Способ измерения показателя поглощения

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ, включающий пропускание . лазерного пучка через изотропную плоскопараллельную пластину нормально к ее поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, чувствительности и быстродействия, пластину подвергают одноосному нагружению и синхронно с воздействием лазера измеряют угол поворота главных направлений в точке, расположенной на прямой, проходящей через место воздействия лазера и составляющей угол 45* с направлением нагружения, и определяют показат^ель поглощения по формуле:TTt'^'V•^^^t^^PiT^rrr'где б - величина напряжений, обусловленная внешней нагрузкой }^^ - угол поворота главных направлений под действием лазера; Е - модуль Юнга; <^ - коэффициент линейного расширения;'У - удельная объемная теплоемкость;г - расстояние между местом лазерного воздействия и местом измерения;N - мо!дность лазера;t - время с начала воздействия лазера.iСЛ•vjсоСЛСЛсо

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (!!) ())4 С 01 N 21/59

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ где о

N—

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2747076/18-25 (22) 05.04.79 (46) 15.03.86. Бюл. g 10 (71) Специальное конструкторское бюро Института кристаллографии имени А.В. Шубникова АН СССР (72) Г.Г. Праве и В.С. Чудаков (53) 535.242(088.8) (56) Брюшкова Т.И., Дианов Е.M.

Никитин Е.П., Прохоров А.М. Измерение малых коэффициентов поглощения стекол калориметрическим методом.—

Квантовая электроника, 1976, т.3, У 11, с. 2500..

Дарвоид Т.И., Карлова Е.К., Карлов H.Â., Кузьмин Г.П., Лисицкий И.С...Сисакян Е.В. Исследований некоторых свойств кристаллов КРС в 10-микронной области спектра.

Квантовая электроника, 1975, т. 2, )) 4, с ° 765 ° (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ

ПОГЛОЩЕНИЯ, включающий пропускание лазерного пучка через изотропную плоскопараллельную пластину нормально к ее поверхности, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повыf шения точности, чувствительности и быстродействия, пластину подвергают одноосному нагружению и синхронно с воздействием лазера измеряют угол поворота главных направлений в точке, расположенной на прямой, проходящей через место воздействия лазера и составляющей угол 45 с направлением нагружения, и определяют показатель поглощения по формуле: и . г Э м0(E t величина напряжений, обусловленная внешней нагрузкой угол поворота главных направлений под действием лазера; модуль Юнга; коэффициент линейного расширения; удельная обьемная теплоемкость; расстояние между местом лазерного воздействия и местом измерения; мо1цность лазера; время с начала воздействия лазера.

95159 2 действия лазера и составляющей угол

45 с направлением нагружения, и оп» ределяют показатель поглощения по следующей формуле:

Tlv

НАЕВ

Изобретение относится к измерительной технике. Оно может быть использовано для контроля качества. прозрачных оптически изотропных материалов, таких как стекла, керамика, кристаллы кубической сингонии, а также при производстве оптических элементов из этих материалов, например элементов силовой оптики.

Известен способ измерения показателя поглощения, основанный на калориметрическом эффекте. В данном способе через цилиндрический образец или круглую пластину непрерывно пропускают лазерный луч мощностью от нескольких ватт до нескольких десятков ватт. Этот луч нагревает образец за счет частичного поглощения излучения лазера, и происходит повышение температуры образца. Измеряя приращение поверхностной температу" ры и используя. данные о теплоемкости образца и постоянной времени остывания, определяют показатель поглощения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения показателя поглощения, включающий пропускание лазерного пучка через изотропную плоскопараллельную пластину нормально к ее,поверхности..

Этот способ основан на измерениях поверхностной температуры, в результате чего возникают большие погрешности, обусловленные недостаточным тепловым контактом термометра с поверхностью пластины и значительным поверхностным теплоотводом. Кроме того, в этом методе можно реализовать только интегральные измерения показателя поглощения, причем одно измерение занимает значительное время (несколько минут).

Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и быстродействия.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе измерения показателя поглощения, включающем про пускание лазерного луча через изотропную плоскопараллельную пластину нормально к ее поверхности, пластинку подвергают одноосному нагружению и синхронно с воздействием лазера измеряют угол поворота главных направлений в точке, расположенной на прямой, проходящей через место возгде 9 величина напряжений, обусловленная внешней нагрузкой;

1О

P — угол поворота главных направлений под действием лазера;

Š— модуль Юнга;

d — коэффициент линейного расширения;

15 Ф вЂ” удельная объемная теплоемкость;

r — - расстояние между местом лазерного воздействия и местом измерения;

Ы вЂ” мощность лазера;

t — - время с начала воздействия лазера.

На чертеже приняты следующие обо-

F — внешняя нагрузка, r — расстоя. ние между местом лазерного воздействия и местом измерения; М вЂ” угол наблюдения, изотропная пластина 1,. место 2 измерения, место 3 лазерного воздействия, пластины 4.

Способ состоит из 4 операций.

К боковым торцам изотропной пластины 1 прикладывают через пластины 4 внешнюю нагрузку F создающую одно35 осное напряжение, величина которого изменяется в зависимости от свойств измеряемой изотропной пластины от

О, 1 до 0,3 кг/см2. Не снимая внешней нагрузки, через изотропную

40 пластину 1 нормально к ее поверхности в точке 3 пропускают лазерный луч. На расстоянии r от места лазерного воздействия (около 1.см) синхронно с воздействием измеряют угол

45 поворота главных направлений индикатриссы, используя визуальные или фотоэлектрические методы регистрации изоклин. Для повышения чувствительности и существенного упрощения

-50 последующей математической обработки результатов место для измерения угла поворота главных направлений индикатриссы выбирают на прямой, проходящей через место лазерного

55 воздействия 3 и составляющей угол о

Ф=45 с направлением. внешнего меха-. нического воздействия. По величинам внешней нагрузки, угла поворота, 795159

6 ос с (} (1)

0 О 0 (6> -6;)

1 2Р

Г

F где 6 =—

35 мощности лазера определяют локальные значения для показателя поглощения, характеризующие свойства в местах воздействия лазера.

При первой операции — приложе- 5 нии одноосной нагрузки к боковым торцам изотропной пластины 1 — в ней возникает одноосное напряженное состояние, которое, будучи приведенным к главным осям, описывается тензором второго ранга:

F — - внешняя нагрузка;

S — - площадь, к которой приложена внешняя нагрузка.

Не снимая внешней нагрузки F, через изотропную пластину 1 пропус:кают лазеРный луч, под действием которого в ней (в результате локального нагрева) дополнительно наводят-. ся термические упругие напряжения, которые можно описать с помощью ра;.. диальной 6р и тангенциальной &g,составляющих. Наведенные лазером напря30 жения в произвольной точке плаСтины описываются тензором, который после приведения к координатным . осям первого тензора имеет вид: (6 g p+SaS â "Р)(р-SL)5 2 0 (g = (Я -ЯЦЯ52$ (брЯл Ф-&Соэ V 0

О О О, . (2) в результате сложения напряжений от внешней нагрузки с термонапряжениями в-пластине 1 возникает плоское напряженное состояние, которое описывается тензором: (6 8I.&e ++831iw*М) -" (В "8t ) 3

В общем случае главные оси суммарного тенэораЯ 1 не совпадают

IJ Р. с главными осями тензора Я,Д

Угол, на который повернулись глав :55 ные оси эллипсоида напряжений после лазерного воздействия на пластину i, описывается. выражением: (8г - 6 ) яin 2 p

tg 2P б+(6 - 6)сонг Ф

Если для регистрации угла поворота выбрать точки 2, лежащие на прямой, проходящей через место 3 воздейсто вия лазера под углом =45 к направлению нагружения F то,формула ( упрощается и принимает следующий вид:

Упругие напряжения являются источником оптической анизотропии в аморфных и оптически изотропных объектах — кристаллах кубической сингонии. Наведенную оптическую ,анизотропню легко выявлять в поляриэованном свете по интерференционным картинам, которые наблюдают или визуализируют с помощью полярископов. При работе с линейным скрещенным полярископом минимальная яркость точки в интересующем нас месте интерференционной картины, в частности, соответствует положению, при котором направление максимального пропускания поляризатора параллельно одному иэ главных направлений, например направлению быстрой оси. В оптически изотропных материалах (стеклах, керамике, а также в кристаллических пластинах, вырезанных определенным образом) главные направления индикатриссы совпадают с главными осями тензора напряжений. Это свойство используется в предложенном способе в операции измерения угла поворота главных осей тензора напряжений.

В зависимости от используемого способа регистрации оптической анизотропии угол поворота Р (а он изменяется во времени по мере воздействия лазера) может измеряться или визуализироваться с применением полутеневых устройств, или фотоэлектрически, например в полярископах с вращающимся анализатором, путем автоматической регистрации фазы модулированного сигнала на ленте самописца.

Используя выражение для радиальных &1, и тангенциальных 6 составляющих напряжений, возникающих при лазерном воздействии на прозрачные объекты, 795159

Редактор О. Кузнецова ТехредС.Мигунова: Корректор :С. Шекмар

Заказ 1167/2 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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

R »

2 ()I (»= „,jVe(v»dy -jVe(V»dV) о о

Ed, »»»

6 (»= — (jy(»{Y»dv — г (»(H+Jv(»(v»dv), (6) можно показать, что в течение времени распространения тепловой волны от места 3 воздействия лазера до интересующего нас места 2 измерения, т.е. когда выполняется условие, при котором приращение температуры равно

ЕТ= . ехр (- — вЂ, ), разность наIxt 1 r

7 2ro э пряжений (8» -Pj) изменяется по -закону: (бр -6,): " ", (7)

%I ф где- Š— модуль Юнга; (ф — коэффициент линейного расши- 25 рения;

9 — усредненное по толщине значение температуры; — Радиус пластины; — Расстояние от центра лазерного пучка до интересующего нас места," — время воздействия лазера;

»ф — объемная удельная теплоем,коств; 35

К вЂ” показатель поглощения;

N — - мощность излучения лазера.

Решая совместно уравнения 7 и 5, получаем формулу для расчета показателя поглощения К по предложенному 40 способу:

Д Яр. к-б б Я Р вЂ”, ((»>

Nd.Et

В кристаллах, как правило, при произвольной ориентации пластин глав45 ные направления индикатриссы не совпадают с главными осями эллипсоида напряжений. Это свойство обусловлено анизотропией фотоупругой константы кристалла. Поэтому за исключени-. ем пластин, вырезанных перпендикулярно оси (111>, для которых полностью реализуются условия описанного метода, и следовательно, формула 8, при расчете показателя поглощения в пластинах лроизвольной ориентации необ- . ходимо знать пьезооптические константы кристалла li»,, и (ll1,-11„. . Для наиболее простого случая анизотропии — пластина выколота по плоскости (100) иэ кубического кристалла классов ш 3 ш, 432 и 43 m (к ним относятся наиболее широко применяемые на практике кристаллы КСЗ,.

HaCI, LiF, СаР,, BaF» КРС=5, КРС=6, Ge и т.д.) формула 8 принимает вид: ъ 7

К= 1" 6 р " (з) с

Для других ориентаций пластин 1 множитель, содержащий пьезооптические коэффициенты, имеет более сложный вид и представляет различные комбинации коэффициентов 1)(, »».и (К -Ti„g.

Сравнительные испытания данного способа показали, что он позволяет повысить точность измерений и быстродействие, а также реализовать. возможность измерений локальных эна". чений показателя поглощения в различ ных точках объекта, используя эффект наведения термоупругих напряжений в объеме оптически изотропного объекта посредством воздействия лазерного луча мощностью от нескольких ватт до нескольких десятков ватт. Кроме того, при основных измерениях, связанных. с определением угла поворота осей индикатриссы, исключаются измерения интенсивностей света, что также способствует повышению точности измерений». В.предложенном способе исключено влияние фотоупругих констант на точность измерений.