Способ измерения коэффициента поглощения света в прозрачных твердых телах

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА В ПРОЗРАЧНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ, в котором воздействуют световым пучком на образец, преобразуют возбуязденные светом акустические колебания в электрические, измеряют амплитуду электрических колебаний, по которой судят о коэффициенте поглощения , отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений в сторону малых величин, световой пучок формируют с геометрией поперечного сечения, совпадающей с геометрией сечения образца плоскостью , ортогональной к направлению распространения пучка и с гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка, образец выбирают с неравными продольными и поперечными размерами и устанавливают свободно между обкладками емкостного датчика, воздействуют на образец од (Я нократным световым импульсом, а амплитуду электрических колебаний измеряют на частоте собственных акустических колебаний образца , где V - скорость звука в образце, d - размер образца между обкладками датчика. со О) а о О1

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А (Ю 4 G 01 N 21/59, 29/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ. КОМИТЕТ. СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3397789/24-25 (22) 17.02.82 (46) 23,08.87. Бюл. № 31 (71) Институт прикладной физики

АН СССР (72) В.Н. Генкин, Ю.А.Демочко, А.М.Миллер и Л.В.Соустов (53) 621.378.1(088.8) (56),М. Назе. IË.Davissok, Н.В.Ro: senstak» J.ÂàÚiskin. Measurement of

verij low absorption coefficient by

laser calori metrv Appl 0pt, 1975, v. 14, № 5, р. 1122-1130.

А. Hordvik, H. Seaiiossberg, Photoacoustic technique for deternung

optical absorbtion coefficients in

solids Appl 0pt, 1977, v. 16, № 1, р. 101-107. (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА В ПРОЗРАЧНЫХ

ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ, в котором воздействуют световым пучком на образец, преобразуют возбужденные светом акустические

„„SU„„ l 136605 колебания в электрические, измеряют амплитуду- электрических колебаний, по которой судят о коэффициенте пог.— лощения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений в сторону малых величин, световой пучок формируют с геометрией поперечного сечения, совпадающей с геометрией сечения образца плоскостью, ортогональной к направлению распространения пучка и с гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка, образец выбирают с неравными продольными и поперечными размерами и устанавливают свободно между обкладками емкостного датчика, воздействуют на образец однократным световым импульсом, а амплитуду электрических колебаний измеряют на частоте собственных акустических колебаний образца f=v/2d, где v — - скорость звука в образце, d — - размер образца между обкладками датчика.

1136б05

10

20

35

В

50

Изобретение относится к области измерений оптических свойств твердых тел и может быть использовано для контроля оптических элементов, применяемых в квантовой электронике.

Известен способ лазерной калориметрии, позволяющий измерять малые величины коэффициента поглощения и заключающийся в том, что термически изолированный исследуемый образец облучают мощным непрерывным световым пучком и измеряют изменение температуры образца, по которому и определяют коэффициент поглощения.

Чувствительность этого способа ограничена рассеянием света на неоднородностях внутри образца и поглощением световой энергии на поверхности образца.

Наиболее. близким по технической сущности к изобретению является способ измерения коэффициента поглощения в прозрачных твердых телах, в котором воздействуют световым пучком на образец, преобразуют возбужденные светом акустические колебания в электрические, измеряют амплитуду электрических колебаний, по которой судят о коэффициенте поглощения.

Ограничение возможности измерения малых величин коэффициента поглощения в этом способе обусловлено тем, что в образце в одной, полосе частот, определяемой периодом следования воздействующих импульсов светового пучка, одновременно индуцируются как полезный. акустический сигнал, .так и паразитный, обусловленный поверхностным поглощением на входнбй и выходной гранях образца. При практической реализации способа при преобразовании акустического сигнала в электрический появляется электрический параэитный сигнал, вызванный излучением, рассеянным на неоднородностях внутри образца. Частота повторения паразитных сигналов совпадает с частотой повторения полезного сигнала, поэтому максимумы их частотных спектров совпадают, что делает практически невозможным выделение полезного сигнала по спектральным признакам. Выделение полезного сигнала в этом способе возможно лишь по амплитудным различиям, а именно, при превышении амплитуды полезного сигнала над амплитудой паразитных, что и ограничивает диапазон измерения коэффициента поглощения со стороны малых величин.

Целью изобретения является расши- е рение диапазона измерений коэффициента поглощЕния в сторону малых величин, Цель достигается тем, что в способе измерения коэффициента поглощения света в прозрачных твердых телах, в котором воздействуют световым пучком на образец, преобразуют. возбужденные светом акустические колебания в электрические, измеряют амплитуду электрических колебаний, по которой судят:о коэффициенте поглощения, световой пучок формируют с геометрией поперечкого сечения, совпадающей с геометрией сечения образца плоскостью, орто- гональной к направлению распространения пучка и с гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка, образец выбирают с неравными продольными и поперечными размерами и устанавливают свободно между обкладками емкостного датчика, воздействуют на образец однократным световым импульсом, а амплитуду электрических колебаний измеряют на

30 частоте собственных колебаний образца f = v/2d, где v — скорость звука в образце,. d --размер образца между обкладками датчика.

На чертеже изображена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Она содержит лазер 1, который работает в моноимпульсном режиме и формирует импульс длительностью 2d/v, где d — линейный размер с образца 2, установленного свободно (например, в,. мягкой-тефлоновой прокладке 3) между обкладками емкостного датчика 4 акустического давления, v — - скорость звука в образце. С помощью диафрагмы и линз (на чертеже . не показаны) световой пучок лазера 1 формируют такой конфигурации, что его поперечное сечение совпадает с сечением образца плоскостью, ортогональной к направлению распространения пучка; при этом распределение интенсивности в поперечном сечении пучка является гауссовым.

Емкостный датчик 4 соединен с источником 5 постоянного напряжения и входным сопротивлением селективного усилителя 6, выход которого соединен с измерителем 7, например осциллогС помощью емкостного датчика 4 полезные акустические колебания преобразуют в электрический сигнал, который имеет форму радиоимпульса с частотой заполнения f. Ширина спектра этого импульса gf Е/Q определяется в основном добротностью акустического резонатора. Радиоимпульс усиливают селективным усилителем 6, который настраивают на резонансную частоту, F = f = ч/21 с с полосой пропускания

ЬР = ЬЕ, и измеряют измерителем 7 . амплитуду А сигнала. Коэффициент поглощения Ы, материала образца определяют по формуле

А ° S>

W,kr з 113660 рафом. Для измерения энергии, прошедшей через образец 2, за ним установлен измеритель 8 энергии лазерного излучения.

-5Для образца цилиндрической формы излучение лазера формируют аксиальносимметричным с диаметром, равным ди-. аметру образца. При прохождении этого светового пучка через образец часть .энергии импульса поглощается в объеме и на поверхностях образца, часть рассеивается на неоднородностях образца, остальная часть проходит через образец на вход измерителя 8 энергии. лазерного излучения.

Поглощение световой энергии в объеме образца приводит к возникновению в материале образца термоупругих напряжений, индуцирующих акустические колебания в объеме образца между его осью симметрии и боковой поверхностью.

Частота этих акустических колебаний определяется поперечными размерами образца. . 25

Из-за поглощения некоторой части энергии светового пучка входной и выходной гранями возникают акустические колебания, частота которых определяется продольными размерами ЗО образца.

Изобретение направлено на измерение коэффициента поглощения материала образца,.т.е. объемного коэффициента поглощения, поэтому полезный сигнал в данном случае связан с акустическими колебаниями между осью симметрии образца и его боковой поверхностью. Амплитуда А этих акустических колебаний, обусловленных 40 объемным поглощением светового пучка, пропорциональна коэффициенту g поглощения света: нальной к направлению распространения, в образце возникают резонансные акустические колебания, форма которых близка к синусоидальной. При этом частота возникающйх синусоидальных колебаний f определяется диаметром образца d и: :скоростью ч звука в нем f = v/2d, а число периодов — добротностью акустического резонатора, которым является сам образец. Благо-, даря свободной установке образца между обкладками емкостного датчика 4, образец не имеет механического контакта с обкладками датчика. Это обеспечивает высокую добротность (акустического резонатора (Я 10 ), поскольку с этом случае происходит хорошее отражение .звуковых колебаний на .границе образец-воздух (образец-тефлон) за счет большого различия величины скорости звука в твердотельном образце.и в воздухе (тефлоне).

I.W 1сГ

А =oL- —

Б Ф где S„ — сечение светового пучка;

W — энергия оптического излучео ния, прошедшая через образец;

à — коэффициент Грюнайэена материала образца;

k — общий коэффициент усиления электрической части устройства.

При совпадении геометрий1йоперечного сечения пучка.с геометрией образца в плоскости сечения, ортого45 Вьщеление акустических колебаний с частотой f v/2d и с полосой

hf f/Q позволяет в Q раз уменьшить влияние на измеряемую величину паразитного сигнала, обусловленного pacgg сеянием на неоднородностях внутри образца, поскольку ширина спектра этого паразитного сигнала ЬЕ совP падает с шириной спектра воздействующего светового импульса, т.е.

g5 ай 1/С, а отношение ширины полосы

6f к ширине полосы полезного акустиP ческого сигнала b,f пропорционально величине добротности Я акустического резонатора

113660

kf с + 9

af И ч

21

Редактор П. Горькова Техред В. Кадар Корректор Е. Рошко

Тираж 776 подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3985/1

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Следовательно, амплитуда паразитного сигнала, обусловленного рассеянием на неоднородностях в образце, в полосе частот полезного сигнала в

Q раз меньше полной амплитуды паразитного сигнала. 10

Кроме того, выделение резонансных акустических колебаний на частоте ч/2d позволяет избавиться от акустических колебаний, вызванных поверхностным поглощением на входной и вы- 15 ходной гранях образца, поскольку их частота f определяется продольным размером образца 1(f„ = V/2 1) и при

1 У а, fÄ q f.

Таким образом, формирование свето- 20 вого пучка с геометрией поперечного сечения, совпадающей с геометрией образца в плоскости сечения, артогональной .к направлению распроетране" ния пучка, выбор образца с неравными 25 продольными и поперечными размерами, t

5 6 свободная установка его между обкладками емкостного датчика и выделение при этом акустических резонансных колебаний на частоте ч/2е позволяет расширить в сторону малых величин диапазон .измерения коэффициента поглощения в Q раз по сравнению с известными способами.

Так, для используемых на практике образцов величина добротности Я при

5 характерных значениях v/2 d = 2,5 >10 с составляет 10 — 10, что позволяет измерить минимальную величину коэффициента поглощения 10 см —

10 см (для .образцов с площадью поперечного сечения 1 см и при энергии в воздействующем лазерном импульсе 10 Дж).

Изобретение позволяет также измерять коэффициент поверхностного поглощения путем выделения акустических колебаний на частоте