所述探测光发射光路包括: 带尾纤的宽带光源，用于发出探测光； 光纤环形器，通过光纤环形器第一端口将宽带光源输入的探测光，从光纤环形器第二端口输出； 光纤准直器，用于将光纤环形器第二端口输出的探测光转变成自由空间传输的准直光，并通过光纤准直器带增透膜一端输出； 显微物镜，用于将光纤准直器输出的准直光聚焦到金刚石压砧前台面。
3.根据权利要求2所述的测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置，其特征在于所述信号接收光路包括: 显微物镜，用于收集从金刚石压砧后台面返回的参考光和从其前台面返回的信号光； 光纤准直器，用于将显微物 镜收集的参考光和信号光耦合进入光纤，并通过光纤准直器带尾纤一端输出； 光纤环形器，将光纤环形器的第二端口与光纤准直器尾纤连接，将收集的参考光和信号光从光纤环形器第三端口输出； 光纤光谱仪，用于接收光纤环形器第三端口输出的参考光和信号光，并记录参考光和信号光在频谱域内发生的频谱干涉信号。
4.根据权利要求3所述的测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置，其特征在于所述计算机接收和处理光纤光谱仪输出的频谱干涉信号，计算得到金刚石压砧在各点处的厚度值，进而分析得到金刚石压砧在高温高压条件下的形变信息，具体过程包括: 步骤1:宽带光源的光谱分布为Etl ( λ )，则从金刚石压砧前后台面返回的信号光、参考光的光谱分布E1 ( λ )、Ε2 ( λ )分别写为:)丨μχμ)/例⑴ >2μ)=啡K, 其中a、b为常数，由探测光发射光路和信号接收光路的损耗决定，k为波矢，I为进入光纤光谱仪时参考光和信号光共同经历的光程，A=2nh为探测光在金刚石压砧前台面反射产生的附加光程差，η为金刚石压砧的折射率，h为金刚石压砧的厚度； 步骤2:光纤光谱仪记录的频谱干涉信号表达式写为:
I (λ) = [E1 (A) + E2 (1)][^ (λ) + E2 (λ)]*
K ^ )
= JjE10(A)I2 a2 +b2 + 2abcos{kA)~^ 将公式(2)中的波长λ用频率υ替换，则(2)式写为:
5.根据权利要求4所述的测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置，其特征在于所述宽带光源是中心波长为1550nm的宽谱带光源，谱线宽度不小于30nm或者是谱线宽度不小于30nm的普通自发辐射(ASE)光源，功率不小于30mW。
6.根据权利要求4所述的测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置，其特征在于所述显微物镜工作距离大于20mm，放大倍数不小于10倍，所述光纤光谱仪分辨率高于20pm，用一般光谱仪代替。
7.根据权利要求1至6之一所述的测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置，其特征在于还包括辅助成像光路，用于辅助探测光发射光路和信号接收光路的调节，并且监测金刚石压砧形变的测量位置。
8.根据权利要求7所述的测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的装置，其特征在于所述辅助成像光路包括照明光源、小孔、第一透镜、第一宽带分光镜、第二宽带分光镜、第二透镜、电荷耦合探测器；通过调节小孔、第一透镜的相对位置，使得所述照明光源发出的光经过小孔、第一透镜后形成平行光束，然后经过第一宽带分光镜、第二宽带分光镜后，被显微物镜聚焦到金刚石压砧前台面上；聚焦位置经过显微物镜、第二宽带分光镜、第一宽带分光镜、第二透镜后成像于电荷耦合探测器中，通过电荷耦合探测器完整观察到金刚石压砧前台面的像；其中所述第二宽带分光镜放置于显微物镜与光纤准直器之间，第二宽带分光镜用于辅助调节光纤准直器的位置；所述第一宽带分光镜与第二宽带分光镜介质分光膜面相互平行；第一宽带分光镜与第二宽带分光镜、第一透镜、小孔共光轴，第一宽带分光镜的通光表面与该光轴垂直；第二宽带分光镜与光纤准直器、显微物镜共光轴，第二宽带分光镜的通光表面与该光轴垂直；第一宽带分光镜与第二透镜、电荷稱合探测器共光轴，且该光轴垂直于第一宽带分光镜的通光表面。
9.根据权利要求1至8之一所述的测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的方法包括: 步骤1:将光纤环形器的第一端口与宽带光源的尾纤连接，光纤环形器的第二端口与光纤准直器通过第一光纤跳线连接，光纤环形器的第三端口与光纤光谱仪通过第二光纤跳线连接； 步骤2:放置金刚石压砧的位置用平面反射镜代替，通过辅助成像光路的照明光被反射镜反射、被第二宽带分光镜透射后，粗调光纤准直器的位置及姿态；开启宽带光源，微调光纤准直器的姿态，使得从光纤环形器第三端口出射的探测光功率不小于宽带光源输出功率的0.5% ； 步骤3:加入金刚石压砧，前后调节金刚石压砧的位置，使得辅助成像光路能够清晰观察到金刚石压砧前台面的像，并且通过光纤光谱仪获得的频谱干涉信号的对比度不小于.0.1 ； 步骤4:将光纤光谱仪记录的干涉光谱数据导出，通过计算机处理得到金刚石压砧各点在高温高压下的厚度值，与常温常压下的厚度相减，得到金刚石压砧的形变以及台面的形貌信息。
10.根据权利要求9之一所述的测量金刚石压砧在极端高温高压条件下形变的方法，其特征在于所述辅助成像光路工作过程包括: 步骤1:开启照明光源，调节小孔、第一透镜与照明光源I的相对位置，使得出射的照明光为平行光； 步骤2:调节第一宽带分光镜、第二宽带分光镜的位置以及姿态，使得出射的照明光平行于光学平台，在金刚石压砧的位置放置一替代的平面反射镜，并使该反射镜反射面垂直于光轴，利用从第一宽带分光镜反射回去的光调节第二透镜8和电荷耦合探测器； 步骤3:在替代反射镜与第二宽带分光镜之间加入显微物镜，通过电荷耦合探测器中所成的像， 调节显微物镜的位置与姿态。
【文档编号】G01B11/16GK103644859SQ201310689823
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2013年12月16日
【发明者】刘盛刚, 翁继东, 马鹤立, 陶天炯, 敬秋民, 张毅, 柳雷, 王翔, 毕延, 戴诚达, 蔡灵仓, 谭华, 吴强, 刘仓理 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所