CN217466684U - 一种材料相变过程的成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种材料相变过程的成像装置，包括：量子级联激光器，用于在低温环境下发出成像光；耦合输出结构，用于收集所述成像光并进行准直；扩束装置，用于将准直后的所述成像光扩束成共焦的多束激光；透镜，用于将所述共焦的多束激光转变为平行光并照射到样品板上的测试样品；镜头，用于接收穿过所述测试样品的平行光，并成像于热探测阵列的敏感面上。本实用新型能够有效避免被测样品因加热带来的热辐射干扰。

Description

一种材料相变过程的成像装置

技术领域

本实用新型涉及成像技术领域，特别是涉及一种材料相变过程的成像装置。

背景技术

二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物，研究表明，相变前后材料结构的变化使得二氧化钒对红外光呈现出由透射向反射的可逆转变，比如正常制备的二氧化钒在其温度由室温升高至68℃时，由绝缘相转变成金属相，当温度下降至室温时又转变回绝缘相。对这种可逆相变的研究可以追溯到20世纪60年代，当前对二氧化钒的研究主要集中于相变机理以及相变过程的应用。二氧化钒这种相变后所具有的导电特性使其在智能控温薄膜、电子装置、光器件以及光电类设备中具有广泛应用潜力。

硅基二氧化钒是二氧化钒材料体系中非常重要的一个分支，它是通过在硅衬底上先后沉积过渡层和单晶二氧化钒层制备而成。由于硅材料在可见光波段几乎没有透过率，在红外波段具有较好的透过率，且二氧化钒材料本身在红外波段具有较高的透过率，因此其相变过程的观测波段适合采用红外波段。然而，加热至68℃后的二氧化钒及硅衬底材料本身也会产生较强的热辐射，其中心波长在8μm左右，因此采用常规的8-14μm热探测阵列来成像观测时，会受其自身热辐射的影响。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种材料相变过程的成像装置，能够有效避免被测样品因加热带来的热辐射干扰。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种材料相变过程的成像装置，包括：

量子级联激光器，用于在低温环境下发出成像光；

耦合输出结构，用于收集所述成像光并进行准直；

扩束装置，用于将准直后的所述成像光扩束成共焦的多束激光；

透镜，用于将所述共焦的多束激光转变为平行光并照射到样品板上的测试样品；

镜头，用于接收穿过所述测试样品的平行光，并成像于热探测阵列的敏感面上。

所述量子级联激光器为脊条型端面出光器件，工作波长为60μm-250μm。

所述耦合输出结构为离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜的直径焦距比大于或等于1。

所述低温环境通过制冷机实现，所述量子级联激光器和耦合输出结构均位于所述低温环境内，所述低温环境设置有密封窗片，准直后的所述成像光穿过所述密封窗片到达所述扩束装置。

所述扩束装置为90度二维摆动反射镜，所述90度二维摆动反射镜在两个维度上的反射镜沿成像光传播方向的投影尺寸相同。

所述透镜为双凸透镜。

所述样品板的透过率超过80％。

所述镜头中的光学元件的材质为高阻硅，所述热探测阵列的工作波长为60μm-300μm。

所述扩束装置、透镜、样品板、镜头和热探测阵列通过光路支架竖直依次排布，实现桌面式的竖直方向的成像光路。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本实用新型采用量子级联激光器作为成像光源，通过太赫兹光来对硅基二氧化钒相变过程进行成像可有效避免被测样品因加热带来的热辐射干扰，提高成像的信噪比和成像质量，通过透射成像的方法更有效地区分出相变前后的硅基二氧化钒材料。

本实用新型采用直径焦距比大于等于1的离轴抛物面反射镜作为成像光源的耦合输出结构，可最大限度地收集量子级联激光器的端面出光，为成像***提供尽可能大的成像光功率。

本实用新型采用高反射率的二维摆镜作为扩束光学装置和单透镜进行光路准直，实现成像视场扩大的同时可有效降低光路损耗，提高成像信噪比。

本实用新型采用桌面式的竖直方向成像光路，即可以实现对固体的成像，也可以实现对液体样品的成像，对成像样品的形状和种类限制小，且方便样品的取下和放置，适用于太赫兹波段的成像分析及穿透性演示。

附图说明

图1是本实用新型实施方式的结构示意图；

图2是采用本实用新型实施方式获得的硅基二氧化钒材料示意图，其中，(a)为金属相的太赫兹图像；(b)为绝缘相的太赫兹图像；(c)为水平方向像素X＝191处两者信号曲线的对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型的第一实施方式涉及一种材料相变过程的成像装置，如图1所示，包括：量子级联激光器1，用于在低温环境下发出成像光；耦合输出结构，用于收集所述成像光并进行准直；扩束装置，用于将准直后的所述成像光扩束成共焦的多束激光；透镜6，用于将所述共焦的多束激光转变为平行光并照射到样品板7上的测试样品8；镜头9，用于接收穿过所述测试样品8的平行光，并成像于热探测阵列10的敏感面上。

本实施方式中耦合输出结构采用离轴抛物面反射镜3实现，扩束装置采用摆镜5实现，低温环境由制冷机2实现，其中，量子级联激光器1和离轴抛物面反射镜3均位于低温环境中，离轴抛物面反射镜3准直后的成像光通过设置在低温环境上的密封窗片4到达扩束装置。其中，热探测阵列10可以与计算机12相连，通过计算机12可以获取热探测阵列10的电信号。

其中，量子级联激光器1在所述制冷机2提供的低温环境下发出的成像光经所述离轴抛物面反射镜3收集和准直，然后透过密封窗片4到达所述摆镜5，所述摆镜5通过二维快速摆动将入射的单束光扩束成共焦的多束激光，经过所述透镜6后变成平行光，经所述样品板7之后到达所述镜头9，最后被所述镜头9成像于所述热探测阵列10的敏感面上。

本实施方式中，所述镜头9与所述热探测阵列10可以形成一个组合体，连同样品板7、透镜6和摆镜5分别依次竖直安装于光学支架11上，以实现桌面式的竖直方向的成像光路。这种成像光路即可以实现对固体的成像，也可以实现对液体样品的成像，对成像样品的形状和种类限制小，且方便样品的取下和放置，适用于太赫兹波段的成像分析及穿透性演示。本实施方式中的热探测阵列10上产生的电信号连接至所述计算机12，其可以由所述计算机12控制其开启或关闭，通过调节所述镜头9、热探测阵列10、透镜6和样品板7的高度，最终形成对所述样品板7上被测样品8的成像光路；成像时，通过对所述摆镜5的振动频率和振动幅度等参数进行设置和控制，计算机12对所述热探测阵列10中的信号进行读取和显示，并记录所述样品板7上被测样品8的图像及其随时间变化形成的相变过程。

本实施方式采用量子级联激光器作为成像光源，通过太赫兹光来对硅基二氧化钒相变过程进行成像可有效避免被测样品因加热带来的热辐射干扰，提高成像的信噪比和成像质量，通过透射成像的方法可以更有效地区分出相变前后的材料。

作为优选，本实施方式中的量子级联激光器1可以为脊条型端面出光器件，其工作波长可覆盖60μm-250μm，所述制冷机2可以为电制冷机，包括斯特林型制冷机和脉管型制冷机；所述离轴抛物面反射镜3的直径焦距比大于或等于1，直径小于或等于15mm，采用该参数下的离轴抛物面反射镜作为成像光源的耦合输出结构，可最大限度地收集量子级联激光器的端面出光，其能够为成像***提供尽可能大的成像光功率；所述摆镜5可以为90度二维摆动反射镜，其在X方向的摆动频率为100Hz，振幅±1.5°，Y方向的摆动频率为325Hz，振幅±1.5°，所述摆镜5两个维度上的反射镜沿成像光传播方向的投影尺寸均为0.5英寸；所述透镜6为双凸透镜，其通光孔径为50.8mm，焦距为120mm；本实施方式采用二维摆镜作为扩束光学装置和双凸透镜进行光路准直，实现成像视场扩大的同时可有效降低光路损耗，提高成像信噪比。所述样品板7的材质可以为高密度聚乙烯，厚度1mm，其在60μm-250μm的透过率大于80％，能够确保透光率为透射成像提供基础；所述镜头9中的透镜的材质为高阻硅，其焦距为28.2mm，F数为1.0，在60μm-250μm波段，高阻硅材质的透镜的折射率相对其他材质的透镜折射率更高，吸收更小，透过率更高，镀增透膜后的透过率能达到80％以上，从而能够确保成像效果；所述光学支架11的材质为铝合金，高度为500mm。所述热探测阵列10的工作波长为60μm-300μm，其敏感面材料为氧化钒；作为可选地，所述热探测阵列10的帧率为8Hz，像素为320×240，像元尺寸为23.5μm。

不难发现，本实施方式的材料相变过程的成像装置可以有效克服常规红外波段成像受热辐射影响大的缺点，实现对硅基二氧化钒相变过程的成像观测与分析。

下面以硅基二氧化钒为被测样品进一步说明本实施方式的成像装置的使用方法，具体包括以下步骤：

S10：开启成像装置，将被测硅基二氧化钒样品放置于所述样品板正中央；

S20：调节所述镜头的焦距和所述摆镜的振动频率和振动幅度，使被测硅基二氧化钒样品的图像清晰地显示于所述热探测阵列上；

S30：将被测硅基二氧化钒样品从所述样品板上取下，然后加热至金属相；

S40：通过所述计算机开启所述热探测阵列的记录功能；

S50：将金属相的被测硅基二氧化钒样品放回至所述样品板正中央，采用所述热探测阵列的记录功能，获取被测硅基二氧化钒样品由金属相转变成绝缘相的所有图像；

S60：选取被测量到的硅基二氧化钒样品由金属相转变成绝缘相的图像进行截面分析，根据绝缘相和金属相之间所有图像记录的时间间隔计算得到被测样品的相变时间。

在本实施方式中，量子级联激光器的工作波长为70μm，有效输出功率为2.1mW；所述硅基二氧化钒样品的厚度为0.52mm，直径为15mm；所述样品板与经过所述摆镜形成的发散光束反向会聚点的距离为220mm，所述镜头底部距离所述样品板的距离为170mm；采用上述成像方法和成像参数，实现了对硅基二氧化钒样品的透射成像，结果如图2所示，获得了硅基二氧化钒样品的金属相太赫兹图像和绝缘相太赫兹图像，以及水平方向像素X＝191处两者信号曲线的对比；其记录了硅基二氧化钒样品的相变过程，测得相变的时间为4.6s。

不难发现，本实用新型采用量子级联激光器作为成像光源，通过太赫兹光来对二氧化钒相变过程进行成像可有效避免被测样品因加热带来的热辐射干扰，提高成像的信噪比和成像质量，通过透射成像的方法更有效地区分出相变前后的二氧化钒材料。

本实用新型采用直径焦距比大于等于1的离轴抛物面反射镜作为成像光源的耦合输出结构，可最大限度地收集量子级联激光器的端面出光，为成像***提供尽可能大的成像光功率。

本实用新型采用高反射率的二维摆镜作为扩束光学装置和单透镜进行光路准直，实现成像视场扩大的同时可有效降低光路损耗，提高成像信噪比。

本实用新型采用桌面式的竖直方向成像光路，即可以实现对固体的成像，也可以实现对液体样品的成像，对成像样品的形状和种类限制小，且方便样品的取下和放置，适用于太赫兹波段的成像分析及穿透性演示。

Claims (9)

1.一种材料相变过程的成像装置，其特征在于，包括：

量子级联激光器，用于在低温环境下发出成像光；

耦合输出结构，用于收集所述成像光并进行准直；

扩束装置，用于将准直后的所述成像光扩束成共焦的多束激光；

透镜，用于将所述共焦的多束激光转变为平行光并照射到样品板上的测试样品；

镜头，用于接收穿过所述测试样品的平行光，并成像于热探测阵列的敏感面上。

2.根据权利要求1所述的材料相变过程的成像装置，其特征在于，所述量子级联激光器为脊条型端面出光器件，工作波长为60μm-250μm。

3.根据权利要求1所述的材料相变过程的成像装置，其特征在于，所述耦合输出结构为离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜的直径焦距比大于或等于1。

4.根据权利要求1所述的材料相变过程的成像装置，其特征在于，所述低温环境通过制冷机实现，所述量子级联激光器和耦合输出结构均位于所述低温环境内，所述低温环境设置有密封窗片，准直后的所述成像光穿过所述密封窗片到达所述扩束装置。

5.根据权利要求1所述的材料相变过程的成像装置，其特征在于，所述扩束装置为90度二维摆动反射镜，所述90度二维摆动反射镜在两个维度上的反射镜沿成像光传播方向的投影尺寸相同。

6.根据权利要求1所述的材料相变过程的成像装置，其特征在于，所述透镜为双凸透镜。

7.根据权利要求1所述的材料相变过程的成像装置，其特征在于，所述样品板的透过率超过80％。

8.根据权利要求1所述的材料相变过程的成像装置，其特征在于，所述镜头中的光学元件的材质为高阻硅，所述热探测阵列的工作波长为60μm-300μm。

9.根据权利要求1所述的材料相变过程的成像装置，其特征在于，所述扩束装置、透镜、样品板、镜头和热探测阵列通过光路支架竖直依次排布，实现桌面式的竖直方向的成像光路。

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