第29卷第4期
2010年4月
实验室研究与探索
RESEARCHANDEXPLORATIONINLABORATORY
V01.29
No.4
Apr.2010
测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数实验
肖晓芳,
陈丽梅,
程敏熙
(华南师范大学物理电信工程学院,广东广州510006)
摘要:为了测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数,设计了基于水平光路的玻璃热膨胀系数和折射率温度系数的测量方法。运用光束在玻璃样品中发生干涉的原理,用自然降温法进行测量。实验得到干涉光斑的条纹移动数与温度呈线性关系,通过拟合实验曲线的斜率,即可计算该玻璃样品的热膨胀系数和折射率温度系数。该实验装置结构简单、调节方便、条纹移动清晰,自然降温法获得的数据线性良好,
精确度高。
关键词:热膨胀系数;折射率温度系数;水平光路
中图分类号:O4.33
文献标识码:A
文章编号:1006—7167(2010)04—0024—03
ExperimentofMeasuringtheThermalExpansionCoefficientandtheCoefficientofGlassRefractionIndexAgainstTemperature
XIAOXiao-fang,
CHENLi—mei,
CHENGMin—xi
(SchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineering;SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510006,China)
Abstract:Tomeasurethethermalexpansioncoefficientandthecoefficientofglassrefractionindexagainsttemperature,
a
methodbased
on
thehorizontal
lightpathwasdesigned.Theprincipleisthatthere
a
occursinterferencein
theglass
sample,andthetemperatureisreducednaturally.Thereis
a
linearrelationshipbetweenthenumberofmovingfringesin
spot
andthetemperature.Thethermalexpansioncoefficientandthecoefficientofglassrefractionindexagainsttemper・
can
aturebeworked
out
withtheslopeofcurves.Theexperimentalinstrumentissimpleandconvenient
are
to
adjust.The
moving
interferencefringes
clear.Sothedata
are
in
goodlinearityandtheresults
are
ofhighprecisionaccompanied
coolingnaturally.
Keywords:thermalexpansioncoefficient;coefficientofrefractionindexagainsttemperature;horizontallightpath
1
引言
2原理
本实验所用的样品由均匀各向同性的玻璃制成,如图1所示。图中:A是被切去一部分的玻璃圆柱体,上下表面基本平行;B和B’是2块也被切去一部分的圆形玻璃板,每块玻璃板的上下表面不平行。3块玻璃A、曰、曰’胶合成一体。胶的折射率与玻璃相同,厚度可以忽略不计。激光从上方射向样品,如图2所示。当激光从样品的双层面反射时,在屏上可以看到3个反射光斑,而且中间光斑有干涉条纹。它是由上薄玻璃板的下表面与下薄玻璃板的上表面2束反射光干涉形成的。这2束光的光程差为2£。如果对样品加热,
一般物理实验中,未涉及玻璃热膨胀系数和折射率温度系数的测量。本文设计了基于水平方向光路的玻璃热膨胀系数和折射率温度系数实验方法,用降温法测量了某玻璃样品的热膨胀系数和折射率温度系数。实验装置结构简单,调节和观察方便。
收穑Et期:2009—05—06
基金项目:广东省高等教育教学改革工程项目(20070018)
作者简介:肖晓芳(1985一)。女,广东汕头人,硕士,主要研究方向为物理实验课程与教学。E.mail:191171883@qq.corn
通信作者:程敏熙(1962一),男,广东四会人。副教授,硕士生导师,研究方向为光电技术与系统,物理实验设计与研究。
Tel.:020-39310066;E-mail:thengmx@senti.edu.cn
设样品温度升高△£=印・AT(B为玻璃的热膨胀系
数),干涉条纹移动m。条。则有:2AL=m。A,其中,A
万方数据
第4期
肖晓芳,等:测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数实验
图1
样品
图2光路示意图
为激光的波长。可得
p=羔
(1)
当激光从样品的单层面反射时,在屏上只能看到1个有干涉条纹的光斑,它是由玻璃圆柱体的上下表面反射光的干涉形成的。这2束光的光程差为2nL,温度升高,T引起的光程差变化为
A(2nL)=2(It丽AL+L筹)△r=2L(n届+7)At
其中,r=An/AT是玻璃的折射率温度系数。设此时的干涉条纹移动了m:条,则有
2L(,猡+y)AT=m2A
即
y=羔一印
y
5瓦■亚一掣
(2)LzJ
已知£和n,只要分别测得干涉条纹移动数m.、m:与温度r的关系,由m,一T,m:一r作图,就可以分别求得卢和yh51。
3
实验方案
整个实验光路沿着水平方向(见图3)。图3中,
He.Ne激光器,光波长为632.8nm;样品:放在大铝块里的玻璃样品;带d,:fL平板:光束可以通过小孔穿过照射玻璃样品,干涉图样呈现在屏幕右侧,作为观察屏。实验元件布置在光具座上,方便激光正入射到玻璃样品上,只需要稍微调节激光器或玻璃样品上下左右的位置,便可以得到较理想的干涉图样。调节观察屏与样品的距离,得到理想的易观察的干涉图样。与图2中的竖直光路不同,实验操作中采用水平方向的光路,是为了使实验易调节、易观察,同时方便记录数据,避免较大的操作误差。
图3水平方向实验装置图
万方数据
4实验过程及结果
4.1实验方法
实验时,先将样品小心地滑人大铝块中间的样品腔中,同时插入温度传感器,然后将大铝块放在电炉上面,将它们放在升降台上。将激光器、升降台等放在光具座上。打开激光电源,调节激光器和样品的位置,使激光从样品反射时,在屏上能看到3个反射光斑,中间
1个有干涉条纹。开启电炉,对样品进行加热,加热到一定温度,关闭电炉,在样品自然降温过程中,测出于涉条纹数m,与温度r之间的关系;测完数据后,将样
品旋转至另外一侧,在屏上可以看到1个有干涉条纹的光斑,同样对样品进行加热,在样品冷却过程中,测出干涉条纹数m:与温度r之间的关系¨。o。
4.2
实验现象及数据处理
(1)激光从样品的双层面反射。调节观察屏与样
品的距离,当屏与样品距离较远时,干涉光斑较大,条纹数目少,条纹间距较大;而当屏与样品距离较近时,干涉光斑变小,条纹数目增多,条纹间距变小。实验时,选择的方便观察距离是:激光光源距离玻璃样品约
1.5
m;观察屏距离玻璃样品约1.2
m。
在样品自然降温过程中,干涉条纹缓慢移动,会发
生如图4从A—B—C过程,当该过程出现一次,干涉条纹就移动一条条纹,之后又从C—B—A,A—B—C
如此循环反复。
图4干涉条纹移动过程
将所得的实验数据用Origin软件进行画图和线性拟合,得m.一丁曲线旱线性,如图5所示。
图5m。一r拟合图
拟合结果如表1所示,表中:A为拟合直线的截距以及截距的标准差SA;B为斜率以及斜率的标准差sB;R为相关系数;SD为拟合变量m,的标准差。该直线拟合R=一0.99965,T与m。具有良好的线性关系。
直线的斜率B=一0.24141,标准差SB=0.00227,即
B=(一0.24141±0.002
27)[s-to]。
26
实
表1拟合结果数据表
ASAB
19.574260.13487一0.24l4l
验
室研
究与探
索
表2拟合结果数据表
第29卷
S曰0.00227RSD
一0.999650.08525
AsAB
65.76l88
SBRSD
O.ool12
O.11303一0.468
12
~0.999890.18l
16
在玻璃样品自然降温过程中记录数据,当干涉条纹移动1个条纹时,记录温度下降的度数,因此
5
结
语
鲁一鲁一呲4t℃-l一=一一=一¨.Z4-I.器_0.241℃。
△r
I△r
△T=0.241℃~,A=632.8
本实验用激光光束在水平方向上的光路实现了玻璃热膨胀系数和折射率温度系数的测量,结果分别是:
口=7.535
・
x
101℃~,Y=3.216
X
10“℃~。实验光
路设计水平方向,使实验操作方便、调节简单,很容易得到清晰的干涉图样。另外,采用自然冷却法,让样品缓慢降温可以保证铝块和样品构成的内腔小环境处在一个较好的热平衡状态,从而使温度测量准确,得到的数据线性良好,实验误差小。实验装置构建简单,调节和观察方便。
致谢:感谢复旦大学物理实验中心提供的实验器
材。
参考文献(References):
经转化后,即可运用卢=m。A/(2LAT),将Am。/
Dill,L=(10.12±0.05)
mm代人式(1),得口=7.535×10“℃~。
(2)激光从样品的单层面反射。当激光从样品的单层面反射时,在屏上只能看到1个干涉条纹的光斑。在样品自然降温的过程中,干涉条纹缓慢移动,会发生如图4从A—B—c过程,当该过程出现一次,干涉条纹就移动一条条纹,之后又从C—B—A,A—B—C如
此循环反复。
所得的实验数据用Origin软件进行画图和线性拟合,m2一r
4060
80
100丁/℃
120140
l
5
J沈兀华,陈兀杰,-q秀芳.光学薄膜制备中的激光测温技术【JJ.
光学仪器,1999。21(4-5):62-67.
图6
m2一r拟合图
[6]陆思渊,马秀芳,沈元华.旋转基板的激光测温[J],光学仪器,
2000,22(6):3-7.
由表2可知:R=一0.99989,说明r与/7/,2具有良好的线性关系。直线的斜率B=一0.468
0.00112,即B:(一0.468
12±0.001
12,SB=
[7]FEIYue,XIYanguang,CHEN
Yuanji。,eta1.Aut0.m8m“oftem-
12)fsqo],而该
9e”‘“…。”“”“e“‘“y1“r[J]5PIE,1998,558:87母2・
玻璃样品对应此激光波长在测量温度范围内的平均折射率为n=1.515,代入式(2),可得玻璃的折射率温度系数
y
¨1篓萎篙篡曼裟软件处理物理实验数据¨卜大学物理
[9]熊万杰,黄振中.用。喇。软件处理实验数据[J].大学物理实
验,2004,17(2):65-67.
=高一叩
m,^
types
。.
[10]李静,厉志明.普通物理实验[M],广州:华南理工大学出版
社,1994.
=3・216×10.o℃~
(上接第13页)
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Polymer
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万方数据
测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数实验
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
肖晓芳, 陈丽梅, 程敏熙, XIAO Xiao-fang, CHEN Li-mei, CHENG Min-xi华南师范大学,物理电信工程学院,广东,广州,510006实验室研究与探索
RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY2010,29(4)0次
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2.学位论文 张杨 非线性光学晶体YLaSc(BO)(x+y+z=4)的生长与光学性能研究 2007
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自上个世纪60年代以来偏光技术得到了飞速的发展,其应用渗透到与光学技术相关的各个学科领域。偏光器件作为偏光技术发展的基础,也迅速地由原来的几种发展到几十种,而且有不少专用偏光器件问世。其中,晶体偏光棱镜以其优良的性能成为发展的重点。晶体偏光棱镜在使用的过程中,通常要受到温度场的影响,主要体现在面形和折射率两个方面,虽然变化很小,但足以影响光在晶体中的传播,从而影响器件的光学性能。
本课题以天然晶体冰洲石为例,利用有限元分析方法研究其温度特性,为晶体偏光棱镜的设计和不同温度下的使用提供理论参考。全文概括起来包括以下几方面内容:
第一章绪论部分,主要介绍了偏光器件和偏光技术的发展概况,以及偏光器件的温度效应,并对进行本课题的目的和意义进行了说明。
第二章,首先介绍了冰洲石晶体热膨胀性质的各向异性,通过冰洲石晶体的主热膨胀系数张量,推导出冰洲石晶体任意方向热膨胀系数的表达式,及其零膨胀方向;然后,通过线性插值的方法得到不同波长对应的折射率及其双折射率温度系数;最后,针对温度对冰洲石晶体线性膨胀和折射率两个方面的影响,推导出温度对冰洲石晶体光程差的影响。
第三章,首先介绍了有限元分析计算的思路和方法,及其发展的概况;其次,系统地介绍了ANSYS应用软件的热分析功能;另外,对ANSYS软件进行晶体材料热分析的步骤进行了总结和归纳。
第四章,首先对晶体材料的热变形进行数学建模,理论上给出位移、应力、应变之间的关系;然后,应用ANSYS软件对冰洲石晶体进行几何建模,利用其强大的热分析功能对所建模型进行热分析。利用有限元软件ANSYS分析计算了冰洲石晶体的热形变,给出热膨胀系数有正有负的冰洲石晶体热形变的直观图示;结合第二章冰洲石晶体热膨胀的理论计算,验证了所建立的有限元模型的合理性,得出了冰洲石晶体的零膨胀方向;分别给出冰洲石晶体平行晶体光轴方向和垂直晶体光轴方向热应力的分布规律与数值;最后,在本文提出的有限元模型的基础上分析了响应时间、温差、空气流动速度三项实验条件对冰洲石晶体温度和热应力的影响,结果表明:对冰洲石晶体进行加热或冷却时,应控制好温度梯度以及空气流动速度,温度梯度过大冰洲石晶体瞬间就会被破坏。
本文的创新点:首先,理论上推导出冰洲石晶体任意方向的热膨胀系数的表达式,及其零膨胀方向,针对温度对冰洲石晶体线性膨胀和折射率两个方面的影响,推导出温度对冰洲石晶体光程差的影响;其次,引进有限元方法和ANSYS分析工具,对冰洲石晶体的热变形建模,为微观形变的测量开辟了新的途径;最后,利用ANSYS工具,对影响冰洲石晶体热学性质的三个因素进行模拟分析。 本课题的意义:
一方面,冰洲石晶体热学性质的研究为晶体偏光器件的优化设计和合理使用提供理论参考数据;
另一方面,针对关于微观形变的实验方法及设备不够完善,对微观应力应变的测量也存在局限的现实,引进有限元方法和ANSYS工具研究晶体的微小变形,将具有深远的意义。
6.期刊论文 顾培夫. 陈海星. 陆巍. 白胜元. 李海峰. 章岳光. 刘旭. 唐晋发 波分复用薄膜带通滤光片的中心波长温度稳定性 -光学学报2004,24(1)
讨论了影响波分复用薄膜滤光片中心波长漂移的因素,着重分析了滤光片的温度稳定性.根据实验结果,借助于高桥模型,分析计算了滤光片的折射率温度系数、线膨胀系数和泊松比以及它们对温度漂移的影响.得到了Ta2O5/SiO2滤光片薄膜的折射率温度系数、线膨胀系数、泊松比分别为1×10-5 ℃-1,5×10-7 ℃-1和0.12,指出了这三个参量是影响温度稳定性最重要的因素,特别是薄膜的折射率温度系数.对特定的基板热膨胀系数,通过调节滤光片的干涉级次和间隔层材料,可望得到零温度漂移的稳定滤光片.
7.期刊论文 穆廷魁. 李国华. 宋连科. MU Ting-kui. LI Guo-hua. SONG Lian-ke 石英波片相位延迟随温度的变化行为
-中国激光2006,33(7)
介绍了波片的相位延迟量随温度的变化行为,并提出一种测量相位延迟量的方法.由于温度的变化会对波片的相位延迟量产生影响,从而影响波片的使用精确度,为减小此影响,提高波片在不同温度下的使用精确度,需要对波片的特性进行分析.理论和数值地分析了石英波片的温度特性,得到石英波片的折射率温度系数和热膨胀系数的关系及折射率温度系数与波长的关系,为正确设计和使用波片提供参数选择依据.一块厚约1.8 mm的波片,对应波长632.8nm,温度每升高1℃,其延迟量约减少1°.针对石英波片在不同温度下使用时的不足之处,提出一种测量方法(即电光调制法)用来测量波片的相位延迟量,当信号电压控制在±700 V时,其延迟测量精度可控制在1%以内.
8.期刊论文 沈元华. 马秀芳. SHEN Yuan-hua. MA Xiu-fang 为2007年亚奥赛物理实验命题的体会 -物理实验2007,27(11)
笔者被聘为2007年亚奥赛物理实验命题,经过半年多的努力终于将科研成果--激光测温合理地转换为一个奥赛实验试题--干涉法测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数,本文主要介绍了命题过程及体会.
9.学位论文 胡玲 双折射晶体温度效应及其传感应用 2010
在科研和生产中,有很多温度测量问题。光纤温度传感器是20世界70年代发展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比,它具有灵敏度高,体积小,质量轻,易弯曲,不产生电磁干扰,抗电磁干扰,耐腐蚀等优点,特别适用于易燃,易爆,空间狭窄和具有腐蚀性强的气体,液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。
本文所研究的温度传感器是一种应用于常温领域,偏振调制的传光型光纤温度传感器。我们以双折射晶体为敏感元件,加上基本光学器材,设计一种光纤温度传感器。入射光的偏振态经过石英晶体发生变化,由检偏器检测偏振态的变化量。该传感器的优点是它的结构简单,并在恶劣环境下长期稳定。主要完成的工作如下:
(1)通过对单双折射晶体的温度效应研究可知,光垂直入射到晶片,入射光分解为同一方向传播,但不同速度的寻常光和非常光,他们的相位差随着温度的变化而变化,计算得出温度与相位差的关系。通过对石英晶体折射率,折射率温度系数,热膨胀系数的研究,得到石英晶体温度与相位差关系所有需要的相关参数。
(2)对晶片相位差测定方法的讨论,详细分析了偏光干涉法。
(3)完成传感器的系统设计,利用琼斯矩阵表示法描述所有光学器件,并计算出通过光学系统后出射光的偏振态与温度关系式,运用MATLAB软件得到仿真结果。
(4)完成实验,对不同厚度的晶片的实验结果进行比较,运用MATLAB对实验结果进行曲线拟合。实验结果的误差分析以及电光效应与磁光效应对的分析。
本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_sysyjyts201004008.aspx
授权使用:复旦大学图书馆(fddxlwxsjc),授权号:e8882b89-024a-4ab4-af1b-9ea600cd977c
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第29卷第4期
2010年4月
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V01.29
No.4
Apr.2010
测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数实验
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陈丽梅,
程敏熙
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精确度高。
关键词:热膨胀系数;折射率温度系数;水平光路
中图分类号:O4.33
文献标识码:A
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a
methodbased
on
thehorizontal
lightpathwasdesigned.Theprincipleisthatthere
a
occursinterferencein
theglass
sample,andthetemperatureisreducednaturally.Thereis
a
linearrelationshipbetweenthenumberofmovingfringesin
spot
andthetemperature.Thethermalexpansioncoefficientandthecoefficientofglassrefractionindexagainsttemper・
can
aturebeworked
out
withtheslopeofcurves.Theexperimentalinstrumentissimpleandconvenient
are
to
adjust.The
moving
interferencefringes
clear.Sothedata
are
in
goodlinearityandtheresults
are
ofhighprecisionaccompanied
coolingnaturally.
Keywords:thermalexpansioncoefficient;coefficientofrefractionindexagainsttemperature;horizontallightpath
1
引言
2原理
本实验所用的样品由均匀各向同性的玻璃制成,如图1所示。图中:A是被切去一部分的玻璃圆柱体,上下表面基本平行;B和B’是2块也被切去一部分的圆形玻璃板,每块玻璃板的上下表面不平行。3块玻璃A、曰、曰’胶合成一体。胶的折射率与玻璃相同,厚度可以忽略不计。激光从上方射向样品,如图2所示。当激光从样品的双层面反射时,在屏上可以看到3个反射光斑,而且中间光斑有干涉条纹。它是由上薄玻璃板的下表面与下薄玻璃板的上表面2束反射光干涉形成的。这2束光的光程差为2£。如果对样品加热,
一般物理实验中,未涉及玻璃热膨胀系数和折射率温度系数的测量。本文设计了基于水平方向光路的玻璃热膨胀系数和折射率温度系数实验方法,用降温法测量了某玻璃样品的热膨胀系数和折射率温度系数。实验装置结构简单,调节和观察方便。
收穑Et期:2009—05—06
基金项目:广东省高等教育教学改革工程项目(20070018)
作者简介:肖晓芳(1985一)。女,广东汕头人,硕士,主要研究方向为物理实验课程与教学。E.mail:191171883@qq.corn
通信作者:程敏熙(1962一),男,广东四会人。副教授,硕士生导师,研究方向为光电技术与系统,物理实验设计与研究。
Tel.:020-39310066;E-mail:thengmx@senti.edu.cn
设样品温度升高△£=印・AT(B为玻璃的热膨胀系
数),干涉条纹移动m。条。则有:2AL=m。A,其中,A
万方数据
第4期
肖晓芳,等:测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数实验
图1
样品
图2光路示意图
为激光的波长。可得
p=羔
(1)
当激光从样品的单层面反射时,在屏上只能看到1个有干涉条纹的光斑,它是由玻璃圆柱体的上下表面反射光的干涉形成的。这2束光的光程差为2nL,温度升高,T引起的光程差变化为
A(2nL)=2(It丽AL+L筹)△r=2L(n届+7)At
其中,r=An/AT是玻璃的折射率温度系数。设此时的干涉条纹移动了m:条,则有
2L(,猡+y)AT=m2A
即
y=羔一印
y
5瓦■亚一掣
(2)LzJ
已知£和n,只要分别测得干涉条纹移动数m.、m:与温度r的关系,由m,一T,m:一r作图,就可以分别求得卢和yh51。
3
实验方案
整个实验光路沿着水平方向(见图3)。图3中,
He.Ne激光器,光波长为632.8nm;样品:放在大铝块里的玻璃样品;带d,:fL平板:光束可以通过小孔穿过照射玻璃样品,干涉图样呈现在屏幕右侧,作为观察屏。实验元件布置在光具座上,方便激光正入射到玻璃样品上,只需要稍微调节激光器或玻璃样品上下左右的位置,便可以得到较理想的干涉图样。调节观察屏与样品的距离,得到理想的易观察的干涉图样。与图2中的竖直光路不同,实验操作中采用水平方向的光路,是为了使实验易调节、易观察,同时方便记录数据,避免较大的操作误差。
图3水平方向实验装置图
万方数据
4实验过程及结果
4.1实验方法
实验时,先将样品小心地滑人大铝块中间的样品腔中,同时插入温度传感器,然后将大铝块放在电炉上面,将它们放在升降台上。将激光器、升降台等放在光具座上。打开激光电源,调节激光器和样品的位置,使激光从样品反射时,在屏上能看到3个反射光斑,中间
1个有干涉条纹。开启电炉,对样品进行加热,加热到一定温度,关闭电炉,在样品自然降温过程中,测出于涉条纹数m,与温度r之间的关系;测完数据后,将样
品旋转至另外一侧,在屏上可以看到1个有干涉条纹的光斑,同样对样品进行加热,在样品冷却过程中,测出干涉条纹数m:与温度r之间的关系¨。o。
4.2
实验现象及数据处理
(1)激光从样品的双层面反射。调节观察屏与样
品的距离,当屏与样品距离较远时,干涉光斑较大,条纹数目少,条纹间距较大;而当屏与样品距离较近时,干涉光斑变小,条纹数目增多,条纹间距变小。实验时,选择的方便观察距离是:激光光源距离玻璃样品约
1.5
m;观察屏距离玻璃样品约1.2
m。
在样品自然降温过程中,干涉条纹缓慢移动,会发
生如图4从A—B—C过程,当该过程出现一次,干涉条纹就移动一条条纹,之后又从C—B—A,A—B—C
如此循环反复。
图4干涉条纹移动过程
将所得的实验数据用Origin软件进行画图和线性拟合,得m.一丁曲线旱线性,如图5所示。
图5m。一r拟合图
拟合结果如表1所示,表中:A为拟合直线的截距以及截距的标准差SA;B为斜率以及斜率的标准差sB;R为相关系数;SD为拟合变量m,的标准差。该直线拟合R=一0.99965,T与m。具有良好的线性关系。
直线的斜率B=一0.24141,标准差SB=0.00227,即
B=(一0.24141±0.002
27)[s-to]。
26
实
表1拟合结果数据表
ASAB
19.574260.13487一0.24l4l
验
室研
究与探
索
表2拟合结果数据表
第29卷
S曰0.00227RSD
一0.999650.08525
AsAB
65.76l88
SBRSD
O.ool12
O.11303一0.468
12
~0.999890.18l
16
在玻璃样品自然降温过程中记录数据,当干涉条纹移动1个条纹时,记录温度下降的度数,因此
5
结
语
鲁一鲁一呲4t℃-l一=一一=一¨.Z4-I.器_0.241℃。
△r
I△r
△T=0.241℃~,A=632.8
本实验用激光光束在水平方向上的光路实现了玻璃热膨胀系数和折射率温度系数的测量,结果分别是:
口=7.535
・
x
101℃~,Y=3.216
X
10“℃~。实验光
路设计水平方向,使实验操作方便、调节简单,很容易得到清晰的干涉图样。另外,采用自然冷却法,让样品缓慢降温可以保证铝块和样品构成的内腔小环境处在一个较好的热平衡状态,从而使温度测量准确,得到的数据线性良好,实验误差小。实验装置构建简单,调节和观察方便。
致谢:感谢复旦大学物理实验中心提供的实验器
材。
参考文献(References):
经转化后,即可运用卢=m。A/(2LAT),将Am。/
Dill,L=(10.12±0.05)
mm代人式(1),得口=7.535×10“℃~。
(2)激光从样品的单层面反射。当激光从样品的单层面反射时,在屏上只能看到1个干涉条纹的光斑。在样品自然降温的过程中,干涉条纹缓慢移动,会发生如图4从A—B—c过程,当该过程出现一次,干涉条纹就移动一条条纹,之后又从C—B—A,A—B—C如
此循环反复。
所得的实验数据用Origin软件进行画图和线性拟合,m2一r
4060
80
100丁/℃
120140
l
5
J沈兀华,陈兀杰,-q秀芳.光学薄膜制备中的激光测温技术【JJ.
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图6
m2一r拟合图
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由表2可知:R=一0.99989,说明r与/7/,2具有良好的线性关系。直线的斜率B=一0.468
0.00112,即B:(一0.468
12±0.001
12,SB=
[7]FEIYue,XIYanguang,CHEN
Yuanji。,eta1.Aut0.m8m“oftem-
12)fsqo],而该
9e”‘“…。”“”“e“‘“y1“r[J]5PIE,1998,558:87母2・
玻璃样品对应此激光波长在测量温度范围内的平均折射率为n=1.515,代入式(2),可得玻璃的折射率温度系数
y
¨1篓萎篙篡曼裟软件处理物理实验数据¨卜大学物理
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m,^
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万方数据
测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数实验
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
肖晓芳, 陈丽梅, 程敏熙, XIAO Xiao-fang, CHEN Li-mei, CHENG Min-xi华南师范大学,物理电信工程学院,广东,广州,510006实验室研究与探索
RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY2010,29(4)0次
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2.学位论文 张杨 非线性光学晶体YLaSc(BO)(x+y+z=4)的生长与光学性能研究 2007
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自上个世纪60年代以来偏光技术得到了飞速的发展,其应用渗透到与光学技术相关的各个学科领域。偏光器件作为偏光技术发展的基础,也迅速地由原来的几种发展到几十种,而且有不少专用偏光器件问世。其中,晶体偏光棱镜以其优良的性能成为发展的重点。晶体偏光棱镜在使用的过程中,通常要受到温度场的影响,主要体现在面形和折射率两个方面,虽然变化很小,但足以影响光在晶体中的传播,从而影响器件的光学性能。
本课题以天然晶体冰洲石为例,利用有限元分析方法研究其温度特性,为晶体偏光棱镜的设计和不同温度下的使用提供理论参考。全文概括起来包括以下几方面内容:
第一章绪论部分,主要介绍了偏光器件和偏光技术的发展概况,以及偏光器件的温度效应,并对进行本课题的目的和意义进行了说明。
第二章,首先介绍了冰洲石晶体热膨胀性质的各向异性,通过冰洲石晶体的主热膨胀系数张量,推导出冰洲石晶体任意方向热膨胀系数的表达式,及其零膨胀方向;然后,通过线性插值的方法得到不同波长对应的折射率及其双折射率温度系数;最后,针对温度对冰洲石晶体线性膨胀和折射率两个方面的影响,推导出温度对冰洲石晶体光程差的影响。
第三章,首先介绍了有限元分析计算的思路和方法,及其发展的概况;其次,系统地介绍了ANSYS应用软件的热分析功能;另外,对ANSYS软件进行晶体材料热分析的步骤进行了总结和归纳。
第四章,首先对晶体材料的热变形进行数学建模,理论上给出位移、应力、应变之间的关系;然后,应用ANSYS软件对冰洲石晶体进行几何建模,利用其强大的热分析功能对所建模型进行热分析。利用有限元软件ANSYS分析计算了冰洲石晶体的热形变,给出热膨胀系数有正有负的冰洲石晶体热形变的直观图示;结合第二章冰洲石晶体热膨胀的理论计算,验证了所建立的有限元模型的合理性,得出了冰洲石晶体的零膨胀方向;分别给出冰洲石晶体平行晶体光轴方向和垂直晶体光轴方向热应力的分布规律与数值;最后,在本文提出的有限元模型的基础上分析了响应时间、温差、空气流动速度三项实验条件对冰洲石晶体温度和热应力的影响,结果表明:对冰洲石晶体进行加热或冷却时,应控制好温度梯度以及空气流动速度,温度梯度过大冰洲石晶体瞬间就会被破坏。
本文的创新点:首先,理论上推导出冰洲石晶体任意方向的热膨胀系数的表达式,及其零膨胀方向,针对温度对冰洲石晶体线性膨胀和折射率两个方面的影响,推导出温度对冰洲石晶体光程差的影响;其次,引进有限元方法和ANSYS分析工具,对冰洲石晶体的热变形建模,为微观形变的测量开辟了新的途径;最后,利用ANSYS工具,对影响冰洲石晶体热学性质的三个因素进行模拟分析。 本课题的意义:
一方面,冰洲石晶体热学性质的研究为晶体偏光器件的优化设计和合理使用提供理论参考数据;
另一方面,针对关于微观形变的实验方法及设备不够完善,对微观应力应变的测量也存在局限的现实,引进有限元方法和ANSYS工具研究晶体的微小变形,将具有深远的意义。
6.期刊论文 顾培夫. 陈海星. 陆巍. 白胜元. 李海峰. 章岳光. 刘旭. 唐晋发 波分复用薄膜带通滤光片的中心波长温度稳定性 -光学学报2004,24(1)
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7.期刊论文 穆廷魁. 李国华. 宋连科. MU Ting-kui. LI Guo-hua. SONG Lian-ke 石英波片相位延迟随温度的变化行为
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介绍了波片的相位延迟量随温度的变化行为,并提出一种测量相位延迟量的方法.由于温度的变化会对波片的相位延迟量产生影响,从而影响波片的使用精确度,为减小此影响,提高波片在不同温度下的使用精确度,需要对波片的特性进行分析.理论和数值地分析了石英波片的温度特性,得到石英波片的折射率温度系数和热膨胀系数的关系及折射率温度系数与波长的关系,为正确设计和使用波片提供参数选择依据.一块厚约1.8 mm的波片,对应波长632.8nm,温度每升高1℃,其延迟量约减少1°.针对石英波片在不同温度下使用时的不足之处,提出一种测量方法(即电光调制法)用来测量波片的相位延迟量,当信号电压控制在±700 V时,其延迟测量精度可控制在1%以内.
8.期刊论文 沈元华. 马秀芳. SHEN Yuan-hua. MA Xiu-fang 为2007年亚奥赛物理实验命题的体会 -物理实验2007,27(11)
笔者被聘为2007年亚奥赛物理实验命题,经过半年多的努力终于将科研成果--激光测温合理地转换为一个奥赛实验试题--干涉法测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数,本文主要介绍了命题过程及体会.
9.学位论文 胡玲 双折射晶体温度效应及其传感应用 2010
在科研和生产中,有很多温度测量问题。光纤温度传感器是20世界70年代发展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比,它具有灵敏度高,体积小,质量轻,易弯曲,不产生电磁干扰,抗电磁干扰,耐腐蚀等优点,特别适用于易燃,易爆,空间狭窄和具有腐蚀性强的气体,液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。
本文所研究的温度传感器是一种应用于常温领域,偏振调制的传光型光纤温度传感器。我们以双折射晶体为敏感元件,加上基本光学器材,设计一种光纤温度传感器。入射光的偏振态经过石英晶体发生变化,由检偏器检测偏振态的变化量。该传感器的优点是它的结构简单,并在恶劣环境下长期稳定。主要完成的工作如下:
(1)通过对单双折射晶体的温度效应研究可知,光垂直入射到晶片,入射光分解为同一方向传播,但不同速度的寻常光和非常光,他们的相位差随着温度的变化而变化,计算得出温度与相位差的关系。通过对石英晶体折射率,折射率温度系数,热膨胀系数的研究,得到石英晶体温度与相位差关系所有需要的相关参数。
(2)对晶片相位差测定方法的讨论,详细分析了偏光干涉法。
(3)完成传感器的系统设计,利用琼斯矩阵表示法描述所有光学器件,并计算出通过光学系统后出射光的偏振态与温度关系式,运用MATLAB软件得到仿真结果。
(4)完成实验,对不同厚度的晶片的实验结果进行比较,运用MATLAB对实验结果进行曲线拟合。实验结果的误差分析以及电光效应与磁光效应对的分析。
本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_sysyjyts201004008.aspx
授权使用:复旦大学图书馆(fddxlwxsjc),授权号:e8882b89-024a-4ab4-af1b-9ea600cd977c
下载时间:2011年3月14日