温度箱入射窗方案与温度场模拟

　　1　引　言

　　温度箱的入射窗口是连接常温光应力源与施加温度的被试品的光通道。测试目标的成像光线可以看作是与窗口表面平行的平面光波,由光学理论知,初射波面与入射波面之间是等光程的。当平面波入射到存在非均匀温度场的窗口和传输介质时,由于镜面畸变和折射率梯度的变化,使出射后的等光程波面偏离了理想波面,平面波发生了畸变。因此对窗口玻璃的均匀性、面形及装卡应力等要求较严。此外,由于窗口内外温差大,使窗口材料在径向和轴向造成差分膨胀或收缩[1],低温时需要用加热装置以防止窗口内层玻璃结霜[2];在光通道中温度梯度引起的沿轴向的介质不均匀不产生光线偏折,而沿径向的介质不均匀会使入射光产生波面弯曲与相位畸变等像质问题[3],因此入射窗方案要考虑各因素使对波前影响达最小。

　　2　入射窗结构方案

　　入射窗方案设计要使所施加的光应力均匀,保证窗口附近有效温度场的一致。入射窗结构方案如图1所示。

　　带有双层高质量玻璃的绝缘窗体黏接到高低温箱壁的开孔处上。用聚硫化物密封胶将内外层玻璃黏结在绝缘的窗体上,再由密封胶圈与压圈固定,在压圈上紧后用螺纹胶锁固。为减小热传导,玻璃层间的气体应与外界密封,气体的热胀冷缩产生的压力,可通过气孔与沟槽缓冲。窗口内侧安放加热器散热防止内侧玻璃低温时结霜。

　　光窗是直径150mm、厚6mm的圆板,材料是k9玻璃。要求k9光学玻璃的光学均匀性好、双折射、光吸收达到规定标准,其楔形角及最小焦距须满足技术要求,所以对它的加工要求较高。对入射窗窗口玻璃的质量要求如表1所示。

　　窗体材料的热膨胀系数通常大于安装在其中的玻璃的热膨胀系数,因此要通过加热器散热以避免由于温度下降造成的窗体沿径向向窗口玻璃的边缘收缩。加热器采用台阶状圆腔式结构,它由电热管和壳体组成,壳体部分采用硅碳陶瓷高温材料并进行发黑处理(ε=0. 9)以强化辐射换热,电热管内的电热丝采用镍铬合金丝。螺旋型电热丝精密绕制穿过专门设计的耐高温陶瓷中,可保证绝佳的电热均匀性。热传递效率为80%以上。

　　3　窗口通道的温度场影响分析[4]

　　加热器中心部分空气的温度会比管壁附近的空气温度低,使得管中部空气折射率比管壁附近高,故使平面波变为会聚光波。窗口内侧空间还同时存在径向和轴向温度梯度。经分析只有径向折射率梯度分量(dn /dR)对光线偏折起作用,其偏折角为:

　　式中,Z为通过折射率梯度为(dδ/dy)区域的光线路径长度;δ为是光速和波长在传播过程中的分数变化;dδ/dy随z方向变化,有δ=n-1和通常在量级。