适用于宽温域宽波段范围的折射率测量仪及测量方法与流程

本技术属于光学精密测量，具体涉及一种适用于宽温域宽波段范围的折射率测量仪及测量方法。

背景技术：

1、材料折射率是表征光学材料光学性能的核心物理参数，广泛应用于光学系统设计、红外制导窗口、激光晶体、空间光学元件等领域。现有折射率测量技术主要采用最小偏向角法，通过测量棱镜样品的顶角和最小偏向角计算折射率。

2、然而，现有折射率测量仪普遍存在以下问题：第一，测量范围窄，光源和探测器配置单一，不能满足紫外至长波红外的宽波段范围以及低温至高温的宽温度范围的测量需求；第二，现有测试光路设计中采用半透半反镜分光，导致红外波段信号严重衰减，信号强度无法支撑测试；第三，现有红外波段测量方案采用单点探测器结合伺服旋转台采集一维光强信号与转台角度关系，存在信号传输延迟，光强信号与转台角度对应值无法实时同步，引入测量误差；第四，现有低温折射率测量方案未考虑低温结构变形造成的俯仰角度偏差和样品面型偏差对结果的影响；第五，现有最小偏向角法测量时，只能通过计算已知折射率材料的理论偏向角后转动转台至该位置进行测量，对于未知材料的折射率测量，需要手动寻找并测试，甚至无法完成测量、无法保证测量精度。

3、因此，亟需一种能够实现宽温域、宽波段范围的高精度折射率测量仪，解决上述技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供了一种适用于宽温域宽波段范围的折射率测量仪及测量方法，以解决现有折射率测量仪测量范围窄、红外信号弱、信号延迟、低温变形影响以及未知材料测量困难的问题。

2、为了解决上述问题，本技术采用的技术方案如下：

3、第一方面，本技术一种适用于宽温域宽波段范围的折射率测量仪，其特征在于，包括单色光源单元、光路准直单元、测量单元、瞄准单元和主控单元；所述光源单元被配置为提供各个波长的单色光；所述光路准直单元被配置为将所述光源单元发出的光准直为平行光并传递至所述测量单元，所述光路中不包含半透半反镜；所述测量单元包括样品旋转台、反射镜旋转台和位移台，所述样品旋转台上转动设有样品棱镜，所述反射镜旋转台上转动有第二反射镜，所述反射镜旋转台滑动连接于所述位移台；所述样品旋转台、反射镜旋转台和位移台三者联动运行，以使所述样品棱镜的出射光可以出射至所述第二反射镜，然后被反射至所述瞄准单元；所述瞄准单元包括探测器和旋转台编码器，所述探测器接收经测量单元偏转后的光束；所述主控单元与所述测量单元和瞄准单元连接，配置为根据探测器信号与转台角度的关系实时搜寻最小偏向角位置。

4、进一步地，所述单色光源单元包括至少两个可切换的光源和单色仪，所述光源分别覆盖不同波段，通过切换机构选择性地与所述单色仪连接，以提供宽波段范围的各个波长的单色光。

5、进一步地，所述光路准直单元包括准直镜组，所述准直镜组包括第一离轴聚焦镜和第一反射镜，所述第一离轴聚焦镜将单色仪发出的光束聚焦至所述第一反射镜，所述第一反射镜将光束偏转至所述测量单元。

6、进一步地，所述瞄准单元还包括聚焦镜组，所述聚焦镜组包括第四反射镜、第二离轴聚焦镜和第五反射镜，所述第四反射镜接收测量单元发送的光束并传递至第二离轴聚焦镜，所述第二离轴聚焦镜将光束聚焦至第五反射镜，所述第五反射镜将光束偏转至探测器。

7、进一步地，所述测量单元还包括真空恒温器；所述样品旋转台和反射镜旋转台均设于真空恒温器内。

8、进一步地，所述真空恒温器被配置为允许所述光路准直单元偏转的光束进入一侧后照射在样品棱镜上，所述样品棱镜将光束偏转至所述反射镜旋转台上的第二反射镜，所述第二反射镜将光束偏转并从真空恒温器另一侧输出至所述瞄准单元。

9、进一步地，所述测量单元还包括自准直光管和第三反射镜；所述第三反射镜设于所述反射镜旋转台远离所述瞄准单元的一侧，所述自准直光管设于所述真空恒温器的一侧，且可转动切换，其被配置为发出光束能进入真空恒温器并照射在第三反射镜上，经所述第三反射镜反射后返回自准直光管。

10、进一步地，还包括用于控制样品棱镜温度的温度控制单元；所述温度控制单元包括冷源、热源和温控单元，且其温度控制范围为40k~400k；所述冷源为液氮制冷结构，通过传热机构将冷量传导至样品仓

11、进一步地，所述热源为加热机构，与冷源共同工作，所述温控单元对样品温度进行pid控制策略的调节，温度控制精度达到±0.1k。

12、进一步地，所述瞄准单元还包括锁相放大器，所述锁相放大器将探测器接收到的光信号转换为电信号。

13、进一步地，所述自准直光管具有第一使用状态和第二使用状态，所述第一使用状态下，所述自准直光管对准样品，配合样品旋转台旋转使用，测量出样品棱镜在不同温度下的顶角；所述第二使用状态下，所述自准直光管对准所述第三反射镜，且其自身移动保持其发出光束垂直入射于所述第三反射镜。

14、进一步地，所述测量单元还包括角度调整结构，所述主控单元根据自准直光管测量的顶角变化，控制角度调整结构对温度变化后结构俯仰变化进行调整，保证光轴始终在同一条轴线的可接受偏差范围以内。

15、第二方面，本发明还提出了一种基于上述折射率测量仪的折射率测量方法，包括以下步骤：

16、s1：光路准直单元将单色光源单元发出的单色光准直为平行光，导入测量单元内的样品棱镜；

17、s2：样品旋转台和反射镜旋转台进行转动扫描，位移台调整反射镜旋转台位置使光束始终打在第二反射镜上，瞄准单元的探测器接收偏转后的光束，旋转台编码器直接输出角度值，主控单元将探测器信号与角度值对应处理；

18、s3：主控单元根据探测器信号与转台角度的关系实时搜寻最小偏向角位置；

19、s4：根据顶角和最小偏向角计算折射率。

20、进一步地，所述s3步骤中的实时搜寻包括：s31：粗扫描阶段，主控单元控制样品旋转台以第一设定步长旋转，同时反射镜旋转台和位移台联动跟随，探测器采集光强信号或成像位置信号，主控单元根据信号变化趋势快速确定最小偏向角的大致区域；s32：细扫描阶段，主控单元控制样品旋转台在所述大致区域内以第二设定步长旋转，所述第二设定步长小于所述第一设定步长，探测器采集精细数据；s33：拟合定位阶段，主控单元对所述精细数据进行抛物线拟合或高斯拟合，确定极小值点，所述极小值点对应的位置即为最小偏向角位置。

21、进一步地，所述探测器为相机时，随着样品旋转台朝着入射角增加的方向旋转，结合反射镜旋转台将光束反射进相机光敏面，，实时观测相机成像中光斑的移动轨迹；当光斑的移动方向由先前的正向移动逐渐减速、停止，并转为反向移动时，该移动方向发生反转的极限位置即为最小偏向角位置；。

22、进一步地，所述探测器为单点探测器时，随着样品旋转台朝着入射角增加的方向旋转，同步记录样品旋转台的角度与单点探测器输出的光斑位置坐标，生成光斑位置坐标随样品旋转台角度变化的关系曲线，曲线中y轴角度先减小后增大，计算得到y轴最小的角度位置，该位置即为最小偏向角的位置。

23、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

24、本发明通过全反射式光路设计、双光源可切换结构、锁相放大器与编码器同步采集、自准直光管俯仰补偿以及实时搜寻最小偏向角等技术的深度融合，构建了从宽波段光源输出到宽温域样品测量再到高精度信号采集的一体化闭环，使折射率测量在宽温域宽波段基础上实现高精度可控测量。全反射式光路采用离轴反射镜替代半透半反镜，避免了红外波段信号衰减，保证了紫外至长波红外全波段的信号强度；双光源配合单色仪切换，覆盖紫外、可见、红外宽波段范围，配合多类型探测器切换，实现不同波段的高灵敏度探测；锁相放大器与旋转台编码器的直接对应采集，消除了光强信号与转台角度信号传输延迟，实现了角度与光强的实时同步；自准直光管配合第三反射镜实时监测顶角变化和俯仰偏差，通过角度调整结构进行补偿，保证低温结构变形后光轴始终一致；实时搜寻最小偏向角方法通过探测器信号与转台角度关系直接定位，无需预先计算理论位置，实现了未知材料的自动测量。整个系统以真空恒温器为中枢集成光路准直、样品变温与角度测量功能，光源提供宽波段输出，温控提供40k~400k范围，测量单元实现角度精确控制，瞄准单元完成信号同步采集，最终产出宽温域宽波段范围内的高精度折射率数据，实现测量范围与测量精度的协同升级，远超单一波段或单一温度点测量设备的效果。