Способ измерения показателя светопоглощения и устройство для его осуществления

 

1. Способ измерения показателя светопоглощения, включающий облучение материала образца импульсным монохроматическим световым пучком, регистрацию упругой деформации на поверхности образца и определение по величине упругой деформации показателя светопоглощения, отличающийся тем, что, с целью повьлиения чувствительности путем повышения локальности -измерения показателя светсутоглощения, облучение материала образца производят сфокусированным световым импульсным пучком, имеющим угол сходимости не менее 0,1 рад, а длительность световых импульсов t и частоту / их повторения выбирают из условий -t где 1,0 радиус пятна, в которое сфО кусирован пучок в материале образца; г - расстояние между центром сфокусированного светового пучка и центром измерения упругой деформации на поверхности образца; - скорость звука в материале образца, причем упругую деформацию регистрирую .ют после окончания импульса облучающего светового пучка, а показатель светопбглощения К определяют по формуле «p-f (-1-g) 271 АГ , Т й-кп f С - теплоемкость материала обгде разца; - плотность материала образца; ( коэффициент Пуассона; ЛТ- упругая деформация на поверхности образца; f Ь- коэффициент температурного с расширения материала образца;,® - энергия импульса облучакяцего (Л светового пучка; ь - длина каустики сфокусированного светового пучка в мате-. риале образца. 2. Устройство для измерения пока-, зателя светопоглощения, содержащее импульсный источник монохроматическо1 го светового пучка, оптически связан ный с образцом, и пьезопреобразователь , снабженный средством его крепления на поверхности образца, подключенный к входу регистрирующего устройства, синхронизирующий вход которого соединен с источником монохроматического светового пучка, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности путем повышения локальности измерения показателя светопоглощения, источник .монохроматического светового пучка оптически связан с образцом через фокусирующую линзу, в устройство дополнительно введены электронный коммутатор , формирователь запретного импульса и фотоприемник,-причем фокусное расстояние фокусирующей линзы не. более 10 d, где ct - диаметр светового пучка на ее поверхности, приемная

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) А

3(5п 0 01 N 21/59

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

H ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ 7 ) 23-e... " (1-С)

/ь. (1+0) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 3504549/18-25 (22) 22.09.82 (46 ) 23.05.84. Бюл. 9 19 (72) С.К.Балицкас и Р.Ю.Крауялис (71)Институт физики AH Литовской ССР (53) 535. 24 (088. 8) (56 ) 1. Авторское свидетельство СССР

841483, кл. G 01 N 21/59, 1978.

2. Hordvik and Schlossberg.

Photoacoustic .technique for determining optical absorption coefficients

in solids. Applied optics, v. 16, Р 1, 1977, р. 101 (прототип). (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ

СВЕТОПОГЛОЩЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, (57) 1. Способ измерения показателя светопоглощения, включающий облучение материала образца импульсным монохроматическим световым пучком, регистрацию упругой деформации на поверхности образца и определение по величине упругой деформации показателя светопоглощения, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения чувствительности путем повыаения локальности .измерения показателя светопоглощения, облучение матери. ала образца производят сфокусированным световым импульсныМ пучком, имеющим угол сходимости не менее

0,1 рад, а длительность световых импульсов (". и частоту / их повторения выбирают из условий — f где о — радиус пятна, в которое сфо кусирован пучок в материале образца;

Ъ вЂ” расстояние между центром сфокусированного светового пучка и центром измерения упругой деформации на поверхности образца;

Up — скорость звука в материале образца, причем упругую деформацию регистрируют после окончания импульса облучающего светового йучка, а показатель светопбглощения К определяют по формуле где C — теплоемкость материала образца;

3— плотность материала образца;

g - коэффициент Пуассона; д .— упругая деформация на поверх-. ности образцау

/)- коэффициент температурного расширения материала образца;

Я - эиергия импульса ослуяаеиего рэа светового пучка;

8 — длина каустики сфокусирован- g ного светового пучка в мате-, риале образца.

2. Устройство для измерения пока-зателя светопоглощения, содержащее импульсный источник монохроматическ го светового пучка, оптически связанный с образцом, и пьезопреобраэователь, снабженный средством его крепления на поверхности образца, подключенный к входу:регистрирующего устройства, синхронизирующий вход которого соединен с источником монохроматического светового пучка, отличающее сятем, что, с целью повышения чувствительности путем повышения локальности измерения показателя светопоглощения, источник монохроматического светового пучка оптически связан с образцом через фокусирующую линзу, в устройство дополнительно введены электронный комму. татор, формирователь запретного импульса и фотоприемник, .причем фокусное расстояние фокусирующей линзы не. более 10 С(, где d. - диаметр светового пучка на ее поверхности, приемная

1093952

$5

ЗО

40

50 площадка пьезопреобразователя расйоложена перпендикулярно прямой, проходящей через ее центр и фокус линзы, пьезопреобразователь подключен к входу регистрирующего устройства через электронный коммутатор, управляюИзобретение относится к исследованию физических свойств материалов по измерению.светопЬглощения и может быть применено в производстве оптических особопрозрачных стеклообразных и других материалов при изготовлении элементов силовой оптики и оптоэлектроники.

Известен способ определения показателя светопоглощения, заключающийся в облучении материала образца монохроматическим световым потоком, регистрации изменения электрического сопротивления материала образца во время облучения и в последующем расчете показателя светопоглощения 11.

Известно устройство для определения показателя светопоглощения, содержащее импульсный оптический квантбвый генератор и систему измерения оизменения электрического сопротивления образца, подключенную к одному входу двухлучевого осциллографа, другой вход которого подключен к фотоприемнику, регистрирующему импульс светового потока оптического квантового генератора Щ .

Недостатком данного способа и устройства является невысокая чувстви° тельность измерения показателя локального светопоглощения, так как показатель светопоглощения определяют как среднее значение по всей длине образца. При острой фокусировке облучающего светового потока из-за высокой плотности энергии материал образца разрушается, что не позволяет однозначно интерпретировать изменение электрического сопротивления материала образца как параметр, пропорциональный светопоглощению. Кроме этого, известный способ поддается реализации только при высоких температурах термической обработки образца, т.е. при 600-1000 К.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения показателя светопоглощения и устройство для его осуществления. Способ включает облучение образца импульсным световым потоком, регистрацию упругой деформации на поверхности образца, опредещий вход которого соединен с выходом формирователя запретного импульса, вход которого подключен к выходу, фотоприемника, оптически связанного

1 с источником монохроматического светового пучка. ление по величине упругой деформации показателя светопоглощения.

Известное устройство содержит импульсный источник монохроматического светового пучка, оптически связанный с образцом, и.пьеэопреобразователь, снабженный средством крепления его иа поверхности образца, подклвчеиный к входу регистрирующего устройства, синхронизирующий вход которого соединен с источником моиохроматического светового пучка.

При этом, в устройстве имеется второй пьезопреобразователь, установленный с зазором к поверхности образца, симметрично первому относительно оптической оси источника монохроматического светового. пучка (21.

Недостатком известного способа и устройства является невысокая чувствительность измерения, так как светопоглощение измеряют по всей длине образца и невозможно измерить показатель локального светопоглощения в области материала, линейные размеры которой порядка 0,1 мм и меньше.

Измерение светопоглощения в такой малой области материала необходимо для контроля качества оптических сверхпроэрачных материалов в связи с их.оптической прочностьв и для прогнозирования порога разрушения. Кроме этого, конструкция устройства дпя реализации известного способа сложная и трудно осуществима в производственных условиях, это связано с необходимостью компенсации влияния рассеянного света на измерение упругой деформации из-за одновременного воздействия иа пьезопреобразователь рассеянного в материале образца светового потока и упругой деформации. Для этого и используют два пьезопреобраА зователя, их точно устанавливают на противоположных сторонах образца параллельно и симметрично проходящему через образец световому потоку, причем один из пьеэопреобразователей закрепляют на некотором расстоянии от поверхности образца. Кроме этого, известное устройство трудно реализовать в случае измерения малых светопоглощеннй, для этого необходимо

1093952 точно сбалансировать регистрирующую систему, применить более мощный:лазер, что усложняет конструкцию, повыаает массу устройства.

Целью изобретения является повышение чувствительности путем повыаения локальности измерения показателя светопоглощения.

Поставленная цель достиГаетея тем, что согласно способу, включающе. му бблучение материала образца импульсным монохроматическим световым пучком, регистрацию упругой деформации на поверхности образца и определение по величине упругой деформации показателя светопоглощеиия, облуче- 15 ние материала образца проводят сфокусированным световым импульсным пучком, имеющим угол сходимости не менее 0,1 рад, а длительность световых импульсов и частоту ф их повторе-20 ния выбирают из условий где %o — радиус пятна, в которое сфокусирован световой пучок в 25 материале образца;

Ъ - расстояние между центром сфокусированного светового пучка и центром измерения упругой деформации на по- Зр верхности образца; ф- скорость звука в материале образ ца, причем упругую деформацию регистрируют после окончания импульса облучающего светового пучка, а показа- тель светопоглощения К определяют по формуле т (Я-Ы „, р з. В (e)

40 где С вЂ” теплоемкость материала.образца; — плотность материала образца — коэффициент Пуассонами ,ау — упругая деформация на поверхности образцау

Р— коэффициент температурного о расширения материала образца; энергия импульса облучающего светового пучка;

0 — длина каустики сфокусирован ного светового лучка в материале образца.

В устройстве, содержащем импульсный источник монохроматического светового пучка, оптически связанный с образцом, и пьезопреобразователь, снабженный средством его крепления на поверхности образца, подключенный к входу регистрирующего устройства, 60 синхрониэирующий вход которого соеди» нен с источником монохроматического светового пучка, источник монохроматического светового пучка оптически связан с образцом через фокусирую- 65 щую линзу, в устройство дополнитель- . но, введены электронный коммутатор, Формирователь запретного импульса и фотоприемник, причем фокусное расстояние фоКусирующей линзы не более

10 О, где с1 - диаметр светового пучка на ее поверхности, приемная площадка пьезопреобразователя расположена перпендикулярно прямой, проходящей через ее центр и фокус линзы, пьезопреобразователь подключен к входу регистрирующего устройства через электронный коммутатор, управляющий вход которого соединен с выходом Формирователя -запретного импульса, вход которого подключен к выходу ,фотоприемника, оптически связанного с источником монохроматического светового пучка.

На чертеже показана схема устрой% ства.

Устройство для измерения показателя светопоглощения содержит импульсный источник 1 монохроматического светового пучка, например оптический квантовый генератор, оптически связанный через делительную пластинку 2 с образцом 3 ° Между источником 1 и образцом 3 помещена фокусирующая линза 4, фокусное расстояние которой не более 10о-, где d — диаметр светового пучка на поверхности линзы. Пьезопреобразователь 5 закреплен на поверхности 3 так, чтобы его соприкасающая плоскость была перпендикулярна прямой, проходящей через фокус линзы, 4 и центр пьезо-: преобразователя 5. Электрические контакты пьезопреобразователя 5 соединены с входом регистрирующего устройства 6 через электронный коммутатор 7, управляищий вход которого соединен с выходом формирователя 8 запретного импульса, причем вход формирователя 8 подключен к выходу фотоприемника 9, который при помощи длительной пластинки 2 оптически связан с источником.1 света. Регистрирующий .прибор б соединен синхронизирукщей цепью с источником 1 света.

Устройство для измерения показателя светопоглощения работает следующим образом.

При облучении материала образца 3 сфокусированным линзой 4 монохроматическим световым пучком, созданным импульсным источником 1, часть световой энерпии поглощается материалом образца 3, из-эа чего температура материала образца 3 в области фокуса линзы 4 повышается. Иэ- за температурного расширения материала образца 3 возникает упругая деформация, фронт которой распространяется со скоростью звука к поверхности образца 3. Величина упругой деформации пропорциональная поглощенной энергии светового пучка в области фоку

1093952

Приведенная формула справедлива при условии, когда упругая деформация распространяется как сферическая

|волна.

Облучение материала образца сфокусированным световым пучком с вышеопределенными параметрами, создающими условия распространения упругой деформации как сферической волны, повышает локальность измерения светопоглощения, так как световая энергия 10 локализуется в маленьком объеме мате-. риала образца, s котором и измеряется показатель светопоглощения. Облучение образца остросфокусированным световым пучком также позволяет 15 уменьшить энергию облучакицих импуль;сов светового пучка, так как световую энергию в образце концентрируют в маленький объем, что позволяет уменьшить габариты и массу устройст- уц ва. Кроме этого, появляется возможность измерить показатель светопоглощения вплоть до разрушающих структуру материала образца интенсивностей светового пучка, так как энергия.в им- 25 пульсе небольшая и повышение энергии световых импульсов несколько раз не представляет трудностей.

Предел повышения энергии световых Зп импульсов обусловлен в практически. реализуемых случаях только оптической прочностью оптических материалов. Облучение материала образца короткими световыми импульсами, довлет- З воряющими заданные выше условий,повы„ шает чувствительность и точность измерения, ибо исключает влияние рассе-> янного света на регистрацию упругой деформации, а также упрощает конструкцию устройства, так как не нужен 40 второй (компенсирующий) пьезопреобВНИИПИ Заказ 3415/35

Тираж 823 Подписное юаф ВВЮюЮ ю В тюбе филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä,ул. Проектная,4 разователь. Кроме этого, нет специ,фических требований к форме образца. Преимуществом предлагаемых способа и устройства по сравнению с базовым объектом является то, что повышена чувствительность и локальность измерения показателя светопоглощения измеряют как среднее значение по всей длине образца в объеме порядка 10 ммЗ, а в предлагаемом устройстве - в объеме 10 Р и.ньшеу так как измерение показателя светопоглощения производят при помощи остросфокусированного светового пучка в области пятна, в .котором сходится пучок. Кроме этого, уменьшены масса и .габариты устройства, так как . уменьшена энергия импульсного источника. Повышение чувствительности связано с тем, что уменьшена. энергия световых импульсов, которую можно постепенно повышать. Повышение энергии световых импульсов в несколько раз не представляет трудностей, что дает возможность измерить показатель светопоглощения вплоть до разрушающих структуру материала образца интенсивностей светового пучка. Таким образом, предлагаемый способ и, устройство позволяют исследовать предпробойные процессы в материале образца.

Известные способ и устройство позволяют измерить светопоглощение только в стеклообразных материалах с малой концентрацией рассеивающих центров и в некоторых кристаллах, в то время как предлагаемый способ и устройство не ограничивают исследуемых материалов. Кроме этого, в предлагаемом способе и устройстве не требуется интерферометрическая точность обработки исследуемого образца..