Способ измерения показателя поглощения

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ, включающий лазерный нагрев прозрачных объектов, о т л ичающийся тем, что, с целью повьппения чувствительности при изменении локального поглощения в крис- Злахкубической сингонии,. перпенулярно поверхности плоскопаральной пластины, выполненной так, поверхность пластины параллельна одной из плоскостей симметрии, например

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) ; (51)4 G 01 N 21/59

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСН0МУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Г 1(1 2

k» -— ° =,ã2

td и Е0 С где Г— (21) 2645653/18-25. (22) 13.07.78 (46) 15.03.86. Бюл. № 10 (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт кристаллографии им. А.В. Шубникова (72) А.Б. Васильев, Л.д. Кисловский и В.С. Чудаков (53) 535.24(088.8) (56) Брюшкова Т.И. и др. Измерение малых коэффициентов поглощения стекол калориметрическим методом.

Квантовая электроника, т. 3, ¹ 11, 1976, с. 2500 — 2503.

Дарвойд Т.И..и др. Исследование некоторых свойств кристаллов KPC в

10-микронной области спектра.-Квантовая электроника, т. 2, № 4, 1975, с. 765-772. (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ, включающий лазерный нагрев прозрачных объектов, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повьппения чувствительности при изменении локального поглощения в крисах кубической сингонии,.перпенди улярно поверхности плоскопаральной пластины, выполненной так, что поверхность пластины параллельна одной из плоскостей симметрии, например (100), например выколотой по плоскости спайности, пропускают возбуждающий термоупругие напряжес ния лазерный луч и одновременно измеряют линейную часть приращения разности хода с помощью луча монохроматизированного излучения, пропускаемого параллельно возбуждаемому лучу так, что прямая, проходящая через точки пересечения лучей с пластиной, параллельна направлению (100> или (110,.и определяют показатель поглощения k по следующей формуле: линейная часть приращения разности хода; время нарастания линейной части приращения; толщина пластины; мощность лазера; значение модуля Юнга для направления прямой, проходящей через оба луча; коэффициент линейного расши" рения; удельная объемная теплоемкость; фотоупругая константа, соответствующая комбинации направлений действия напряжений по прямой, соединяющей лучи, и направления наблюдения, перпендикулярного поверхности; расстояние между лучами.

743381

Изобретение относится к техничес- кой физике. Оно может быть использовано при отработке технологии выращивания совершенных высокопрозрачных кристаллов, при дефектоскопии загото- 5 вок и силовых элементов, используемых в лазерной технике, при физических исследованиях, направленных на выяснение различных механизмов слабого объемного поглощения. 10

Известны способы измерения показателей поглощения К основанные на лазерном нагреве прозрачных объектов. Измерение показателя поглощения осуществляют следующим образом: поток монохроматического излучения лазера попадает на исследуемый образец, изготовленный в виде цилиндра с полированными торцами и установленный так, чтобы ось цилиндра сов- 20 падала с направлением пучка. С помощью датчика контроля разности температур осуществляется отсчет приращения температуры измеряемого образца бтносительно образца сравне- 25 ния, не подвергающегося воздействию лазерного излучения. Одновременно измеряется мощность лазера. Используя значения приращения температуры, времени воздействия лазера, его мощ- 30 ности и табичные константы материала, определяют показатель поглощения.

Однако для измерения требуется изготовить специальные образцы, как правило строгой цилиндрической ор З5 мы с высококачественной поверхностью.

Известные способы позволяют измерять только интегральное значение показателя поглощения. Кроме того, известные способы, в которых используется 40 лазерный нагрев, — это контактные способы, где показания регистраторов в сильной мере зависят от качества контакта датчика с поверхностью образца и степени облученности дат- 45 чиков рассеянным лазерным излучением.

Наиболее близким по технической сущности к данному способу является способ, включающий лазерный нагрев образцовс

Недостатком известного способа является низкая чувствительность при измерении поглощения в кристаллах кубической сингонии.

Целью изобретения является повышение чувствительности при измерении локального поглощения в кристаллах кубической сингонии.

Поставленная цель достигается тем, что перпендикулярно поверхности плоскопараллельной пластины, выполненной так, что поверхность пластины ! параллельна одной из плоскостей симметрии, например выколотой по плоскости спайности, в частности (100), пропускают возбуждающий термоупругие напряжения лазерный луч и одновременно измеряют линейную часть приращения разности хода с помощью луча монохроматизированного излучения, пропускаемого параллельно возбуждаемому лучу так, что прямая, проходящая через точки пересечения лучек с пластиной, параллельна направлению (100 ) или «110), и определяют показатель поглощения K no следующей формуле:

Г 31 2

Д NEaC где à — линейная часть приращения разности хода; время нарастания линейной части приращения; толщина пластины;

М вЂ” мощность лазера; значение модуля Юнга для направления прямой, проходящей через оба луча; с — коэффициент линейного рас.ширения; — удельная объемная теплоемкость

С вЂ” фотоупругая константа, соответствующая комбинации направлений действия напряжений по прямой, соединяющей лучи, и направления наблюдения, riepпендикулярного поверхности;

Р— расстояние между лучами.

Данный способ измерения показателя поглощения, включающий лазерный нагрев, основан на эффекте локального наведения оптического анизотропии в плоскспараллельных пластинах кристаллов кубической сингонии при прохождении лазерного излучения мощностью от одного ватта до нескольких десятКоВ ватт, возбуждающего в месте воздействия упругие термонапряжения, величина которых убывает от места воз2 действия по закону 1/г Компоненты напряжения, как известно, образуют тензор второго ранга. Они зависят от направления температурного градиен та в пластине, в результате которого

743381 возникают термонапряжения, и от кристаллографической ориентации плоскопараллельной пластины, на которой производят измерения. Поэтому, чтобы существенно упростить обработку результатов измерения и повысить точность измерений, необходимо исполь зовать наиболее удобные и простые кристаллографические ориентации для изготовления пластин..Наиболее удоб- 10 ной ориентацией будет, когда поверхность пластины параллельна плоскости симметрии (100). У многих практически важных кристаллов эта плоскость является плоскостью спайности, 15

1по которой легко выкалываются пластины, при этой ориентации измеряют свой.ства кристаллов, которые описываются тензорными компонентами, например упругие свойства, в частности модуль ур

Юнга, связывающий неоднородные дефор-, мации, возникающие в процессе локального нагрева с напряжениями.шожно показать, что разность радиальных б„ и тангенциальных ов нап- р5 ряжений, возникающих в направлениях

<100> и <110) при кратковременном локальном нагреве пластины, ориентированной в плоскости (100), определяется формулой:

NEetk

Зtz У

Измерение линейного приращения . разности хода производят с помощью монохроматизированного излучения. htoнохроматизация необходима для повышения точности измерения. При этом для измерения должен использоваться луч значительно меньшей мощности, чем мощность возбуждающего лазера (в противном лучае он будет приводить к значительным погрешностям в определении К из-за собственного тепловоFo воздействия Hp. кристалл). Этот луч одновременно и параллельно возбуждающему лучу пропускается через

50

Г= Cd И, -4, (2) где N — мощность лазера; — время воздействия;

М вЂ” коэффициент линейного расширения; — модуль Юнга для направления градиента температур;

II — удельная теплоемкость;

k — - показатель поглощения;

Р— расстояние от места воздействия.

Под действием напряжений в пластине наводится двупреломление (в напряженных образцах оно существует и до воздействия, неоднородно распре деляясь по площади пластинь5.

По линейному приращению величины разности хода Г можно определить разность 0> и Ge где 0 — фотоупругая константа; 55

0 - толщина пластины.

Величина приращения разности хода, характеризующая наводимое лазером двупреломление, возрастает лйнейно до того момента, когда тепло от места воздействия возбуждающего лазера доходит до места, где измеряется двупреломление. Величина линейного участка приращения разности хода зависит как от коэффициента теплопроводности (он у кристаллов разного состава может отличаться в десятки раз), так и от расстояния от места воздействия до точки измерения приращения разности хода. Фотоупругая константа C,,как и модуль Юнга, является анизотропной величиной, причем для некоторых кристаллов эта анизотропия очень велика. Константа

С определяется одним или комбинацией нескольких пъезооптических коэффициентов и зависит от условий измерения двупреломления, т.е. от направления напряжений и направления измерения приращения разности хода. В случае измерений вдоль оси четвертого порядка (перпендикулярно пластине) и напряжений, действующих вдоль направления (100, эти соотношения самые простые:

3 (ОО g K "« " Ъ1 где и — показатель преломления

°

Э вЂ” пъезооптические коэффициенты), (а при напряжениях, воздействующих в

ОО%. И направлении ñ.110, . С1

Для многих кристаллов ц много оольше разности (н« вЂ” и г), и поэтому несмотря на то, что Е1 ъ .Рн, более выгодно измерять приращение разности хода в точке, лежащей на прямой, параллельной направлению 110 > пластины и проходящей через место воздействия возбуждающего лазерного луча.743381 пластинку, используя условия, оговоренные выше. Линейное приращения по времени несколько секунд и регистрируется автоматически фотоэлектрическим поляризационным устройством, использующим монохроматизированный луч в координатах "приращения двупреломления — время". Один из вариантов такого устройства, описан ниже.

Расчет показателя поглощения производят по формуле:

10 (3)

15 за являющейся следствием формул (1) и (2) .

На фиг. 1 изображено устройство для осуществления предлагаемого способа, на фиг. 2 показана зависимость разности хода Г от времени.

Устройство содержит лампу накаливания 1, светофильтр 2, поляризатор

3, клин-компенсатор 4, первое плоское зеркало 5, кристалл 6, второе у5 плоское зеркало 7, анализатор 8, . фотодетектор 9, первый катодный повторитель 10„ селективный усилитель

11, второй катодный повторитель 12, самописец 13,,шамотный кирпич 14, полевую диафрагму 15, лазер 16, зеркальную металлическую заслонку 17 и калориметр 18.

Устройство работает следующим образом. Тепловое возбуждение крис-.

35 талла 6 производилось с помощью лазера ЛГ-22 луч которого вводился и выводился из полярископа плоскими зеркалами 5 и 7. Мощность лазера измерялась калориметром 18. До и после измерения K лазерный луч направлялся зеркальной металлической заслонкой 17. При измерении K луч поглощался кусочком шамотного кирпича 14.

Для измерения наводимой разности хо45 да использовали схему фотоэлектрического полярископа с вращающимся анализатором, позволяющим проводить. быструю линейную регистрацию небольших разностей хода. В качестве осветителя применяли лампу накаливания СГ-62.

Светофильтр 2 состоял из пластинки просветленного германия и пластинки тонкого плексигласа. Такой светофильтр имеет максимум пропускания у 1,9 мкм, что позволяет эффективно проводить

55 измерения кристаллов, которые заметно рассеивают и деполяризуют проходящее излучение поверхностными или объемными дефектами в видимой области спектра. Функции поляризатора 3 и анализатора 8 исполняли инфракрасные

I дихроичные пленки. Анализатор вращался от синхронного электродвигателя посредством шкивов и резинового пасика. Перестраиваемая четвертьволновая кварцевая пластинка 4, изготовленная по типу компенсатора Солейля„ была установлена в диагональное положение по отношению к поляризатору, причем оба элемента могли синхронно поворачиваться вокруг оси прибора. Последнее необходимо при исследования напряженных кристаллов. При наличии напряжений в кристалле перестариваемую пластинку устанавливали так, чтобы главные направления, например "быстрые" оси, пластинки и исследуемого места совпадали (при этом разности хода элементов арифметически суммировали). Затем, изменяя разность хода пластинки, добивались положения, при котором отсутствовала модуляция излучения на удвоенной частоте вращения анализатора. При такой настройке перестариваемая пластинка и кристалл суммарно выполняли роль четвертьволновой фазовой пластинки. В качестве фотодетектора 9 использовали неохлаждаемое сернисто-свинцовое фотосопротивление АН-04 с приемной площадкой

0,6 х 0,4 мм . Полевая диафрагма 15 диаметром 1 мм позволила проводить измерения при достаточно высокой чувствительности, не прибегая к помощи элементов в осветительной и регистрирующей частях полярископа.

Измерительная часть полярископа состояла из селективного усилителя

У2-6, настроенного на удвоенную час.— тоту вращения анализатора, и потенциометра КСП-4 (13), а также двух катодных повторителей 10 и 12, согласующих фотодетектор с усилителем и усилитель с самописцем.

На описанном устройстве были про1ведены измерения показателя поглощения в различных кристаллах, отличающихся, как чистотой, так и состоянием

1 поверхности. Опробованы кристаллы

KCl, NaCl, KRS>5, KRS 6, AgCI, BaF>.

Во всех кристаллах измеренные величины превосходили пороговые.

На фиг. 2 изображены кривые Г(1)

S полученные при измерении K в двух точках пластинки KCI толщиной 9 мм

743381 иа

I (кривые 1 и 1 ), и в пластинке ВаУ толщиной 1 мм (кривая 2). Показатели поглощения соответственно были рав-5 - 6 -1 ны 1,5 10 см; 7 10Г см и 0,08 см

Пороговые значения K, измеряемые по данному способу, зависят от нескольких причин, причем как аппаратурных, ых так и обусловленных свойствами кристаллов. Аппаратурными факторами являются предельная чувствительность полярископа и мощность лазера. Паиболее важными кристаллическими константами, влияющихми на чувствительностЬ метода, можно считать константу и коэффициент теплопроводности.

Как отмечалось выше, пороговая чувствительность понижается из-за загрязнения поверхности.

Измеряемые образцы, как правило, содержат включения. Если размер вклю-, чений много меньше диаметра лазерного пучка, то каждое включение становится локальным поглотителем излучения, отдающим тепло матрице, и одновременно является источником напряжений. Поля напряжений от таких источников практически затухают на расстояниях, меньших 200 мкм, не соизмеримых с расстоянием от места воздействия до места измерения. Кроме того формирование поля напряжения вокруг включения происходит за очень короткое время и поэтому не

5 влияет на измеряемый наклон кривой

Г (1,) ° Таким образом, двупреломление, наводимое в высокопрозрачных образцах с малым содержанием включений, на больших расстояниях от места воз10 действия лазерного пучка практически не зависит от поля напряжения отдельных включений и определяется суммарной мощностью, поглощаемой матрицей и включениями, т.е. э ектив15 ным значением коэффициента поглощения образца, Данный способ пригоден для контроля качества готовых элементов, при20 менением также для совершенствования и уточнения технологии выращивания кристаллов высокой прозрачности и обработки изделий из них. Способ позволяет существенно повысить надежность работы комплексов, включающих элементы силовой оптики, а также избежать изготовления дорогостоящих специальных образцов, что существенно удешевляет контрольные операции

ЗВ при усовершенствовании технологии

1выращивания и обработки кристаллов.

743381

0 2 9 6 S Ю 12 1Ч t;c

Фиг.2

Корректор В. Бутяга редактор 0, Кузнецова Техред З.Палий

Заказ 1165/2 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4