一种红外光学材料折射率温度系数测量装置及测量方法与流程

本发明属于光学计量与测量，涉及一种红外光学材料折射率温度系数测量装置，尤其涉及一种高达500℃的近红外波段光学材料折射率温度系数测量装置。

背景技术：

1、红外光学材料在光电武器装备中的应用十分广泛，如制备红外导引头光学窗口、红外热像仪光学成像镜头等。红外光学窗口通常会承受极高的温度，此时折射率将发生改变，造成光学窗口“光畸变”。折射率温度系数用来描述光学材料在不同温度条件下的折射率改变量，对该参数进行准确测量，是实现红外光学窗口“畸变”补偿，提升光学窗口成像性能的基本技术途径，也是光电武器装备设计的迫切需求。

2、美国标准技术研究院开展了红外材料折射率温度系数的测量研究工作。测量波长为0.633μm、3.39μm，温度范围为25℃～500℃，测量不确定度达到2％～4％。英国国家物理实验室采用精密测角法对锗、硅、zns、znse等红外光学材料的折射率温度系数进行了测量，波长为1μm～3μm、3μm～5μm、8μm～12μm，温度范围为25℃～150℃，测量不确定度为4％。日本岛津公司实现了可见光波段折射率温度系数测量，温度范围为25℃～80℃，波长为可见光～近红外，测量不确定约为6％。

3、国内开展光学材料折射率温度系数研究工作的主要单位，均通过购置国外精密折射率测量设备并自行改造的方式建立折射率温度系数测量装置。其中，湖北新华光信息材料股份有限公司购置了德国trioptics公司可见～长波红外折射率测量仪，进行25℃～100℃温度范围下折射率测量装置的改造；成都光明光电股份有限公司购置了日本岛津公司可见～近红外折射率温度系数测量仪，实现了25℃～80℃温度范围下折射率温度系数的测量。

4、国内红外光学材料折射率温度系数测量中存在的问题：温度范围在25℃～100℃，不能开展500℃下折射率温度系数的测量；波长范围在0.4μm～2.1μm，不能开展2μm～12μm宽波段范围折射率温度系数的测量。温度范围、波长范围以及测量准确度均低于国际水平。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、本发明的目的是：为了缩短我国在高温条件下光学材料性能参数测量方面与国际先进水平之间的差距，本发明采用精密测角法，提供一种红外光学材料折射率温度系数测量装置。

3、(二)技术方案

4、为了解决上述技术问题，本发明提供一种红外光学材料折射率温度系数测量装置，包括：光源1-1，沿光源1-1出射光束光路方向依次布置红外单色仪1-2、振荡狭缝2、反射镜3、离轴抛物面镜5-1、半透半反镜5-2，半透半反镜5-2透光侧布置精密温控炉7-2，半透半反镜5-2反光侧沿光路方向依次布置高精度角度测量系统9-2、离轴抛物面镜5-3和红外探测器10-1；光学材料样块6放置于精密温控炉7-2中的样品台7-1上，红外探测器10-1通过前置放大电路10-2、锁相放大器10-3与计算机11连接；所述高精度角度测量系统9-2通过气浮转台控制电路9-3和计算机11连接；精密温控炉7-2通过温控炉控温电路7-3和计算机11连接；

5、所述光源1-1发出的光通过单色仪1-2，经由振荡狭缝2瞄准，离轴抛物面镜5-1进行准直，再通过半透半反镜5-2后进入样块6，被样块后表面反射，反射光回到半透半反镜5-2被反射进高精度角度测量系统9-2中的反射镜9-1，反射光到达离轴抛物面镜5-3，经聚焦后进入探测器10-1，探测器10-1接收光信号后转换成电信号，电信号通过前置放大电路10-2、锁相放大器10-3后传输到计算机11，计算机同时记录下该样块在当前温度下对应的自准直角，改变温度值并重复上述步骤，根据不同温度下对应的自准直角，计算得到该样块的折射率温度系数。

6、其中，所述光源1的波长范围覆盖0.8μm～12μm。

7、其中，所述精密温控炉7-2温度范围为25℃～500℃，光学材料样块放置于精密温控炉7-2中，仅与工作台7-1后表面接触，精密温控炉7-2利用大功率电加热的方式实现加热和升温，并通过精密铂电阻和差分热电偶传感器，实时、准确地采集样块架底部和侧面温度。各温度传感器的信号经多路选择器依次进入温度测量通道，经过精密放大、24位模数变换后进入计算机11。

8、其中，探测器10-1、前置放大电路10-2、锁相放大器10-3以及数据采集处理系统组成微弱信号处理及探测系统。

9、其中，所述高精度角度测量系统9-2包括气浮轴承、大理石基底、光栅尺角度读数计。

10、其中，振荡狭缝2采用音叉振荡器制作，振荡狭缝驱动电路主要由cpld及10mhz晶振构成。

11、本发明还提供一种红外光学材料折射率温度系数测量方法，包括以下步骤：

12、步骤1、将红外光学材料样块放置在精密温控炉7-2中，精密温控炉7-2升温至设定值，并将温度值传输到计算机11；

13、步骤2、光源1-1发出的光通过单色仪1-2，经由振荡狭缝2瞄准，离轴抛物面镜5-1进行准直，再通过半透半反镜5-2后进入样块6，被样块后表面反射回半透半反镜5-2，经过反射镜9-1反射，到达离轴抛物面镜5-3，经聚焦后进入探测器10-1；

14、步骤3、探测器10-1接收光信号后转换成电信号，电信号通过前置放大电路10-2、锁相放大器10-3后传输到计算机11，计算机处理后得到信号最大值对应的角度读数，即该样块在当前温度下对应的自准直角；

15、步骤4、逐步升高精密温控炉7-2的温度值并重复上述步骤，根据不同温度下对应的自准直角，计算得到该样块的折射率温度系数。

16、步骤4中，所述计算机11计算得到样块在各个温度下的折射率温度系数，所述折射率温度系数计算采用的公式分别为：

17、

18、βk——被测样品第k个温度下的折射率温度系数，单位℃-1；

19、n——被测样品的折射率；

20、tk——第k个温度下测得的温度值，单位：℃；

21、pk——第k个温度下测得的峰值信号所在角度位置，单位：°；

22、θ——被测样品的棱镜顶角，单位：°。

23、上述测量装置中，采用了采用硅碳棒与单色仪构成波长连续可调的单色光。以碳化硅作为红外光源，配以精密稳压稳流源供电，硅碳棒发出的光经过聚焦光学系统进入单色仪的入射狭缝，经过单色仪分光后形成波长范围覆盖0.8μm～12μm的单色光。

24、精密温控炉7-2用于放置被测光学材料，自行设计完成，外部采用不锈钢材料加工，内部加装保温层，利用大功率电加热的方式实现加热和升温。温度范围达到25℃～500℃，控温精度为±0.1℃，温度稳定性为±0.2℃/10min，温度均匀性优于±0.2℃。精密温控系统还具备工作台、光学窗口以及调整机构等。温控器控温电路基本原理如图2所示。温控器通过埋在样块工作台中的精密铂电阻和差分热电偶传感器，实时、准确地采集样块架底部和侧面温度，并通过pid值计算，实时控制多路加热装置的加热功率，实现温度精确控制、定位。其中，基准电阻为差分热电偶提供精确温度补偿，基准恒流源为标准铂电阻、反馈铂电阻提供稳定电流。各温度传感器的信号经多路选择器依次进入温度测量通道，经过精密放大、24位模数变换后进入计算机，计算机根据pid控制模型实现处理和控制。

25、直角棱镜标准样块的直角面贴置在工作台后表面，后表面中间开孔，以便观察零件标样在温度加热过程中的变形，工作台的上表面、下表面以及后表面均缠绕加热电阻丝，确保对标准样块均匀加热。

26、为了避免样块加热过程中出现氧化，还将温控系统内部抽真空，加装密封光学窗口，光学窗口采用zns材料制造，具有较高的透过率。

27、高精度角度测量系统包括气浮轴承、大理石基底、光栅尺角度读数计。气浮轴承的作用是提供工作台，让平面反射镜在其工作台面上平稳转动。通过将压缩空气输入到轴承内，使轴承浮起并自由转动。在气浮轴承的底端安装有两个涡轮蜗杆，涡轮蜗杆用步进电机驱动，分别使气浮轴承的内轴或外轴进行旋转，分别带动工作台和转台进行旋转。气浮式测角仪基本结构如图4所示。转台直径300mm，水平跳动优于2μm，轴向跳动优于1μm。为了防止气浮轴承由于温度变化产生机械变形，以及高频振动对角度测量精度的影响，将气浮轴承固定在大理石平台上，大理石平台厚100mm，表面研磨精度4μm，线膨胀系数4.6×10-6/℃。圆光栅安装在气浮轴承工作面上，随转台一同旋转，读数头固定在气浮轴承的底座上，记录圆光栅旋转过程的脉冲数并将之转换为角度量。圆光栅的外侧间隔180°安置一个读数头，将两个读数头得到的数据相加取平均值作为最终测量结果，以消除系统偏心造成的角度测量误差，读数头数据的最大传输距离为10mm。

28、微弱信号的电子处理及探测系统包括探测器、精密放大电路、锁相放大电路以及数据采集处理系统等。从单色光学系统出射的红外光信号非常微弱，再透过温控炉光学窗口两次，会被反射和吸收，进一步降低，到达探测器上的红外光信号就更加微弱。放置样品的温控炉也是一个红外辐射源，会产生红外辐射，且距离探测器更近，背景辐射信号会远大于光源的红外辐射信号,导致系统的探测信号信噪比较低。背景红外辐射信号以直流量出现，因此采用光调制技术对信号光进行调制，并利用锁相放大技术对该信号进行放大，隔离直流分量，达到消除杂散辐射的目的。其次，温控炉以及其他红外辐射源产生的背景辐射方向性较差，通过在测量光路中加入水冷光阑，可有效降低背景辐射，提高信噪比。

29、为实现精确测量角度，本发明采用振荡狭缝对光信号进行精确瞄准。在瞄准点附近电压随角度成线性变化，同时由负变为正，判断非常容易。振荡狭缝的作用是对红外光信号进行调制，并对红外信号进行对准。基本原理是利用振荡狭缝在光栅单色仪出口处对狭缝像进行扫描。为了获得最佳测量效果，选择振荡狭缝振幅、振荡狭缝宽度以及单色仪狭缝宽度相等。本发明采用音叉振荡器制作振荡狭缝，振荡狭缝驱动电路主要由cpld及10mhz晶振构成。其功能框图如图5所示。振荡狭缝驱动电路工作时，通过写入的算法对10mhz晶振的输入时钟进行分频，并将分频后产生的时钟以ttl电平送入到微位移平台的输入端，与微位移平台随动的狭缝便按照此频率进行振荡。选用的晶振频率准确度及频率温度稳定性均为30ppm，微位移平台采用音圈电机驱动，当接收到cpld发出的时钟信号后，微位移平台便按照时钟频率进行振荡。

30、(三)有益效果

31、上述技术方案所提供的红外光学材料折射率温度系数测量装置，将温度提高到500℃，波长扩展到12μm，用以对红外光学材料折射率温度系数进行测量，具备稳定性好、能够提供高准确度折射率温度系数参数量值等特点，以满足不同红外光学材料、不同波长范围的折射率温度系数测量。