专利名称：用于傅里叶磁光测试的光学传输装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及傅里叶变换红外磁光光谱学及相应的测试技术，特别是一种用于傅里叶磁光测试的光学传输装置。
现有磁光测试系统中普遍的是用透镜或反射镜将光谱仪的光束或激光器的光直接通过杜瓦的窗口耦合到分裂磁体(赫姆霍兹线圈)里的样品室，英国Oxford公司、美国Janise公司等商品化的磁光系统就是这样。这种系统中的光学传输装置简单明了，光路短、加工方便。其缺点是这种类型的超导磁体的磁场强度一般只7特斯拉(Tesla)左右。同时，光谱范围一般受到两层杜瓦窗口材料的限制，大都很窄。如通常用的红外窗口是氟化钙，长波仅达10微米、改变测量光谱波段需要更换窗口，是很麻烦的，更不是在测试过程中能执行的。
现有技术中也有使用光管把光谱仪或激光的光束直接耦合入不带窗口的杜瓦及螺线管型的超导磁体中。但这种单一的光学传输装置传输效率很低，对傅里叶光谱仪发散的干涉光束传输效率更低，一般不超过10％，而且透过率在短波区很快下降，因而通常只用于远红外和亚毫米波波段。
本实用新型的目的是提供一种把傅里叶变换光谱仪的干涉光束引导出来并投射到深深置于低温杜瓦内超导磁体腔里的样品上，再把光与样品作用后的光信号或电信号送返光谱仪加以接收处理的光学传输装置，这一装置具有传输效率高、光谱范围宽、投射到样品上的照度强等优良性能。
本实用新型的目的是这样来达到的整个装置全部由反射光学元件组成，因为一些金属薄膜在整个红外波段有很高的反射率，这对满足宽带传输要求和提高传输效率都十分有利。杜瓦外的传输系统采用反射镜组成的成象光学系统，用反射镜容易处理光谱仪的干涉光束，并把传输途中的能量损失降至最低程度。
在杜瓦内的传输采用光管和光锥组成的非成象系统，使用光管、光锥这些非成象元件比较容易解决杜瓦和磁体孔径狭小造成的困难，同时对增强光照度以及兼顾液氦技术等要求也带来了方便。
选用光谱响应宽、探测率高而且是液氦冷却的半导体锗、硅测辐射热计或碳测辐射热计作为红外探测器安装于样品附近适当的辐射收集腔内，与光管、光锥有机组合成一个统一的样品架，光信号经探测器转换成电信号后被引出杜瓦送返光谱仪处理，这样既回避了将光信号再引出杜瓦的难题，又满足了探测器的低温工作条件。
光学成象系统与光谱仪联成一体，并用光谱仪的真空泵将附加的这一系统与光谱仪样品室一起抽真空，从而消除大气和水汽的红外吸收。非成象光学系统则单独用真空泵按要求抽真空，或抽真空后再充以低压氦气等作为交换气体。成象与非成象系统之间由聚乙烯、KRS－5等适当材料制成的窗口隔开。
本实用新型有如下有益效果。
本光学传输装置结构紧凑、工作波段宽、无色散、距离远、损耗小、照度高、并满足了弱信号检测、强磁场、深低温、机械以及安装调试和方便使用等要求。
本实用新型用成象元件与非成象元件有机地结合，克服了单一的采用光管或采用反射镜的组成传输装置的缺点，成功地将傅里叶变换红外光谱仪和杜瓦超导磁体联接，该系统中的磁场强度达12特斯拉；光谱工作波段从1微米至8毫米，实际测定传输效率达30％以上。同时还进一步将傅里叶变换红外磁光光谱测试与红外激光磁光光谱测试合为一套系统，既能以固定磁场强度、光谱扫描的模式工作；又能以固定入射光波长，磁场扫描的模式工作，因而能适用于各种物理问题的要求，并使以激光激发引起的分谱磁光光谱测量成为可能。另外又用三级光锥组合的方法把样品架做得结构紧凑、灵活方便，得以使用具有高探测率的半导体红外探测器。
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。
图1为由本实用新型光学传输装置组成的傅里叶变换红外磁光光谱测试系统示意图。图中1－5为由反射镜组成的成象光学系统，6为光学窗口，7为真空套筒，8为光管，9为三级光锥组合，10为样品，11为半导体红外探测器，12为低温杜瓦超导磁体，13为傅里叶变换红外光谱仪。
图2为位于低温杜瓦超导磁场中的三级光锥组合9、样品10及半导体红外探测器11的放大示意图。
图3是本光学传输装置光学传输效率的检验曲线，光谱曲线14是在光谱仪样品室中测出的，光谱曲线15是在样品锥后测出的。
本实用新型是用来把傅里叶变换红外光谱仪与杜瓦超导体联接起来组成磁光光谱测试系统。超导磁体一般包括低温杜瓦、超导磁体、电源、控制装置、失超保护装置、安全装置、液面测量、温度测量、液氦输液管、氦气回收管道及其他辅助设备。磁体本身是分别用NbTi和Nb3Sn多股超导线绕制的内外两个同轴螺线管，内腔有效直径40毫米，能提供的最高稳态磁场与磁体温度有关，4.2K时为11特斯拉，2.2K时为12特斯拉。这种螺线管的磁体和全封闭式杜瓦几乎可以完全消除室温热辐射对红外测量的干扰，同时可以增加液氦容量，减少液氦蒸发，延长工作时间。
本系统采用的傅里叶变换红外光谱仪有着“模块”结构，主机的光源室、干涉室、样品室、探测器室彼此分立，当把它组织到磁光源系统中去时，只要在样品室中增置光学元件就可以对干涉光束重新处理并引导出光谱仪，而其他部件都不受触动。这种仪器的主要光学元部件都在计算机控制之下并用键盘操作，几秒钟就可以从一个光谱区变换到另一个光谱区工作，这也正是磁光测试所需要的。
参见图1和图2，从光谱仪样品室至光管顶端的窗口6是成象光学系统，从窗口至探测器是非成象光学系统。成象光学系统由反射镜1－5组成。其中反射镜2是准直反射镜，把光谱仪发散的干涉光束变为平行光以利长距离传播；另一面反射镜5是会聚反射镜，把平行光束聚焦到光导管上的窗口，此外还有三面用来折射光束方向的反射镜。总共是五块，其具体情况简述如下反射镜1为转折反射镜，形状φ20毫米，曲率半径∞；反射镜2为准直反射镜，形状φ80毫米，曲率半径549.58毫米；反射镜3为中继反射镜，形状φ85毫米，曲率半径∞；反射镜4为矩形反射镜，形状190毫米×100毫米，曲率半径∞；反射镜5为会聚反射镜，形状φ110毫米，曲率半径950毫米。每个光学反射镜的f数都设计得小于光谱仪光学系统的f数3.7，使之能够包容轴外有效视场的光线，让光谱仪输出的光束全部通过这一装置。同时，合理配置各反射镜的相对位置及选择适当的光入射角以减小轴外象差。整个成象光学系统的线放大率决定于准直反射镜与会聚反射镜的焦点光斑之比，等于1.73。成象光束的会聚角为4.4°，焦点光斑直径约12.3毫米。
非成象系统实际上构成了样品架，在图1和图2中画出的是用来作磁一透射光谱测量的，自上而下由光学窗口6、光管8、样品锥、过渡腔、中继锥、会聚锥、辐射收集腔等七个主要元件组成，此外还有电缆、真空阀、安全阀及联接这些元部件的机械零件。样品紧贴于样品锥出射的小口，并正落在磁场中心，锗或硅测辐射热计安装在最下面的聚光腔中并处于超导螺旋管之外以减弱磁场对其性能的影响。如果使用碳测辐射热计则不用过渡腔及中继锥，只要把它连同聚光腔紧接装在样品锥之下就行了。因为它磁场系数极小。这里所说的样品锥、过渡腔、中继锥、会聚锥及辐射收集腔即组成所谓的三级光锥组合9。
光管8是一种内表面抛光成镜面的空心金属管，本实用新型选用黄铜作光管，管长1200毫米，内径12.5毫米，略大于成象系统焦点处光斑。光束经过光管光线的倾角基本不变。因此，样品光锥的大端口径直径取为12.5毫米。小端口直径定为2毫米，锥角8.58°，长70毫米。
入射光在光锥内表面反射一次其入射角就增加半锥角的两倍，相对于锥轴的倾角也随之增加，这就意味着发散光束通过反射出光锥时增加到64.6°，为提高照度可以把样品紧贴在光锥小口上。但探测器即使用碳测辐射热计也不得不离开小口一点距离。这样一来就势必有相当一部分辐射不能到达探测器。为解决这个问题，专门设计了一个内部呈圆径6毫米高6毫米的圆柱状的辐射收集腔，这种腔比球状积分室加工方便，容易抛光。把探测器装在里面联接于光锥小口之下就会使未直接投射到光敏面上的光经腔壁多次反射后仍为探测器所接收。
在使用半导体锗、硅测辐射热计的情况下，需要把穿越样品锥和透过样品的光再继续传输130毫米远的距离到达置于磁体之外的探测器上。因此时光束发散已达64.6°，如用光管传输，在130毫米内反射次数过多，光学效率太低，故用一个中继光锥将光束复原，再接一会聚光锥，两锥参数基本与样品锥相同，这样，总共经十四次反射就可以达到探测器，光学效率大大提高，这就是本实用新型选用三级光锥的原因。
本实用新型试样的全部元件经逐个检验再装成系统之后，又从光学、真空、低温、机械等方面对系统进行整体检验。特别在光学方面作了反复检验，图3是本光学传输装置光学传输效率的检验曲线。曲线14是室温下用热释电探测器在光谱仪样品室中测出的干涉光束的光谱曲线；曲线15是干涉光束通过成象系统、光管、样品锥后的光谱曲线。比较两个光谱可以看出，其形状非常相象，说明经这一装置的传输没使干涉光束的光谱结构发生变化，从而保证了用于磁光光谱测试的可靠性，两光谱强度的变化反映了本装置的传输效率，可达30％以上，其结果与理论估算的37％基本一致。
本装置已加工了样机，并经试用，成功地进行了多种半导体物理问题的实验研究。
权利要求1.一种用于傅里叶磁光测试的光学传输装置，包括成象光学元件和光管等非成象元件，其特征在于a)整个装置全部由反射光学元件组成；b)在杜瓦内的传输采用非成象元件光管和光锥；c)在杜瓦外的传输采用成象光学元件反射镜；d)选用光谱响应宽、探测率高、液氦冷却工作的锗、硅或碳测辐射热计作为红外探测器安装于样品附近适当位置的辐射收集腔内，与光锥组合成一个统一的样品架；e)光学成象元件与光谱仪联成一体，并用光谱仪的真空泵将这一附加的部件与光谱仪样品室一起抽真空；非成象光学元件则单独用另一真空泵抽真空或再充以交换气体；f)成象光学部件与非成象光学部件之间有聚乙烯或KRS-5材料的光学窗口。
2.根据权利要求1所规定的一种用于傅里叶磁光测试的光学传输装置，其特征在于所说的杜瓦内的传输采用的非成象元件的光锥采用由样品锥、过滤腔、中继锥、会聚锥和辐射收集腔组成的三级光锥组合(9)。
3.根据权利要求1所规定的用于傅里叶磁光测试的光学传输装置，其特征在于所说的杜瓦外的传输成象光学元件由转折反射镜、准直反射镜、中继反射镜、矩形反射镜及会聚反射镜所组成；其中准直反射镜把发散的干涉光束变为平行光，会聚反射镜是把平行光聚焦到光导管窗口上，其余三面反射镜用来折射光束方向。
专利摘要本实用新型提供了一种用于傅里叶磁光测试的光学传输装置。用传统反射镜光学元件与光管、光锥等相结合的办法实现了红外干涉光束长距离、高效率、宽波段传输。成功地把傅里叶变换红外光谱仪与杜瓦超导磁体联接起来；又用三级光锥组合的方法把样品架做得结构紧凑、灵活方便，得以使用具有很高探测率的半导体红外器件。所组成的红外磁光光谱实验系统的光能传输效率和磁场强度都得到很大提高。
文档编号G01J3/28GK2166469SQ9322629
公开日1994年5月25日 申请日期1993年9月7日 优先权日1993年9月7日
发明者刘普霖, 史国良, 陆卫, 王培刚, 沈学础 申请人:中国科学院上海技术物理研究所