Способ определения коэффициентов объемного рассеяния и поглощения в оптических материалах

 

Использование: оптическое приборостроение. Сущность изобретения: устройство для реализации способа содержит расположенные на одной оси лазер, линзу, первый образец из исследуемого материала с полированными торцами и калориметр. Дополнительно установлен другой образец. К боковой поверхности образцов прикреплены датчики, соединенные через усилитель с самописцем. На боковую поверхность образцов нанесено теплоизолирующее покрытие. Кроме того, поверхность другого образца матирована и на нее нанесено высокоотражающее покрытие. Лазерное излучение на образец направляется с помощью светоделителя и зеркала. Лазерным излучением просвечивает образцы перпендикулярно их торцам. Затем измеряют мощность прошедшего через один образец один образец лазернего излучения с помощью калориметра. Посредством термопары измеряют изменение температур и образцов относительно друг друга и региструют это самописцем. Коэффициент рассеяния определяют по формуле, приведенной в описании. Коэффициент объемного поглощения определяют при прсвечивании только одного образца, исключив прсвечивание другого с помощью затвора. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для определения внутренних потерь и контроля оптического качества материалов, прозрачных в оптическом диапазоне.

Известен фотометрический способ определения коэффициентов поглощения материалов, прозрачных в оптическом диапазоне [1] состоящий в том, что исследуемый образец просвечивают световым потоком и по отношению мощности светового потока, поглощенного образцом, к мощности первоначального светового потока определяют полные потери, включающие потери на поглощение и рассеяние.

Недостатком данного способа является невозможность определения по отдельности коэффициента рассеяния и коэффициента объемного поглощения, невысокая разрешающая способность способа ввиду того, что при его осуществлении необходимо использовать фотометр, ошибка измерения которого составляет 0,5% что позволяет измерять внутренние потери только у сильнопоглощающих материалов.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения коэффициентов объемного поглощения и рассеяния оптически прозрачных материалов [2] заключающийся в том, что направляют лазерное излучение перпендикулярно полированным торцам образца, измеряют мощность прошедшего лазерного излучения, измеряют поглощение излучения образцом, регистрируют изменение температуры dT образца относительно температуры контрольного образца и определяют коэффициент объемного поглощения. После определения коэффициента объемного поглощения вторично просвечивают образец, боковую поверхность которого предварительно матируют и наносят на нее высокоотражающее и теплоизолирующее покрытие, проводят повторные измерения поглощения, по их результатам определяют коэффициенты внутренних потерь α_вн.п. по формуле α_вн.п= · , где ρ плотность исследуемого образца; c удельная теплоемкость образца; r_o радиус исследуемого образца; (dT/dt)_t=0 скорость нагрева исследуемого образца в начальный момент времени t 0; n показатель преломления исследуемого образца; I_изм мощность прошедшего лазерного излучения через образец.

Коэффициент рассеяния определяют как разность между коэффициентом внутренних потерь и коэффициентом объемного поглощения.

Недостатком данного способа является большое время, необходимое для измерения коэффициента рассеяния α_р, так как перед вторым измерением необходимо извлечь исследуемый образец из калориметрической камеры и произвести над ним следующие операции: матирование поверхности и нанесение на нее высокоотражающего покрытия, что значительно увеличивает время эксперимента. Кроме того, определение α_р производится не прямым методом, а косвенным и связано с определением двух величин: коэффициента объемного поглощения и коэффициента внутренних потерь, что соответственно уменьшает точность определяемой величины.

Целью изобретения является сокращение времени определения коэффициента рассеяния.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициентов объемного рассеяния и поглощения в оптических материалах, заключающемся в том, что направляют лазерное излучение перпендикулярно полированным торцам и образцов, боковая поверхность одного из которых матирована и на нее нанесено высокоотражающее покрытие, измеряют мощность прошедшего через образец излучения, измеряют поглощение излучения нематированным образцом посредством регистрации изменения его температуры относительно матированного образца, и определяют коэффициенты объемного поглощения и рассеяния, согласно изобретению производят просвечивание лазерным излучением одновременно обоих образцов и определяют коэффициент рассеяния по формуле α_p= · , где ρ плотность исследуемого образца; c удельная теплоемкость образца; r_o радиус образца;
(dT/dt)_t=0 скорость нагрева исследуемого образца в начальный момент времени t 0;
n показатель преломления образца;
I_изм. мощность излучения, прошедшего через исследуемый образец.

На фиг. 1 представлен пример схемы установки для реализации способа; на фиг. 2 регистрируемое самописцем изменение во времени относительной температуры исследуемого образца в процессe просвечивания его лазерным излучением; на фиг. 3 регистрируемое самописцем изменение во времени относительной температуры исследуемого образца в процессе конкретной реализации способа.

Результаты измерений представлены в таблице.

Установка содержит (см. фиг. 1) размещенные на одной оси лазер 1, линзу 2, первый образец 3 из исследуемого материала с полированными торцами и калориметр 4. Дополнительно к исследуемому образцу 3 установлен второй образец 5. К боковой поверхности образцов 3 и 5 прикреплены датчики 6, например, прикреплены концы термопар, которые через усилитель 7 соединены с самописцем 8, регистрирующим увеличение относительной температуры образцов 3 и 5 в зависимости от времени при просвечивании их лазерным излучением 9. С целью уменьшения влияния окружающей среды на стабильность измерения температуры оба образца 3 и 5 помещены в теплоизолирующую камеру 10, имеющую отверстия для ввода и вывода лазерного излучения 9. Кроме того, для устранения конвективного теплообмена между исследуемыми образцами 3 и 5 и окружающим их воздухом во время нагрева лазерным излучением 9, на боковую поверхность образцов 3 и 5 наносят теплоизолирующее покрытие 11. Для разделения лазерного излучения 9 и направления его на образец 5 между линзой 2 и образцом 3 установлен светоделитель 12, в ортогональной ветви которого установлено зеркало 13, с помощью которого лазерное излучение 9 направляется на образец 5. Коэффициент светопропускания светоделителя 12 выбирается из условия равенства мощностей лазерного излучения 9, проходящего через образцы 3 и 5. Между светоделителем 12 и зеркалом 13 расположен затвор 14. Поверхность образца 5 матируется и на нее наносится высокоотражающее покрытие 15. Это необходимо для того, чтобы в процессе просвечивания образца 5 происходило диффузное отражение рассеянного излучения от покрытия 15. Отражаясь от покрытия 15, рассеянное излучение поглощается образцом 5, вызывая его дополнительный нагрев. То есть нагрев образца 5 вызывается за счет поглощения и рассеяния лазерного излучения 9 материалом образца 5.

Способ осуществляют следующим образом.

Лазерным излучением 9, сфокусированным линзой 2, прошедшим через светоделитель 12, просвечивают исследуемый образец 3, а отраженным от зеркала 13 просвечивают одновременно второй образец 5, перпендикулярно от их торцам.

Затем измеряют мощность прошедшего, например, через образец 3 лазерного излучения 9 с помощью калориметра 4.

Посредством термопар 6 измеряют изменение температур исследуемых образцов 3 и 5 относительно друг друга, регистрируют это изменение самописцем 8 (см. 16 фиг. 2).

Далее определяют коэффициент рассеяния по формуле
α_p= · (1) где ρ, c, n плотность, удельная теплоемкость и показатель преломления исследуемого материала;
r_o радиус исследуемых образцов 3 и 5;
(dT/dt)_t=0 скорость нагрева исследуемых образцов 3 и 5 в начальный момент времени;
I мощность лазерного излучения внутри образцов 3 и 5
I In + (2)
I_изм. мощность излучения, прошедшего через образец 3 и 5, измеренная калориметром 4.

Учитывая формулу (2) и (1), пример вид
α_p= · (3)
Для того, чтобы определить коэффициент объемного поглощения, материала образцов 3 и 5, необходимо исключить просвечивание образца 5.

С этой целью повторное просвечивание первого образца 3 производится после перекрытия лазерного излучения 9 затвором 14. Измерив мощность лазерного излучения 9, прошедшего через образец 3 и изменение температуры образцов 3 и 5 определяют коэффициент объемного поглощения α_o (см. 17 фиг. 2).

П р и м е р. Проводилось определение коэффициентов объемного поглощения и рассеяния кристалла YAσ Nα³⁺. Для осуществления способа были изготовлены из исследуемого материала два образца длиной 120 мм, диаметром 6 мм.

Данные образцы были помещены в теплоизолирующую камеру, имеющую отверстия для ввода и вывода излучения, внутренняя поверхность камеры чернилась для исключения возможности попадания на термопару переотраженного рассеянного света от торцов исследуемого образца.

Кроме того, у одного из исследуемых образцов поверхность матировали по образуемой с помощью алмазного порошка АСМ 40/28, а затем нанесли на нее алюминиевое покрытие посредством вакуумного напыления. Оба исследуемых образца помещались в теплоизолятор, выполненный из пенопласта, в виде трубки с внутренними диаметрами 6,2 мм, внешним 20 мм и длиной 120 мм.

Излучение лазерной установки "Квант 12" фокусировалось линзой с фокусным расстоянием 250 мм, разделялось светоделительной пластиной, выполненной из кварцевого стекла с нанесенным на нее диэлектрическим покрытием с коэффициентом светопропускания 50% на два лазерных пучка. Один из пучков направлялся на первый образец, а другой, отражаясь от зеркала, выполненного из кварцевого стекла с нанесенными на него многослойными диэлектрическими покрытиями с отражением 100% направлялся на второй образец. Мощность прошедшего излучения I_изм. измерялась калориметром ИМО-2.

Нагрев облучаемых образцов относительно друг друга фиксировали с помощью термопары медь-констатен. Спай термопары приклеивали клеем БФ-2 и боковой поверхности образцов. Сигнал с термопары подавался на микровольт-амперметр Ф116/1, а после усиления фиксировался самописцем И399 в виде графика изменения относительной температуры просвечиваемого образца во времени в процессе просвечивания его лазерным излучением (см. 18 фиг. 3). После первого просвечивания образцов и изменения параметров получили кривую, отображающую увеличение температуры образца 6 за счет рассеяния, так как нагрев у второго образца происходит за счет рассеяния и поглощения лазерного излучения материалом образца, а у первого образца только за счет поглощения.

По данной кривой (dT/dt)_t=0^p перед повторным просвечиванием образцов производим перекрытие лазерного излучения затвором. Таким образом, лазерное излучение просвечивает только первый образец, а второй образец является опорным, то есть относительно него фиксируется увеличение температуры первого образца. Далее измеряли мощность первого образца и определяли (dT/dt)_t=0ⁿ (см. 19 фиг. 3).

Результаты измерений сведены в таблицу.

Значение величин ρ, c, n для исследуемого материала следующие:
ρ= 4,55 г/см³; c 0,145 ккал/г ˙ град;
n 1,816
Далее по формуле (3) вычислили коэффициенты объемного рассеяния и поглощения.

α_p= · 1,4·10^-4= 2·10^-4(см^-1)
α_o= · 3,3·10^-4= 4·10^-4(см^-1)
Отметим, что измерение α_p и α_o можно производить и в другой последовательности, то есть первоначально измерять α_o (при закрытом затворе), а затем α_p, когда облучаются оба образца.

Практическая ценность предлагаемого способа заключается в сокращении времени измерения коэффициента рассеяния. В прототипе для измерения коэффициента рассеяния необходимо провести испытание по измерению α_o, затем извлечь исследуемый образец из калориметрической камеры, нанести на него высокоотражающее покрытие, установить обратно образец в калориметрическую камеру, измерить α_вн.п и вычислить α_p. В предлагаемом способе исключаются операции по извлечению исследуемого образца из камеры и последующих операций, а сразу после испытаний по определению α_p определяют α_p, что значительно сокращает время проведения эксперимента по определению α_p.

Кроме того, прямое, а не косвенное определение α_p дает более высокую точность.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОБЪЕМНОГО РАССЕЯНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ, заключающийся в том, что направляют лазерное излучение перпендикулярно полированным торцам образцов, боковая поверхность одного из которых матирована и на нее нанесено высокоотражающее покрытие, измеряют мощность прошедшего через образец излучения, поглощение излучения нематированным образцом посредством регистрации изменения его температуры относительно матированного образца и определяют коэффициенты объемного поглощения и рассеяния, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени определения коэффициента рассеяния, излучение направляют одновременно на оба образца, а коэффициент объемного рассеяния определяют по формуле

где ρ плотность исследуемого образца;
C удельная теплоемкость образца;
r₀ радиус исследуемого образца;
скорость нагрева исследуемого образца в начальный момент времени t 0;
n показатель преломления исследуемого образца;
J_изм мощность излучения, прошедшего через исследуемый образец.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4