SU1182879A1 - Способ измерени оптического поглощени высокопрозрачных материалов и устройство дл его осуществлени (его варианты) - Google Patents

Abstract

1 . Способ измерени  оптического поглощени  высокопрозрачных материалов, заключающийс  в том,что через исследуемую локальную область объекта пропускают луч возбуждающего лазерного излучени  и параллельный луч монохроматизированного циркул рно-пол ризованного излучени , регистрируют линейную часть приращени  наводимого двупреломлени  и определ ют показатель поглощени  материала в области воздействи  возбуждающего лазерного излучени , использу  данные об обоих световых потоках и физических константах материала, отличающийс  тем, что, с целью повьшени  точности, чувствительности и быстродействи , через исследуемую локальную область объекта оба луча пропускают соосно, причем используют монохроматизированное циркул рно-пол ризованное из тучение , состо щее из четырех чередующихс  лево- и правоциркул рных потоков, каждый из которых имеет форму кругового квадранта. 2. Устройство дл  измерени  оптического поглощени  высокопрозрачных материалов, содержащее фотоэлектрический круговой пол рископ, включающий оптически св занные источник излучени , светофильтр, диафрагму, стационарный пол ризационный элемент , четвертьволновую фазовую плаi стинку, держатель объекта, враща (Л ющийс  пол ризационный элемент, объектив и фотодетектор, а также анализирующий блок и возбуждающий лазер, оптически св занный с держателем объекта, отличающеес  тем, что, с целью повьшени  /точности, чувствительности и быстродействи , оно дополнительно содер00 жит первое и второе эеркала, снабю женные механизмом, обеспечивающим 00 периодическое синхронное пересечеvi ние ими оси пол рископа, оптичессо ки св занные с возбуждающим лазером и между собой таким образом, что их обща  оптическа  осьсовпадает с оптической осью пол рископа и проходит через держатель объекта а стационарный пол ризахщонный элемент выполнен в виде круговой мозаики из четырех одинаковых секторов с взаимно ортогональными направле- : ни ми наибольщего пропускани  в соседних секторах, причем эти направлени  ориентированы диагонально по

Description

отношению к оптической оси четве-ртьволновой фазовой пластинки.

3. Устройство дл  измерени  оптического поглощени  высокопрозрачных материалов, содержащее фотоэлектрический круговой пол рископ, включающий оптически св занные источник излучени , светофильтр, диафрагму, стационарный пол ризационный элемент , четвертьволновую фазовую пластинку , держатель объекта, вращающийс  пол ризационный элемент, объ-i актив и фотодетектор, а также анализирующий блок и возбуждающий лазер, оптически св занный с держателем объекта, отличающеес  тем, что, с целью повьшени  точности , чувствительности и быстродействи , оно дополнительно содержит первое и второе зеркала, снабженные механизмом периодического синхронного пересечени  ими оси пол рископа , оптически св занные с возбуждающим лазером и между.собой таким образом, что их обща  оптическа  ось совпадает с оптической осью пол рископа и проходит через держатель объекта, а четвертьволнова  фазова  пластинка выполнена в виде мозаики, состо щей из четырех одинаковых круговых секторов с ортогональными оптическими ос ми в соседних секторах , диагонально расположенными по отношению к направлению наибольшего пропускани  пол ризатора .

Изобретение относитс  к области технической физики и может быть использовано дл  контрол  качества крупногабаритной лазерной силовой оптики и исходных высокопрозрачных кристаллов, поликристаллов и стекол Целью изобретени   вл етс  повышение точности, чувствительности и быстродействи  измерений показател  поглощени  в крупногабаритных высокопрозрачных объектах. Слабое оптическое поглощение по данному способу измер етс  следующим , образомо Лазерный луч средней мощности пропускают через исследуемую область объекта. Обычно она составл ет 0,5-1 мм. За счет поглощающей способности в этой области накапливаетс  теплова  энерги , котора  начинает рассеиватьс  по направлени м от центра во действи  к периферии. В начальной фазе воздействи  это накапливание тепловой энергии происходит практически линейно до тех пор, пока не наступает тепловое равновесие, при котором величины поглощаемой и отводимой за счет теплопередачи энергии равны. Таким образом в объекте создаетс  аксиальное тепловое поле С радиальными нелинейными градиентами температур. Наводимое поле термоупругих напр  жений вызывает временные локальные изменени  оптических свойств материала , одно из KOTopBix - по вление двупреломлени  в оптически изотроп- , ных средах. В большинстве материалов (стеклах, поликристаллах, кристаллических пластинах (ЮО) и (111)), двупреломление линейно зависит от разности термоупругих напр жений. Б начальный момент воздействи  двупреломление в любой точке, наход щейс  в окрестности места воздействи , нарастает практически линейно . Например, в известной аппаратуре , где дл  анализа воздействи  используетс  область, удаленна  от центра воздействи  на 10 мм, линейное нарастание двупреломлени  в кристаллах КС 1, NaCl, ZnSe происходит не менее 3 с, в кристаллах КРС-5 и КРС-6 - пор дка 20 с, в инфракрасных стеклах - более 30 с. При исследовании центральной зоны врем  линейного нарастани  уменьшаетс  в 5-10 раз. С целью анализа наводимого двупреломлеии  через ту же исследуемую область объекта пропускают цир3

кул рно-пол ризовэнное излучение, имеющее сложную структуру пучка в виде четьфех кругов 1х квадрантов одинакового размера, причем в соседних квадрантах излучение обладает лево- и правоциркул рньми пол ризационными свойствами.

Чтобы защитить пол ризационные элементы от лазерного воздействи  при соосном пропускании возбуждающего и анализирующего лучей, можно использовать два варианта защиты , а именно спектральный и временной . При спектральной защите необ-ходимо использовать стационарные наклонные пластины, расположенные до и после объекта, которые обладали бы хорошей прозрачностью дл  спектрального состава анализирующего циркул рно-пол ризованного света и практически полностью (иначе они разрушатс ) отражали возбуждающее лазерное излучение. Однако в насто щее врем  материалов с такими уникальными свойствами, в частности, дл  области спектра 10,6 мкм не существует . Поэтому пока может быть применен только второй вариант, при котором реализуетс  временное разделение соосных пучков с помощью синхронно вращающихс  зеркал с внешним металлическим покрытием. Ось вращени  зеркал не должна совпадать с центром зеркал. Существует ограничение на минимальную скорость вращени  зеркал, которое обусловлено величиной теплопроводности исследуемого материала. Минимальна  скорост вращени  выбираетс  из услови , при котором не должны быть заметны флуктуации двупреломлени  с частотой вращени  зеркал. Как показывает практика, дл  большинства материалов это условие выполн етс  при частотах , превышающих 10 Гц.

Дп  анализа наводимого двупреломлени  используетс  циркул рно-пол ризованное излучение. После прохождени  объекта циркул рно-пол ризованое излучение в каждом квадранте преобразуетс  в эллиптически пол ризованное с различным направлением вращени  электрического вектора в соседних квадрантах. Вращающийс  ангигазатор модулирует по амплитуде эллиптически пол ризованное излучение с удвоенной частотой вращени . Фотодетектор преобразует всю свето-

2879

вую информацию (при небольших размерах приемной площадки используетс  фокусирующа  линза) в электричес- кие сигналы. Сигналы Фотодетектора

5 усиливаютс  селективным усилителем до уровн , удобного дл  регистрации. Перед началом измерений производ т калибровку, котора  учитывает вид материала, толщину объекта, его кристаллографическую ориентацию, врем  линейной части экспозиции и р д других необходимых параметров. Информаци  о пр(5веденных исследовани х в зависимости от способа регистрации

15 может отображатьс  ипи в виде графической записи результатов воздействи , что чаще примен етс  при научных исследовани х, или в виде цифровой индикации в единицах показател  поглощени , в основном примен емой

при технологическом контроле объектов.

Дл  осуществлени  способа измерени  оптического поглощени  н высокопрозрачных материалах предлагаетс 

25 устройство (два варианта), схема которого приведена на фиг. 1; на фиг.2 .показан стационарный пол ризационный элемент по варианту один или аналогичное выполнение четвертьволновой фазовой пластины по варианту два.

Устройство содержит источник излучени  1, например лампу накаливани , узкополосный светофильтр 2, .

,, диафрагму 3, стационарный пол ризационный элемент 4, четвертьволновую фазовую пластинку 5, первое зеркало 6, держатель объекта 7, исследуемый объект 8, второе зеркало

40 9, вращающийс  пол ризационный элемент 10, объектив 11, фотодетектор 12, возбуждающий лазер 13 с термоловушкой 14, привод 15 держател  объекта, измеритель 16 мощности

5 лазерного излучени , привод I7 вращающегос  пол ризационного элемента, анализирующий блок 18. Элементы 1-5, 7, 10-12, 15, 17, 18  вл ютс  элементами фотоэлектрического кругово ,Q го пол рископа.

В первом варианте устройства ста .ционарный пол ризационный элемент 4 состоит из четырех равновеликих круговых секторов (см. фиг. 2) с взаимно ортогональными направлени ми наибольшего пропускани  в соседних секторах . Эти направлени  расположены под углом 45 к оптической оси

четвертьволновой фазовой пластинки 5 . Во втором варианте устройства круговой пол риской с вращающимс  анализатором содержит обычный пол ризатор , а четвертьволнова  фазова  пластинка совершенно ина : она coi тоит из четырех равновеликих частей в виде круговых секторов с ортогональными направлени ми оптических осей в соседних секторах. Кроме того , кажда  из осей располагаетс  под углом 45 к направлению наибольшего пропускани  пол ризатора.

Устройство работает следующим образом .

Фаза перва  - зеркала 6, 9 .перекрьшают оптическую ось пол рископической системы. Излучение от возбуждающего лазера 13, отразившись от зеркала 9, проходит через исследуе- . мую область объекта 8, возбужда  в этом месте термоупругое двупреломление , и, отразившись от зеркала 6, поглощаетс  термоловушкой 14.

Фаза втора  - зеркала вьшедены с оптической оси пол рископической системы. Излучение лазера поглощаетс  измерителем 16 мощности, электрический сигнал от которого, пропорциональный величине мощности, поступает в блок 18. Одновременно свет от источника излучени  I проходит свеТофильтр 2, преобрета  нужный спектральный состав. Цилиндрический пучок монохроматизированного света после диафрагмы 3, уравнивающей интенсивности четырех потоков, проходит через центр мозаичного пол ризационного элемента 4 и становитс  линейно-пол ризованньм, кажда  четверть которого имеет ортогонально направленную пол ризацию. через четвертьволновую фазовую пластинку 5, кажда  составл юща  потока становитс  циркул рно-пол ризованной с чередующимс  направлением вращени  электрического вектора, Т.е. лево- и правоциркул рно-пол ризованной . После прохождени  объекта Циркул рно-пол ризованный свет преобразуетс  в эллиптически пол ризованный , причем степень эллиптичности зависит от величины наводимого двупреломлени , а следовательно отвеличины показател  поглощени . За счет вращени  элемента 10 интенсивность анализируемого потока становитс  модулированной по амплитуде с удвоенной .частотой вращени  анализатора . Объектив (линза) 11 фокусирует все четыре составл ющие светового потока на приемную площадку фотодетектора, на вьгходе которого вырабатьшаетс  электрический сигнал , содержащий две компоненты: посто нную и модулированную на частоте 2w, Модулированна  компонента регистрируетс  блоком 18, в который с привода держател  объекта и измерител  мощности поступает информаци 

5 о координатах исследуемой точки и мощности излучени . Использу  ранее заложенные данные о необходимых физических параметрах объекта и длине волны анализирующего излучени ,

0 анализирующий блок преобразует вход щую информацию в величину показател  поглощени . После очередной экспозиции объект дискретно переводитс  в следующую исследуемую точку,

5 и все повтор етс  сначала.Таким образом , в оперативной пам ти блока 18 накапливаетс  информаци  о распределении показател  поглощени  по площади исследуемого объекта, котора  может быть легко воспроизведена на экране диспле  или на графопостроителе . В варианте прибора с мозаичной четвертьволновой фазовой пластинкой анализирующее излучение

5 после прохождени  пол ризатора 4 становитс  однородно линейно-пол ризованным , приобрета  после прохождени  мозаичной фазовой пластинки необходимые мозаичные свойства.

Чувствительность способа измерени  слабого оптического поглощени 

1п-З

на уровне 10 см и меньше и аппаратуры , его реализующей, зависит от целого р да параметров, в том числе . от мощности лазерного излучени , возбуждающего термоупругие напр жени , отдельных констант исследуемого материала и схемного решени  конкретной аппаратуры. На лабораторном макете быпо установлено, что если радиус анализирующего луча равн етс  2 мм (в описанном способе ), а в прототипе - 2,5 мм, то чувствительность при исследовании монокристалла КС1 повышаетс  в

36 раз, следовательно, при использовании анализирующего излучени  с круговым сечением диаметром 25 мм

чувствительность возрастает более чем в 100 раз.

Величина погрешностей при реализации предложенного способа зависит и от аппаратурных факторов, и от параметров исследуемого материала, таких как упругие и пьезооптичес-. кие константы, удельные и объемные теплоемкости, коэф4 1циенты линейного расширени . Последн   группа причин обуславливает стаби;1ьную систематическую ошибку, котора  может достигать 10-15% (а иногда и более) дл  некоторых материалов. Следует заметить, что при уровн х поглощени  см при дефектоскопии лазерной прочности даже такие погрешности  вл ютс  несущественными , так как гор чие точки, обуславливающие степень надежности оптического элемента, имеют поглощение в дес тки и сотни раз большее.

На величину систематической погрешности также сильно вли ет диаметр анализирующего луча. Чем больше диаметр анализирующего луча,.тем меньше веро тна  систематическа  ошибка, завис ща  от этого параметра . В данном устройстве дл  минимизации этой погрешности используетс  регулируема  центрирующа  диафрагма и образец со стабильным показателем поглощени , например из фтористого бари , основное поглощение которого в области ИК спектра

10 мкм определ етс  собственном

поглощением кристаллической решетки . и, следовательно, зависит только от толщины образцового элемента. . С помощью диафрагмы при остальных

калиброванных параметрах подбирают такой световой диаметр, при котором показани  прибора соответствуют показателю поглощени  образцового элемента.

Г2

7v

Claims (3)

1 .Способ измерения оптического поглощения высокопрозрачных материалов, заключающийся в том,что через исследуемую локальную область объекта пропускают луч возбуждающего лазерного излучения и параллельный луч монохроматизированного циркулярно-поляризованного излучения, регистрируют линейную часть приращения наводимого двупреломления и определяют показатель поглощения материала в области воздействия возбуждающего лазерного излучения, используя данные об обоих световых потоках и физических константах материала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, чувствительности и быстродействия, через исследуемую локальную область объек та оба луча пропускают соосно, причем используют монохроматизирован( ное циркулярно-поляризованное излучение , состоящее из четырех чередующихся лево- и правоциркулярных потоков, каждый из которых имеет форму кругового квадранта.

2. Устройство для измерения оптического поглощения высокопрозрачных материалов, содержащее фотоэлектрический круговой полярископ, включающий оптически связанные источник излучения, светофильтр, диафрагму, стационарный поляризационный элемент, четвертьволновую фазовую пла- g стинку, держатель объекта, вращающийся поляризационный элемент, объектив и фотодетектор, а также анализирующий блок и возбуждающий лазер, оптически связанный с держателем объекта, отличающееся тем, что, с целью повышения .точности, чувствительности и быстродействия, оно дополнительно содержит первое и второе зеркала, снабженные механизмом, обеспечивающим периодическое синхронное пересечение ими оси полярископа, оптически связанные с возбуждающим лазером и между собой таким образом, что их общая оптическая ось’совпадает с оптической осью полярископа и проходит через держатель объекта^ а стационарный поляризационный элемент выполнен в виде круговой мозаики из четырех одинаковых секторов с взаимно ортогональными направлениями наибольшего пропускания в соседних секторах, причем эти направ* ления ориентированы диагонально по

SU „„1182879 отношению к оптической оси четвертьволновой фазовой пластинки.

3. Устройство для измерения оптического поглощения высокопрозрачных материалов, содержащее фотоэлектрический круговой полярископ, включающий оптически связанные источник излучения, светофильтр, диафрагму, стационарный поляризационный элемент, четвертьволновую фазовую пластинку, держатель объекта, вращающийся поляризационный элемент, объ-; ектив и фотодетектор, а также анализирующий блок и возбуждающий лазер, оптически связанный с держателем объекта, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, чувствительности и быстродейст- вия, оно дополнительно содержит первое и второе зеркала, снабженные механизмом периодического синхронного пересечения ими оси полярископа, оптически связанные с возбуждающим лазером и между.собой таким образом, что их общая оптическая ось совпадает с оптической осью по, лярископа и проходит через держатель объекта, а четвертьволновая фазовая пластинка выполнена в виде мозаики, состоящей из четырех одинаковых круговых секторов с ортогональными оптическими осями в соседних секторах, диагонально расположенными по отношению к направлению наибольшего пропускания поляризатора.