Способ определения коэффициента температурной зависимости показателя преломления при постоянном объеме среды

 

Изобретение относится к области технической физики, а именно к исследованию показателя преломления оптически прозрачных изотропных твердых сред, и может быть использовано в научных и прикладных исследованиях в физике твердого тела, в оптике и электронике, С целью определения коэффициента температурной зависимости для расплавленного состояния среды образца в задаваемом диапазоне прироста температуры расплава с сохранением при этом формы образца проводят неодновременное и независимое локальное расплавление испытуемой твердой среды (оптически прозрачный диэлектрик) внутри и на поверхности массивного образца с помощью энергии импульсного оптического излучения, фокусируемой поочередно внутри и на поверхности образца. При этом для каждого расплавленного состояния регистрируют интерферограмму, из которой вычисляют полные производные показателя преломления по температуре, численные значения которых подставляют в эмпирическую формулу для искомого коэффициента. Сущность технического решения основана на использовании импульса оптического излучения, длительность которого t не менее значения 10 , где Яд - радиус фокального пятна в перетяжке каустика; V - скорость звука в испытуемой твердой среде, и на измерении указанных полных производных показателя преломления для локальных з астков расплавления с исключением из этих производных аналитическими средствами частных производных показателя преломления по плотности. i (Л Ф со со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

Ш4 С 01 N 21 45

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 7„.

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ ъ, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3826882/24-25 (22) 19.12.84 (46) 23.04.86. Бюл. В 15 (71) МГУ им. M.Â. Ломоносова (72) Н.Е.Каск, Е.Г;Лексина, В.В.Радченко, Б.Н.Скакун, Г.М.Федоров и Д.Б.Чопорняк (53) 535.24 (088.8) (56) V. Raman, К.S. Venkataramem.

Proc. Roy Soc. А,London, 1939, vol. 171, р. 137.

Ерохин А.И. и др. Температурная зависимость показателя преломления в конденсированных средах. -ЖЗТВ, 1978, т. 74, вып. 4, с. 1336-1341. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРИ ПОСТОЯННОМ

ОБЪЕМЕ СРЕДЫ (57) Изобретение относится к области технической физики, а именно к исследованию показателя преломления оптически прозрачных иэотропных твердых сред, и может быть использовано в научных и прикладных исследованиях в физике твердого тела, в оптике и электронике. С целью определения коэффициента температурной зависимости для расплавленного состояния среды образца в задаваемом диапазоне

„„Я0„„1226199 А прироста температуры расплава с сохранением при этом формы образца проводят неодновременное и независимое локальное расплавление испытуемой твердой среды (оптически прозрачный диэлектрик) внутри и на поверхности массивного образца с помощью энергии импульсного оптического излучения, фокусируемой поочередно внутри и на поверхности образца. При этом для каждого расплавленного состояния регистрируют интерферограмму, иэ которой вычисляют полные производные показателя преломления по температуре, численные значения которых подставляют в эмпирическую формулу для искомого коэффициента. Сущность технического решения основана на использовании импульса оптического излучения, длительность которого с не менее значения 10 à /U, где а — радиус

1 фокального пятна в перетяжке каустика; Ч вЂ” скорость звука в испытуемой твердой среде, и на измерении указанных полных производных показателя преломления для локальных участков расплавления с исключением из этих производных аналитическими средствами частных производных показателя преломления по плотности.

Изобретение относится к области технической физики, конкретно к способам и устройствам для исследования показателя преломления оптически прозрачных изотропных твердых сред, и может быть использовано в научных и прикладных исследованиях

Э в физике твердого тела, в оптике, электронике.

Целью изобретения является определение коэффициента температурной зависимости показателя преломления для расплавленного состояния среды образца в задаваемом диапазоне прироста температуры расплава с сохранением при этом формы образца.

Способ осушествляется следующим образом, Импульс оптического излучения формируют с гладкими пространственным и временным распределениями для обеспечения в процессе нагрева примерно линейного роста температуры диэлектрика и равномерного ее распределения в фокальной области, что необходимо для получения корректных результатов от количественной обработки интерферограмм и с энергией для создания в фокальном пятне (задаваемого радиуса а ) перетяжки каустики энергетической освещенности, достаточной для локального расплавления диэлектрика в области этой перетяжки и для изменения температуры этого расплавленного состояния. Энергию импульса можно определить любым известным способом, в частности из соотношения л и ° Bo Тпл Cv

К э о

226199

2 интерферограммы режимов устачовления теплового расширения плотности и поляризуемости испытуемого диэлектрика в фокальном пятне перетяжки каустики радиуса а и в продольном направлении каустики пучка излучения, поскольку указанные режимы установления совершаются со скоростью звука

V в данной среде.

10 Посылают неодновременно и независимо друг от друга два импульса, каждый с энергией Д и длительностью через образец испытуемого диэлектрика для получения соответствен15 но внутри и на поверхности образца локальных зон расплавленного состояния, создают интерференционное поле равной толщины, снимают интерферограммы.

20 На каждой из характерных интерферограмм, полученной в условии внутриобъемной или поверхностной локальной расплавленной зоны исследуемого диэлектрика, графически регистрируют

25 физическое содержание полной производной показателя преломления по температуре, включающей два фактора влияния температуры на показатель преломления: изменение плотности и поляризуемости диэлектрика. Но при этом на каждой интерферограмме доли приращения значения показателя преломления, вносимые изменениями плотности и поляризуемости, нельзя

35 разли:.ить и выделить. Чтобы исключить из расчета влияние изменения плотноса» ти (--)Т на показатель преломления а, У решается система из двух уравнений

40 с двумя неизвестными где Т„„ — температура расплавления диэлектрика при импульсном его нагреве;

С вЂ” теплоемкость единицы

V объема диэлектрика;

К вЂ” линейный по температуре нагрева и энергетической освещенности натуральный показатель поглощения испытуемого диэлектрика.

Длительность импульса оптического излучения ограничивают минимальным значением, выбираемым из эмпирического соотношения. ) 10 ° а/, для и обеспечения на каждом регистрируемом температурно-временном отрезке

45 и где (--) и (--) — изменения показаД Д паg т теля преломления от температуры для внутриобъемной локальной расплавленной эоны и для поверхностной локальной расплавленной эоны сооответственно;

a — эффективный коэффициент теплового объемного рас55 ширения; (Т) — коэффициент теплового рас ширения;

P — плотность диэлектрика

nt Ig 41гр

1+

nInn nTnn

4Т

11= 1где т„л

"+ "nn

1<-— л-2 Ктв з 12261 относительно искомого коэффициента температурной зависимости.

Каждое из уравнений представляет собой известное соотношение между полной производной и суммой состав$ ляющих ее частных производных по ,плотности и температуре,, у которых обозначения индексами 1 и 2 соответствуют внутриобъемному иповерхностному расплавленным состояниям диэлект- 10 рика.

Для определения связи эффективного коэффициента теплового объемного расширения вС с коэффициентом теплового объемйого расширения g(Tj B виде Фэ = А с (т), — коэффициент Пуассона;

4Т» — усредненная по объему расплавленной зоны температу- $ ра прирост температуры к концу импульса на оси расплавленной эоны; прирост температуры расплавленной среды на границе твердого и расплавленного состояний внутриобъемной локальной расплавленной зоны; и — коэффициенты теплового 3$ тв пл объемного расширения для твердого и расплавленного состояний сред соответственно; модули всестороннего сжатв пп тия среды образца в твердом и расплавленном состояниях еоответственно, решается соответствующая термоупругость. При этом учтены следующие фак-4$ торы: геометрия напряженного состояния нагреваемой изотропной среды, создаваемая цилиндрической симметрией, фокусирующей лазерный пучок сферической линзы; термоупругие процессы перехода диэлектрической среды из твердого состояния к вязкоупругому и жидкому и связанная с ними релаксация упругих напряжений в приосной и граничной областях проплава; эависи- $$ мость констант среды (температуры текучести) от давления в условиях всестороннего сжатия локальной зоны

99 4 проплава силами нерасплавленной матрицы окружающего диэлектрика.

Входящие в численный коэффициент

А значения величин прироста температуры д Т„„, д Т„„и d Т, относительно исходного уровня ири комнатной температуре определяют исходя из известного коэффициента поглощения диэлектрика с учетом формы импульса, профиля распределения интенсивности лазерного пучка и величины поступающей энергии лазерного излучения, а коэффициенты теплового объемного расширения в т и к„л и модули всестороннего сжатия Кте и Кпл для твердого и расплавленного состояний берут из таблиц или получают из независимых измерений.

При реализации способа используют неодимовый лазер (31 06 мкм) с расходимостью пучка излучения

I = 2 ° 10 э рад; сферическая линза с фокусным расстоянием F 10 см и испытуемый диэлектрик — стекло К8, выполненный в виде параллелепипеда по крайней мере с двумя параллельными полированными гранями, площадью не менее 1 см каждая, имеющий ли2 нейный по температуре натуральный показатель поглощения К = 5.10 см о на длине волны A 1,06 мкм; теплоемкость единицы объема диэлектрика С,= э

= 2 Дж/см . град, температуру расплавления при импульсном нагреве

T„„ = 1200 С; коэффициент !туасоона

9 0,209, скорость звука в стекле V

= 5.10 см/с.

Радиус фокального пятна в перетяжке каустики а„ = F (f = 2 10 (см); минимальная длительность импульса,, 2 -6 с, „,„„= 10 ° à, /V = 4 ° !0 (с), энертия импульса оптического излучения, Дж: л 2 а Т1 — С» 6 !0а е. Длительность импульса соответствует режиму свободной генерации

i =,10 с, причем С т С „,„„(10 2 ) 4x х 10 с).

Посылая неодновременно и независимо друг от друга два HMIIyJIbca, каждый с энергией Ов 600 Дж и длительностью с 10 с, через образец испытуемого диэлектрика для получения соответственно внутри и на поверхности образца локальных эон расплавленного состояния, создают интерфе1226199 ренционное поле равной толщины, снимают интерферограммы и находят из их количественной обработки для внутриобъемного и поверхностного состояний значения (I — } =-1,0 10 гроф j (— I =-3,2 10 град

° -5 - . (41 -5 1т пп < от Пл.2 ем 0,8; о те = (2 2 1- 0,3) 10, град ; о пл = (12 + 2) 10 град (в диапазоне 1400 — 1600 С);

К, = 5.)0 кг/см;

Кпл = (,2 + 0,5) 10 кг/см — А 0,5 получено подставкой найденных значений величины, входящих в выражение для численного коэффициента A

Искомый коэффициент температурной зависимости показателя преломления при постоянном объеме среды для условия ее расплавленного состояния равен 1,2 10 град .

Формула изобретения

5(- Способ определения коэффициента температурной зависимости показателя преломления при постоянном объеме среды, включающий пропускание пучка импульсного оптического излучения через образец в виде прямоугольного параллелепипеда с полированными гранями с фокусировкой излучения внутри

Вычисление численного коэффициента 4 : ьТ„л /дТ« определено по геометрическим факторам (профилю температуры) и в случае для лазерного пучка с гауссовым распределением интенсивности это отношение равно 15

0,8 — 0,9; выбирают 0,8; — дТ, 1050 С определено независимым измерением при импульсном нагреве диэлектрика до температуры его размягчения; 20 о — дТпл 1500 С получено расчетом на участке интерферограммы для прироста температуры на оси проплава исходя из известного коэффициента поглощения диэлектрика с учетом формы им- 25 пульса и величины поступающей энер6 гии лазерного излучения;

-aTqa.= b Т„„(0,8 — 0,9) = 1200—

1350 С; о Тгр 30 — -- = 0,87 — 0,78; выбирао Тпл образца, одновременную с пропусканием пучка излучения интерферометрическую регистрацию прошедшего через образец пучка излучения, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью определения коэффициента температурной зависимости показателя преломления для расплавленного состояния среды образца в задаваемом диапазоне прироста температуры расплава с сохранением при этом формы образца, через исследуемый образец дополнительно пропускают некоррелированный с первым по времени второй пучок импульсного оптического излучения с фокусировкой его на поверхности исследуемого образца и одновременно проводят интерферометрическую регистрацию прошедшего через образец излучения, причем мощность обоих пучков импульсного оптического излучения выбирают достаточной для образования локальных зон расплавленного состояния среды внутри и на поверхности образца, а длительности

Г этих импульсных излучений выбирают из соотношения

<)1О а„/У, где а — радиус пятна излучения в о его фокальной плоскости;

U — скорость звука в исследуе— мом образце, причем каждую из двух интерферометрических регистраций проводят отдельно на протяжении всей длительности пропускаемого импульсного излучения, по результатам обеих регистраций определяют для задаваемого диапазона прироста температуры расплавленного состояния среды численные значения изменения показателя преломления от температуры соответственно (dn/dT)« для внутриобъемной локальной расплавленной зоны и (Йп/dT)„„, для поверхностной локальной расплавленной зоны, а коэффициент

8 (†-)„температурной зависимости пока3Т .ч зателя преломления при постоянном объеме среды определяют по формуле

1+ и„аТ, 1 n

ЬТпл сопл ° aT

aTäa < nn пл

1-21 к

1226199

1 пл

Составитель С, Голубев

Техред Н.Бонкало

Редактор Л. Гратилло

Корректор А.Зимокосов

Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Заказ 2118/36

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4 коэффициент Пуассона; усредненный по объему расплавленной зоны прирост температуры; 5 прирост температуры к концу. импульса на оси расплавленной зоны; прирост температуры расплавленной среды 10 на границе твердого и расплавленного состояний внутриобъемной локалькой расплавленной зоны; но а„ вЂ” коэффициенты теплового тв объемного расширения для твердого и расплавленного состояний сред соответственно;

К, и Kщ — модули всестороннего сжатия среды образца в твердом и расплавленном состояниях соответственно.