Способ определения коэффициента поглощения и коэффициента диффузии излучения в твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалах

 

Изобретение относится к технической физике, точнее к исследованию оптических свойств твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалов. Цель изобретения - повышение точности определения коэффициентов поглощения и диффузии излучения, особенно при отсутствии информации об объемной и поверхностной индикатрисах рассеяния. В предлагаемом способе для решения этой задачи предложено учесть угловую зависимость направленно-полусферической пропускательной способности путем соответствующих измерений с использованием интегрирующей сферы, что снижает погрешности в определении коэффициентов поглощения и диффузии излучения, связанные с неадекватностью теоретической модели и реальных условий эксперимента. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 б 01 N 21 47, 21 59

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕНКЫЙ КОМИТЕТ

flQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2l) 4469256/31-25 (22) 26.07.88 (46) 30.05.90. Бюл. № 20 (71) Институт высоких температур AH С(.CP (72) С. С. Моисеев, В. А. Петров и С. В. Степанов (53) 535.24 (088.8) (56) Цирлин Ю. А., Паргаманик Л. Э. и

Дайч А. Р. Диффузия света в светорассеивающих средах. — Оптика, и спектроскопия, т. 12, 1962, № 2, с. 304 †3.

Бажин Н. М., Баранов Н. С. О применении уравнения диффузии к прохождению света через рассеивающую среду. — Оптика и спектроскоиия, т. 34, 1973, № 5, с. 963—

969.

Изобретение относится к технической физике, точнее к исследованиям оптических свойств твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалов.

Цель изобретения — повышение точности определения коэффициентов поглощения и диффузии изучения в слабопоглощающих твепдых материалах, особенно при отсутствии информации об объемной и поверхностной индикатрисах рассеяния.

На чертеже схематически изображено устройство для осуществления способа.

Излучение лазера 1 после прохождения модулятора 2 и светофильтра 3 попадает на делительную пластину 4. Большая часть излучения проходит через пластину 4 и фокусируется линзой 5 на образце 6 или эталоне

„„Я0„„1567936 А 1

2 (54) СПОСОБ ОГ!РЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА Г10ГЛОЩЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ТВЕРДЫХ СЛАБОПОГЛОЩАЮЩИХ СИЛЬНОРАССЕИВАЮЩИХ МАТЕРИАЛАХ (57) Изобретение относится к технической физике, точнее к исследованию оптических свойств твердых слабоиоглощающих сильнорассеивающих материалов. Цель изобретения — повышение точности определения коэффициентов поглощения идиффузии излучения, особенно при отсутствии информации об объс мной и поверхностной индикатрисах рассеяния. В предлагаемом способе для решен и я этой зада ч и предложено учесть угловую зависимость направленно-полусферической пропускател ной способности путем соответствующих измерений с использованием интегрирующей сферы, что снижает иогрегп ности в определении коэффициентов поглощения и диффузии излучения, связанные с неадекватностью теоретической модели и реальных условий эксперимента.

1 табл. ил.

7, установленных соответственно во входном и выходном отверстиях интегрирующей сферы H. Фотоириемник 9, защищенный экраном 10, вырабатывает сигнал, усиливаpMhlH усилителем 11. Отраженное от делительной пластины 4 излл:ениг- попадает в сферу 1? Сигнал )T llðèåìíèl.d !3 усиливается усилителем 4. и :Id,lû с усилителей !

4 и I иоочгредно измеряюг цифровым воль-,метром 15, который соединен с системой !6 сбора и обработки данных, включ а ющей крейт К АМА К. ЭВМ. герми пал и ци ф ропечатаюшее усгройство. Измерения для определения угловои зависимости проводят путем поворота сферы 8 вокруг ее вертикальной оси и соответствун гцего горизонтального смещения сферы н плоскости перпендикулярной оптической оси.

Для широкого класса полупрозрачных сильнорасс<ч<ва<ощих слабопоглощаю<цих материалов, таких как керамика, молочные стекла, порошки и т. л., выполняются условия диффузионного прелела для слоя толщиной I.: D ;! /В-э., гле К вЂ” коэффициент поглощения излучения в материале;

D — коэффициент лиффузии излучения.

Эго означает, что в глубине рассеивающей среды справеллив закон Фика лля диффузии излучения, связывающий объемные плотности потока и энергии излучения даже ч тех случаях, когда уравнение переноса перестает работать.

Для материалов с нерегулярной структурой (керамика, порошки, волокнистые материалы и т.л.) при нахождении К и D известными способами необходима лополнительная информация об индикатрисе объемного рассеяния и двунаправленных ралиационных характеристиках поверхности. Получение такой информации на основании геометрии и оптических свойств элементарных рассеивателей представляет собой сложную задачу и возможно лишь в исключительных случаях, когда сферические или цилиндрические рассеиватели удалены лруг от друга на ра<стояния сугцественно болыпие их размеров и длины волны. Введение же указанных величин в число неизвестных приведет к плохой обусловленности задачи и, как следствие, к погрешностям в оирелелении К и D.

Согласно преллагаемому способу прн диффузном освещении плоского слоя закон Фика становится справедливым всюду вплоть до границ. Это позволяет получить асимптотически строгие выражения лля лвуполусферической пропусиательной способности слоя.

Для получения надежных данных по коэффициентам К и D используют данные для нормально-полусферической пропускательной способности Р„разнотолщинных образцов и результаты измерения при определении угловой зависимости U (p) направленно-иолу сферической пропускательной способности образца одной толщины. При этом величина

U (1<) на самом деле представляет собой индикатрису пропускания образца. Тогда связь P„=U(p) Р., гле Є— лвуполусферическая пропускательная способность, позволяет использовать для расчетов К и D точные формулы для Р„и избежать указаниblx ошибок.

Кроме того, функция U(p) не зависит ни от толщины, но от ралиуса образца, поэтому ее можно определять лишь лля образца.одной тол<цины. Это существенно уменьшает объем экспериментальной работы и позволяет увеличить точность опрелеления

К и().

Способ осуществляют следующим образом.

Измеряют значение нормально-полусферических пропускательных способностей

P.(L;} набора образцов из N толщин L;(i=

=1, < < ) с использованием интегрирующей сферы. Затем для одного из образцов измеряют сигнал 1„, пропорциональный направленно-полусферической и ропускательной способности при падении излучения под углом

10 а гссозр (0(1 (1) .

Размеры образца и пучка излучения выбирают из условий: малости бокового пропускания образца по сравнению с торцовым и L/D — woo. Освещенная падающим лазерным пучком часть торцовой поверхности образца (область засветки) при различных углах падения излучения должна быть олной и той же. Это достигается как за счет сканирования пучка вдоль выбранной площадки (при малыхуглах падения), так и

>0 за счет фокусировки пучка до нужных размеров с помощью линзы (при больших углах падения). После указанных угловых измерений определяют угловую зависимость

U (p) =1„/1„, где 1„— сигнал, пропорциональный нормально-полусферической пропускательной способности Р„лля данного образца.

Рассчитывают двуполусферическую пропускательнук способность Р„(1,) для всех образцов по соотношению Р„(1,) =2P„(L,)

30 и (1 )1< dp, i=1, ..., N, после чего рассчитывают значения К и D в результате минимизации функционала

1- (К, D) =Z (PÄ(LÄ )(„D) — Р„(1,)1, где P. (L„K, D) определяют на основании известной формулы для теоретической двуполусферической пропускательной способноь ти

Рл(1. К Р)

Зм D е в которой Ь=2Рт);; т),= (1+г.,) / (1 — r„;); =-,/К/D — коэффициент затуха ния; и — показатель преломления; г„, (i=1,2) — двуполусферические коэффициенты внутреннего отражения границ.

Значение i=1 относится к границе, на которую падает излучение; 1=2 -- к следуюгцей по ходу излучения границе.

Примеры конкретного осуществления способа.

При осуществлении способа лля исследуемых образцов выполнялось условие диффузионного прелела

KD 0

D/t-— э-0

1 ti (136) 1)олаээтепи по группам

Характеристика

1 2

2 02 2,06,>6 2.06 2 11 3 90 3 95 4 07 4 07 4 07

Толщина оСраэцов, мм р ().),,".

5,9I 5,91

1,46 1,49,,90

1,59

Толщина обраэцон, мм

Р (L) 2

Угловую зависимость U (I),) определяют 20 для образца толщиной 3,95 мм. Измерения осуществляют путем поочередной регH(TI)ации сигналов с приемника: сигнала 1,„пропорционального направленно-полусферической пропускательной способности Р„()ри данном угле падения М„и сигнала 1„, пропорционального нормально-полусферической пропускательиой способности Р„при нормальном падении излучения на образец.

Углы падения на образец Ч, ††-агссов1(,. (i= 1,tO) имели значения О, 10, 20,, 80, 88 . 7(иаметр пучка, используемого в измерениях гелий-неонового лазера Лà — -126, составлял 4,5 MM. В центре образца выбирают гипотетический прямоугольник размером

4,5 мм в высоту и 9 мм в ширину. При углах меньше 60 измерения для определения

U (II,) проводят при горизонтальном сканировании луча вдоль этого прямоугольника

При углах падения больше 60 для сохранения горизонтального размера 9 мм испол) зуют линзу и сканируют пучок в вертикальной плоскости. Величину U(p) получают к)к 40

Формцла изобре-.ения

Способ определения коэффициента поглощения и коэффициента диффузии излучения в твердых слябопоглощякпцих сильнорассеивающих материалах, заключа)ощий(.я в том, что направляют на образец мате риала толщиной 1 излучение, измеряют с использованием интегрирук>и(сй сферы сигнал 1„, пропорциональный нормально-полусферической пропуска-.сльной способности

Р образца, повторяют указанные операции для N Образцов материала различной тол;цииы, р; ссчитывяют нормально-полусферические пропускятсльнь)е способности

Р„Л,), где I=-= 1,, Х, и tthl÷)t(. ?Iÿioò коэф(I)I>IIlt0н г K ног 1(>Ill(иия и коэффицисн;

1Э диффузии излу и ии. !3 исс.идуемом материале. Оглича)О(1(ий(.(T(51, что, с целью новы(1)сини T(! (ности i>III)(д(1(иия коэффициентов поглогцсии,(1(диф(1>у)ии излучения, до и()л и и т(. . I i I! (> и I l > I) i в. 1)i 6! T it 11 о 1 H H из of)р азцов излх чс и и !1(),I у?, i%I )гссo&p (0(I((1 ) (>THO(ИТ(лЛЬИО Иорк: i.!È К ПОВ(рХИОСГ и, и когОРУх> Ilil !1!(Г и.(1 (с lilt(, и зм(I)HK)T с испо;I ь.)О))Я)! и(1 и и т(Г1) 11) х K) Ill(. с ф(Ры си(> 1

01)ределенн ю в эксперименте зависимость U (I(t) удобно аппроксимировать кубическим поли)и)мом. В результате обрабогки экспериментальных данных получена следующая полиномиальная зависимость

Характерным признаком выполнения этих у словий является выс()Koc зиячсиие коз(р(рициента R отражения образцов (К)0,9) в исследуемой области спектра.

Проведено определение коэффициентов поглощения К и диффузии излучения D керамических образцов из фторида лития ня длине волны излучения 0,63 мкм. Пористость керамики 5000. Значения показателя преломления и и коэффициентов внутреннего отражения границ г„,) известны и равны: п=1,391; rÄi 2 — — 0,32.

U (I) = — --—

1)ц

1»

Решение задачи методом Ita и меньших квадратов состоит в нахождении таких На- 45 раметров К и D, которые дают минимум функционала

F(K, D) =5 (Р„(L„K, D) — 2I „(L,)I)

«(I3) V 4Vj"55

U (1)3) = — 0,042581)&+0,188, + 1,044((— 0,522, 4 тогда величина 2)IU (p) ц ° 4((=0,764. а

Набор Образцов с(>стоиг из четырех (рупп т(лщины 1.,()=в -,2()). В каждой группе llo

5 ()брязцон с близкими значениями толщин, Измеренные значения нормально-полусферической пропускятельной способности

Р„,(I,) образцов (по методу сравнения сигналов, полученных при поочередной установке каждого Образца и эталона соответственно во BxojlHoM и выходном отверстиях инт(грирующей сферы) приведены в таблице. ч

5,9? 5,92 9,90 In,02 10,02 10,0? 10,02

1,57 1 <& 0,71& 0,66&. 0,(3& 0,674 0,667

Задач; нахождения К и D путем минимизации упомянутого функционала легко реализуется на ЭВМ. Лля этих целей может быть использован, например, метод Пауэлла, с))мплекс-метод или метод скользящего допуска, которые не трсбуют вычисЛения производных. ПроведенныЙ расчет дал следующие значения:

К=4,7 10 см 1; D= 1,8-10 см.

Полученные значения К и D имеют лишь погрешности, связаннь)е с точностью измерительной аппаратуры и разбросом экспериментальных данных вследствие иеочиородности образцов. При их вычислении не возникает ошибок, связанных с заданием практически никогда неизвестной индикатрисы объемного и поверхностного рассеяния.

1567936

Госта ни тель В. Ка. (е ч и ц

Редактор М. Кее(еяе ш Техред И. Верее Корректор М. КХчеривая

Закан I:((>(Тираж 52(Подписное

IlIllll1I Iil I r>L) I;r(>«гв> и rrilrr ночи(ета II(> и н>Г>р(генияя и r>) (rðûòèÿ÷ при ГКI(Г (:(ХР

I I,,(():Б, 1оски а. Ж З5, Р((> шск;(я н(н>., Л 4(5 ((ро !! н i (с! ненни-ил (н lr .! I скин (rr>>1(»ltr:r! 1! 1)ентк, I жГор>>д, r л. Гага ри на, 1() I нал I ((4), пропорциональный направленнополусферической пропускательной способности, повторяют измерения для различных значений агссоьр, причем площадь поверхности образца, освещенной падающим излучением, выбирают равной при всех значениях углов, определяют угловую зависимость

L(((>.) =1((2.) /1„, рассчитывают двуполусферическую пропускательную способность

Рл(1, для всех образцов по соотношению

P (L,)=2P.(L;)j и (р) ° р 4>i, >=(, ..., N, а значения К и D вычисляют в результате минимизации функционала

F(K, Р) =Д((Рл(L;, К, D) — Рл (L ) ) где Ph(L„K, D) — теоретическая двуполусферическая пропускательная способность.