一种光学自对准极低温测试系统

1.本发明涉及超导电子学技术领域，特别是涉及一种光学自对准极低温测试系统。


背景技术：

2.为提升超导器件的灵敏度和效率等性能，器件往往需要工作在低温环境中，采用低能隙超导薄膜制成的器件，其所需的系统温度更低。
3.现有技术中，常用的获得极低温的制冷技术有稀释制冷技术、绝热去磁制冷技术和吸附制冷技术。其中，吸附制冷技术具有可靠性高，操作简单，无磁干扰，质量小和成本低等优点，得到广泛应用。
4.在现有的吸附制冷系统中，常常采用同轴型或偏心型结构，此布局设计简单方便，但吸附制冷系统整体过高，不锈钢真空外罩体积和重量庞大，实际拆卸安装不易；且因需要借助推车搬运，因此，设计吸附制冷系统的高度时，需考虑推车高度，这使得吸附制冷系统整体高度再度增加。
5.在真空系统的很多应用场景中会涉及到光在真空腔内外的导入和导出，其中常用方式一般为空间光耦合或利用光纤进行真空腔内外的光信号传输。采用空间光耦合时，在真空腔内难以对光学角度进行调节，容易导致光路偏移；利用光纤进行真空腔内外的光信号传输时，一般会涉及到光纤通道的真空密闭性问题。目前已有的真空内外光学传输方式无法同时兼容这两种光传输方式，为吸附制冷系统的实际应用带来极大的不便。
6.因此，针对现有吸附制冷系统整体过高、拆卸安装都十分麻烦，以及现有真空系统光传输方式无法同时兼容光纤和自由空间的技术问题，设计出一种兼容光纤和自由空间的光学自对准且高度低、易安装拆卸的极低温测试系统至关重要。


技术实现要素：

7.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光学自对准极低温测试系统，用于解决现有技术中吸附制冷系统整体过高、拆卸安装都十分麻烦，以及现有真空系统中光传输方式无法同时兼容光纤和自由空间的技术问题。
8.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光学自对准极低温测试系统，所述光学自对准极低温测试系统至少包括：
9.低温冷源模块，所述低温冷源模块包括一级冷头、一级冷屏筒、二级冷头和真空罩，其中，所述一级冷屏筒位于所述二级冷头外围并与所述一级冷头相接触，所述真空罩包覆所述一级冷头、所述一级冷屏筒及所述二级冷头，通过所述一级冷头提供第一温度，通过所述二级冷头提供第二温度，且所述第二温度低于所述第一温度；
10.吸附式制冷模块，所述吸附式制冷模块与所述低温冷源模块横向并排排布，所述吸附式制冷模块包括吸附式制冷机、吸附级一级筒身、吸附级二级筒身及吸附级真空罩，其中，所述吸附级二级筒身位于所述吸附级一级筒身内，所述吸附级一级筒身位于所述吸附级真空罩内，所述吸附式制冷机固定于所述吸附级二级筒身上，所述吸附式制冷机的蒸发
皿位于所述吸附级二级筒身内，通过所述蒸发皿提供第三温度，且所述吸附级一级筒身与所述一级冷屏筒连接以获得所述第一温度，所述吸附级二级筒身与所述二级冷头连接以获得第二温度；
11.光学自对准模块，所述光学自对准模块与所述吸附式制冷模块横向交错排布，所述光学自对准模块包括器件承载件，所述器件承载件位于所述吸附级二级筒身内并与所述蒸发皿相接触，为所述器件承载件中的待测器件提供所述第三温度，且所述第三温度低于所述第二温度。
12.优选地，所述低温冷源模块为gm制冷机。
13.优选地，所述吸附级真空罩设置有可拆卸的吸附级真空密封板，所述吸附级一级筒身设置有可拆卸的吸附级一级冷板，所述吸附级二级筒身设置有可拆卸的吸附级二级冷板，且所述吸附级真空密封板、所述吸附级一级冷板与所述吸附级二级冷板对应设置，通过拆卸所述吸附级真空密封板、所述吸附级一级冷板与所述吸附级二级冷板，更换所述待测器件。
14.优选地，所述第一温度小于40k，所述第二温度小于4.2k，所述第三温度小于0.35k。
15.优选地，所述真空罩与所述吸附级真空罩相连通，以通过同一真空泵为测试系统提供真空环境。
16.优选地，所述光学自对准模块还包括空间光耦合自对准模块或光纤自对准模块。
17.优选地，所述空间光耦合自对准模块包括空间光耦合型器件、滤波片、波纹管和透镜固定板，其中，所述空间光耦合型器件固定在所述器件承载件上；所述滤波片可拆卸固定在所述吸附级二级冷板、所述吸附级一级冷板及所述吸附级真空密封板中的一种或组合上；所述波纹管通过卡箍一端固定在所述吸附级真空密封板上另一端固定在所述透镜固定板上，且两端固定处设置有密封圈；所述透镜固定板设置有内螺纹接口、光源透镜轴向密封圈、透镜和光源透镜径向密封圈，所述光源透镜轴向密封圈和所述光源透镜径向密封圈位于所述透镜的两侧，以确保真空环境。
18.优选地，所述光纤自对准模块包括光纤型器件、光纤、波纹管、光纤接头面板和透镜固定板，其中，所述光纤型器件固定在所述器件承载件上；所述光纤一端固定在所述光纤型器件上另一端固定在所述光纤接头面板上；所述波纹管通过卡箍一端固定在所述吸附级真空密封板上另一端固定在所述透镜固定板上，且两端固定处设置有密封圈；所述光纤接头面板设置有外螺纹接口，通过所述外螺纹接口与设置有内螺纹接口的所述透镜固定板螺旋固定形成可拆卸连接；所述透镜固定板设置有内螺纹接口、光源透镜轴向密封圈、透镜和光源透镜径向密封圈，所述光源透镜轴向密封圈和所述光源透镜径向密封圈位于所述透镜的两侧，以确保真空环境。
19.优选地，所述波纹管为标准件且长度可变，根据光源和制冷系统不同距离需求或光纤尺寸选购相应长度的波纹管。
20.优选地，所述吸附式制冷模块竖向轴线方向与所述光学自对准模块共轴线方向垂直设置。
21.如上所述，本发明的一种光学自对准极低温测试系统包括低温冷源模块、吸附式制冷模块及光学自对准模块，低温冷源模块与吸附式制冷模块横向并排排布，降低了极低
温测试系统的高度，方便后续的拆卸安装；低温冷源模块的真空罩与吸附式制冷模块的吸附级真空罩相连通，通过同一真空泵提供真空环境，减少空气对流造成的热损失；吸附级一级筒身与一级冷屏筒连接以获得第一温度，吸附级二级筒身与二级冷头连接以获得第二温度，给器件提供了两级封闭低温环境，可减少极低温测试系统对待测器件的辐射漏热，提供恒定的极低温环境，保证器件正常工作；设置可拆卸的吸附级真空密封板、吸附级一级冷板与吸附级二级冷板，通过拆卸吸附级真空密封板、吸附级一级冷板与吸附级二级冷板，简单方便地更换器件、滤波片、光纤，一人便可独立拆卸安装。
22.同时透镜固定板设置有内螺纹接口，与带外螺纹接口的光纤接头面板螺旋固定形成可拆卸连接，从而使光学自对准极低温测试系统能够兼容光纤和自由空间这两种真空光传播方式，突破传统壁垒，大大提高光学自对准极低温测试系统的应用范围。
附图说明
23.图1显示为现有技术中的偏置型极低温测试系统结构示意图。
24.图2显示为现有技术中的同轴型极低温测试系统结构示意图。
25.图3显示为吸附式制冷机的工作原理示意图。
26.图4显示为本发明实施例中的光学自对准极低温测试系统的结构示意图。
27.图5显示为本发明实施例中的空间光耦合自对准模块的结构示意图。
28.图6显示为本发明实施例中的光纤自对准模块的结构示意图。
29.元件标号说明
30.101
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4k热沉
31.102
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吸附床
32.103
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泵管
33.104
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蒸发皿
34.105
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热开关
35.210
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gm制冷机
36.211
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gm制冷机一级冷头
37.212
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gm制冷机二级冷头
38.213
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gm级一级冷屏筒
39.214
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gm级真空罩
40.220
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吸附式制冷机
41.221
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吸附级二级筒身
42.222
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吸附级二级冷板
43.223
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吸附级一级筒身
44.224
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吸附级一级冷板
45.225
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吸附级真空罩
46.226
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吸附级真空密封板
47.230
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kf40接口
48.240
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gm制冷机支撑板
49.250
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系统固定板
50.260
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吸附级真空罩支撑杆
51.270
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kf40卡箍
52.280
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光学底座接杆
53.290
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光学平台
54.300
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器件承载件
55.310
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器件
56.320
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透镜固定板
57.321
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透镜
58.322
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光源透镜径向密封圈
59.323
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光源透镜轴向密封圈
60.330
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kf40波纹管
61.331
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kf40密封圈
62.340
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吸附级真空滤波片
63.350
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吸附级一级滤波片
64.360
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吸附级二级滤波片
65.370
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光纤接头面板
66.380
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光纤
具体实施方式
67.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
68.如在图4-图6详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
69.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
70.如图1与图2所示，现有极低温测试系统中低温冷源模块与吸附式制冷模块在竖直方向上同轴或偏置型排布，造成整个极低温测试系统整体高度过高，整个系统体积庞大，实际拆卸安装不易。同时，在真空系统中常用空间光耦合或光纤进行真空腔内外的光信号传输，但由于种种限制，目前已有的真空内外光学传输方式无法同时兼容这两种光传输方式，为系统的实际应用带来极大的不便。
71.本发明能够解决以上所有技术问题，为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本方案具体实施例做详细的说明。
72.如图4所示，本实施例提供一种光学自对准极低温测试系统，所述光学自对准极低温测试系统至少包括：
73.低温冷源模块，所述低温冷源模块包括一级冷头211、一级冷屏筒213、二级冷头212和真空罩214，其中，所述一级冷屏筒213位于所述二级冷头212外围并与所述一级冷头211相接触，所述真空罩214包覆所述一级冷头211、所述一级冷屏筒213及所述二级冷头212，通过所述一级冷头211提供第一温度，通过所述二级冷头212提供第二温度，且所述第二温度低于所述第一温度；
74.吸附式制冷模块，所述吸附式制冷模块与所述低温冷源模块横向并排排布，所述吸附式制冷模块包括吸附式制冷机220、吸附级二级筒身221、吸附级一级筒身223及吸附级真空罩225，其中，所述吸附级二级筒身221位于所述吸附级一级筒身223内，所述吸附级一级筒身223位于所述吸附级真空罩225内，所述吸附式制冷机220固定于所述吸附级二级筒身221上，所述吸附式制冷机220的蒸发皿位于所述吸附级二级筒身221内，通过所述蒸发皿提供第三温度，且所述吸附级一级筒身223与所述一级冷屏筒213连接以获得所述第一温度，所述吸附级二级筒身221与所述二级冷头212连接以获得第二温度；
75.光学自对准模块，所述光学自对准模块与所述吸附式制冷模块横向交错排布，所述光学自对准模块包括器件承载件300，所述器件承载件300位于所述吸附级二级筒身内并与所述蒸发皿相接触，为所述器件承载件300中的待测器件310提供所述第三温度，且所述第三温度低于所述第二温度。
76.作为示例，所述低温冷源模块为gm制冷机210。
77.具体的，如图4，本实施例中，所述gm制冷机210插入gm制冷机支撑板240，通过所述gm制冷机支撑板240固定在系统固定板250；所述gm制冷机210与所述吸附式制冷模块在横向上并排排布，所述吸附式制冷模块通过吸附级真空罩支撑杆260固定在所述系统固定板250上，如此大大降低了整个设备的高度，便于安装拆卸。
78.作为示例，所述吸附级真空罩225设置有可拆卸的吸附级真空密封板226，所述吸附级一级筒身223设置有可拆卸的吸附级一级冷板224，所述吸附级二级筒身221设置有可拆卸的吸附级二级冷板222，且所述吸附级真空密封板226、所述吸附级一级冷板224与所述吸附级二级冷板222对应设置，通过拆卸所述吸附级真空密封板226、所述吸附级一级冷板224与所述吸附级二级冷板222，更换所述待测器件310。
79.具体的，如图4，本实施例中，所述吸附级真空罩225设置有可拆卸的吸附级真空密封板226，所述吸附级一级筒身223设置有可拆卸的吸附级一级冷板224，所述吸附级二级筒身221设置有可拆卸的吸附级二级冷板222，且所述吸附级真空密封板226、所述吸附级一级冷板224与所述吸附级二级冷板222对应设置，位于所述吸附式制冷模块的同一侧；拆卸掉所述吸附级真空密封板226、所述吸附级一级冷板224与所述吸附级二级冷板222，便可以更换所述待测器件310或其他元件，简单方便，单人便可以独立完成。
80.作为示例，所述第一温度小于40k，所述第二温度小于4.2k，所述第三温度小于0.35k。
81.具体的，如图4，本实施例中，所述gm制冷机210为两级gm制冷机，启动工作后能够提供两级制冷温度，所述gm制冷机一级冷头211能够提供小于40k的所述第一温度，所述gm制冷机二级冷头212能够提供小于4.2k的所述第二温度；所述吸附级一级筒身223通过所述gm级一级冷屏筒213与所述gm制冷机一级冷头211相连接获得小于40k的所述第一温度，所述吸附式制冷机220通过所述吸附级二级筒身221与gm制冷机二级冷头212连接以获得小于
4.2k的所述第二温度，此所述第二温度作为所述吸附式制冷机220的4k热沉温度。
82.关于所述吸附式制冷机的工作原理可参阅图3，所述吸附式制冷机至少包括4k热沉101、吸附床102、泵管103、蒸发皿104和热开关105，它利用活性炭吸附能力与温度的相关性，在吸附过程中所述热开关105闭合，所述4k热沉101通过所述热开关105给所述吸附床102内的活性炭提供4k冷却温度，随着温度的降低活性炭吸附能力增加，所述蒸发皿104内的氦气不断被吸附，导致所述蒸发皿104内饱和蒸汽压减小温度也相应减小，产生制冷效应以使所述蒸发皿104获得小于0.35k的所述第三温度，从而给通过所述器件承载件300与所述蒸发皿104相接触的所述待测器件310提供所述第三温度工作环境。
83.所述第三温度区外还有所述第一温度与所述第二温度两级封闭的低温环境，从而能够减少系统对所述待测器件310的辐射漏热，减少热损失保持恒温，保证所述待测器件310正常工作。
84.作为示例，所述真空罩214与所述吸附级真空罩225相连通，以通过同一真空泵为测试系统提供真空环境。
85.具体的，如图4，本实施例中，所述gm级真空罩214与所述吸附级真空罩225固定且相连通，通过所述吸附级真空罩225顶部的kf40接口230连接真空泵，为极低温测试系统提供真空环境，减少空气对流造成的热损失，且所述kf40接口230是标准件，它也能够作为电学接口或光学接口与其他部件相连接。
86.作为示例，所述光学自对准模块还包括空间光耦合自对准模块或光纤自对准模块。
87.具体的，本发明的光学自对准模块既能利用空间光耦合的方式进行真空腔内外的光信号传输，还能够利用光纤的方式进行真空腔内外的光信号传输，具体采用什么方式进行光信号传输主要取决于放在所述蒸发皿104端的所述待测器件310，如果所述待测器件310是光纤接口就选择光纤进行光信号传输，如果所述待测器件310是空间光耦合形式，就选择空间光耦合进行光信号的传输。
88.作为示例，所述空间光耦合自对准模块包括空间光耦合型器件310、滤波片360、350及340、波纹管330和透镜固定板320，其中，所述空间光耦合型器件310固定在所述器件承载件300上；所述滤波片可拆卸固定在所述吸附级二级冷板222、所述吸附级一级冷板224及所述吸附级真空密封板226中一种或组合上；所述波纹管330通过卡箍270一端固定在所述吸附级真空密封板226上另一端固定在所述透镜固定板320上，且两端固定处设置有密封圈331；所述透镜固定板320设置有内螺纹接口(未示出)、光源透镜轴向密封圈323、透镜321和光源透镜径向密封圈322，所述光源透镜轴向密封圈323和所述光源透镜径向密封圈322位于所述透镜321的两侧，以确保真空环境。
89.具体的，如图5，本实施例中，所述空间光耦合自对准模块包括：所述空间光耦合型器件310、所述滤波片360、350及340、所述波纹管330和所述透镜固定板320，其中，所述空间光耦合型器件310固定在所述器件承载件300上；所述滤波片360可拆卸固定在所述吸附级二级冷板222上、所述滤波片350可拆卸固定在所述吸附级一级冷板224上和所述滤波片340可拆卸固定在所述吸附级真空密封板226上，根据需要可自由更换不同的滤波片；所述波纹管330通过所述卡箍270一端固定在所述吸附级真空密封板226上另一端固定在所述透镜固定板320上，且在两端固定处还有密封圈331，所述卡箍270与所述密封圈331配合使用保证
真空环境；所述透镜固定板320设置有内螺纹接口(未示出)，还有所述光源透镜轴向密封圈323、所述透镜321和所述光源透镜径向密封圈322，且所述光源透镜轴向密封圈323和所述光源透镜径向密封圈322位于所述透镜321的两侧，当真空泵抽气时对所述透镜321会有一个吸力，所述透镜321会压住所述光源透镜轴向密封圈323，配合所述光源透镜径向密封圈322保证真空环境。
90.详细的，如图5，本实施例中，所述空间光耦合自对准模块包含所述滤波片360固定在所述吸附级二级冷板222、所述滤波片350固定在所述吸附级一级冷板224、所述滤波片340固定在所述吸附级真空密封板226上，但这三个所述滤波片并非必须同时存在，实验人员根据实际情况自由选择所需滤波片，安装1个、2个或者3个所述滤波片，具体可根据需要进行选择，以扩大所述光学自对准极低温测试系统的应用范围。
91.在所述空间光耦合自对准模块中所述空间光耦合型器件310、所述滤波片360、350及340、所述波纹管330和所述透镜固定板320共轴，本实施例中，所述空间光耦合自对准模块的共轴线方向与所述吸附式制冷模块竖向轴线方向相垂直，从而以一种垂直分布形貌的呈现，但所述空间光耦合自对准模块的共轴线方向与所述吸附式制冷模块竖向轴线方向的夹角度数并非局限于此，也可灵活的选用夹角为60
°
、120
°
等，具体可根据需要进行选择，以扩大所述光学自对准极低温测试系统的适用范围。
92.作为示例，所述光纤自对准模块包括光纤型器件310、光纤380、波纹管330、光纤接头面板370和透镜固定板320，其中，所述光纤型器件310固定在所述器件承载件300上；所述光纤380一端固定在所述光纤型器件310上另一端固定在所述光纤接头面板370上；所述波纹管330通过卡箍270一端固定在所述吸附级真空密封板226上另一端固定在所述透镜固定板320上，且两端固定处设置有密封圈331；所述光纤接头面板370设置有外螺纹接口(未示出)，通过所述外螺纹接口与设置有内螺纹接口的所述透镜固定板320螺旋固定形成可拆卸连接；所述透镜固定板320设置有内螺纹接口、光源透镜轴向密封圈323、透镜321和光源透镜径向密封圈322，所述光源透镜轴向密封圈323和所述光源透镜径向密封圈322位于所述透镜321的两侧，以确保真空环境。
93.具体的，如图6，本实施例中，所述光纤自对准模块包含所述光纤型器件310、所述光纤380、所述波纹管330、所述光纤接头面板370和所述透镜固定板320，其中，所述光纤型器件310固定在所述器件承载件300上；所述光纤380一端固定在所述光纤型器件310上另一端穿过所述波纹管330固定在所述光纤接头面板370上；所述波纹管330通过所述卡箍270一端固定在所述吸附级真空密封板226上另一端固定在所述透镜固定板320上，且两端固定处设置有所述密封圈331，所述卡箍270与所述密封圈331配合保证真空环境；所述光纤接头面板370设置有外螺纹接口，通过所述外螺纹接口与设置有内螺纹接口的所述透镜固定板320螺旋固定组成一个整体，不需要所述光纤接头面板370时可以随时拆卸，简单方便；所述透镜固定板320设置有内螺纹接口、光源透镜轴向密封圈323、透镜321和光源透镜径向密封圈322，所述内螺纹接口用以螺旋安装拆卸所述光纤接头面板370，所述光源透镜轴向密封圈323和所述光源透镜径向密封圈322位于所述透镜321的两侧，当真空泵抽气时对所述透镜321会有一个吸力，所述透镜321会压住所述光源透镜轴向密封圈323，配合所述光源透镜径向密封圈322，以保证光纤光信号传输的真空密闭性。
94.在所述光纤自对准模块中所述光纤型器件310、所述光纤380、所述波纹管330、所
述光纤接头面板370和所述透镜固定板320共轴，本实施例中，所述光纤自对准模块的共轴线方向与所述吸附式制冷模块竖向轴线方向相垂直，从而以一种垂直分布形貌的呈现，但所述光纤自对准模块的共轴线方向与所述吸附式制冷模块轴线方向的夹角度数并非局限于此，也可灵活的选用夹角为60
°
、120
°
等，具体可根据需要进行选择，以扩大所述光学自对准极低温测试系统的适用范围
95.作为示例，所述波纹管330为标准件且长度可变，根据光源和制冷系统不同距离需求或光纤尺寸选购相应长度的波纹管。
96.具体的，如图5及图6所示，所述波纹管330采用kf40波纹管，是标准件且有各种不同的长度。当使用空间光耦合自对准模块时，根据光源和制冷系统间的距离要求选择适当长度的所述kf40波纹管；当使用光纤自对准模块时，根据光纤的尺寸选择适当长度的所述kf40波纹管。
97.综上所述，本发明的一种光学自对准极低温测试系统包括低温冷源模块、吸附式制冷模块及光学自对准模块，低温冷源模块与吸附式制冷模块横向并排排布，降低了极低温测试系统的高度，方便后续的拆卸安装；低温冷源模块的真空罩与吸附式制冷模块的吸附级真空罩相连通，通过同一真空泵提供真空环境，减少空气对流造成的热损失；吸附级一级筒身与一级冷屏筒连接以获得第一温度，吸附级二级筒身与二级冷头连接以获得第二温度，给器件提供了两级封闭低温环境，可减少极低温测试系统对待测器件的辐射漏热，提供恒定的极低温环境，保证器件正常工作；设置可拆卸的吸附级真空密封板、吸附级一级冷板与吸附级二级冷板，通过拆卸吸附级真空密封板、吸附级一级冷板与吸附级二级冷板，简单方便地更换器件、滤波片、光纤，一人便可独立拆卸安装。
98.同时透镜固定板设置有内螺纹接口，与带外螺纹接口的光纤接头面板螺旋固定形成可拆卸连接，从而使光学自对准极低温测试系统能够兼容光纤和自由空间这两种真空光传播方式，突破传统壁垒，大大提高光学自对准极低温测试系统的应用范围。
99.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。