SU743381A1 - Способ измерени показател поглощени - Google Patents

Abstract

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

Description

Изобретение относитс  к техничес кой физике. Оно может быть использо вано при отработке технологии выращивани  совершенных высокопрозрачны кристаллов, при дефектоскопии загот БОК и силовых элементов, используемых в лазерной технике, при физичес ких исследовани х, направленных на вы снение различных механизмов слабого объемного поглощени . Известны способы измерени  показателей поглощени  К основанные на лазерном нагреве прозрачных объектов . Измерение показател  поглощени  осуществл ют следующим образом: поток монохроматического излучени  лазера попадает на исследуемый образец , изготовленный в виде цилиндр с полированными торцами и установленный так, чтобы ось цилиндра совпадала с направлением пучка. С помощью датчика контрол  разности тем ператур осуществл етс  отсчет приращени  температуры измер емого образца бтносительно образца сравнени , не подвергающегос  воздействию лазерного излучени . Одновременно измер етс  мощность лазера. Использу  значени  приращени  температуры времени воздействи  лазера, его мощ ности и табичные константы материала , определ ют показатель поглощени Однако дл  измерени  требуетс  изготовить специальные образцы, как правило, строгой цилиндрической фор мы с высококачественной поверхностью Известные способы позвол ют измер т только интегральное значение показа тел  поглощени . Кроме того, извест ные способы, в которых используетс  лазерньй нагрев, - это контактные способы, где показани  регистраторов в сильной мере завис т от качес ва контакта датчика с поверхностью образца и степени облученности датчиков рассе нным лазерным излучение Наиболее близким по технической сущности к данному способу  вл етс  способ, включающий лазерный нагрев образцов V Недостатком известного способа  вл етс  низка  чувствительность при измерении поглощени  в кристаллах кубической сингонии. Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности при измерении локального поглощени  в кристаллах кубической сингонии. 12 Поставленна  цель достигаетс  тем, что перпендикул рно поверхности плоскопараллельной пластины, выполненной так, что поверхность пластины параллельна одной из плоскостей симметрии , например выколотой по плоскости спайности, в частности (100), пропускают возбуждающий термоупругие напр жени  лазерный луч и одновременно измер ют линейную часть приращени  разности хода с помощью луча монохроматизированного излучени , пропускаемого параллельно возбуждаемому лучу так, что пр ма , проход ща  через точки пересечени  лучей с пластиной, параллельна направлению 100 или «i110 , и определ ют показатель поглощени  К по следующей формуле: а id NEoiC где Г - линейна  часть приращени  разности хода; i - врем  нарастани  линейной части приращени ; о - толщина пластины; N - мощность лазера; Е - значение модул  Юнга дл  направлени  пр мой, проход щей через оба луча; oL - коэффициент линейного рас ширени ; у - удельна  объемна  теплоемкость; С - фотоупруга  константа, соответствующа  комбинации направлений действи  напр жений по пр мой, соедин ющей лучи, и направлени  наблюдени , перпендикул рного поверхности; f - рассто ние между лучами. Данный способ измерени  показател  поглощени , включающий лазерный нагрев , основан на эффекте локального наведени  оптического анизотропии в плоскопараллельных пластинах кристаллов кубической сингонии при прохоткдении лазерного излучени  мощностью от одного ватта до нескольких дес тков ватт, возбуждающего в месте воздействи  упругие термонапр жени , величина которых убывает от места воздействи  по закону 1/г - Компоненты напр жени , как известно, образуют тензор второго ранга. Они завис т от направлени  температурного градиента в пластине, в результате которого возникают термонапр жени , и от кри таллографической ориентации плоскопараллельной пластины, на которой производ т измерени . Поэтому, чтобы существенно упростить обработку реэулътатов измерени  и повысить точность измерений, необходимо использовать наиболее удобные и простые кристаллографические ориентации дл  изготовлени  пластин.-Наиболее удобной ориентацией будет, когда поверхность пластины параллельна плоскости симметрии (100). У многих прак тически важных кристаллов эта плоскость  вл етс  плоскостью спайности шо которой легко выкалываютс  пласти ны, при этой ориентации измер ют сво ства кристаллов, которые описываютс  тензорными компонентами, например упругие свойства, в частности модул Юнга, св зьгоающий неоднородные дефор мации, возникакнцие в процессе локаль ного нагрева с напр жени ми. Можно показать, что разность радиальных (if и тангенциальных (jg напр жений , возникак цих в направлени х 100 и 110 при кратковременном локальном нагреве пластины, ориентированной в плоскости (100), определ  етс  формулой: мощность лазера; врем  воздействи ; коэффициент линейного расширени ; модуль Юнга дл  направлени  градиента температур; удельна  теплоемкость; показатель поглощени ; рассто ние от места воздействи  Под действием напр жений в пластине наводитс  двупреломление (в напр женных образцах оно существует и до воздействи , неоднородно распредел  сь по площади Ш1астины. По линейному превращению величины разности хода Г можно оп1ределить разность (( С - фотоупруга  константа; Л - толщина пластины. Величина приращени  разности хода , характеризующа  наводимое лазером двупреломление, возрастает линейно до того момента, когда тепло от места воздействи  возбуждающего лазера доходит до места, где измер етс  двупреломление. Величина линейного участка приращени  разности хода зависит как от коэффициента теплопроводности (он у кристаллов разного состава может отличатьс  в дес тки раз), так и от рассто ни  от места воздействи  до точки измерени  приращени  разности хода. Фотоупруга  константа С , как и модуль Юнга,  вл етс  анизотропной величиной, причем дл  некоторых кристаллов эта анизотропи  очень велика. Константа С определ етс  одним или комбинацией нескольких пъезооптических коэффициентов и зависит от условий измерени  двупреломлени , т.е. от направлени  напр жений и направлени  измерени  приращени  разности хода. В случае измерений вдоль оси четвертого пор дка (перпендикул рно пластине) и напр жений, действующих вдоль направлени  100 , эти соотношени  самые простые: - . . ,-4. V 100 T iib показатель преломлени ; пъезооптические коэффиц11енты ), ( а при напр жени х, воздействующих в /00. - направлении 110 2 ,- V I много ёольДл  многих кристаллов ... ше разности ( и,, - 1Цг ) И поэтому несмотр  на то, что выгодно Измер ть приращение разности хода в точке, лежащей на пр мой, па- : раллельной направлению ;110 пластины и проход щей через место воздействи  возбуждающего лазерного луча,Измерение линейного приращени  разности хода производ т с помощью монохроматизированного излучени . Монохроматизаци  необходима дл  повышени  точности измерени . При этом дл  измерени  должен использоватьс  луч значительно меньшей мощности, чем мощность возбуждающего лазера (в противном лучае он будет приводить к значительным погрешност м в определении К из-за собственного теплового воздействи  на кристалл). Этот луч одновременно и параллельно возбуждающему лучу пропускаетс  через пластинку, использу  услови , оговоренные вьше. Линейное приращени  по времени несколько секунд и регистрируетс  автоматически фотоэлектрическим пол ризационным устройством, использующим монохром,атизированный луч в координатах приращени  двупре ломлени  - врем , Один из вариантов такого устройства, описан ниже. Расчет показател  поглощени  производ т по формуле: а NEoiC  вл ющейс  следствием формул (1) и (2). На фиг. 1 изображено устройство дл  осуществлени  предлагаемого способаi на фиг. 2 показана зависимость разности хода Г от времени. Устройство содержит лампу накаливани  1, светофильтр 2, пол ризатор 3, клин-компенсатор 4, первое плоское зеркало 5, кристалл 6, второе 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 крисг талла 6 производилось с помощью лазера ЛГ-22 луч которого вводилс  и выводилс  из пол рископа плоскими зеркалами 5 и 7. Мощность пазера измер лась калориметром 18. До и йосле измерени  К лазерный луч направл лс  зеркальной металлической за лонкой 17. При измерении к луч поглощалс  кусочком шамотного кирпича 1 Дл  измерени  наводимой разности хода использовали схему фотоэлектричес кого пол рископа с вращающимс  анали затором, позвол ющим проводить бьютрую линейную регистрацию небольщих разностей хода,- В качестве осветител  примен ли лампу накаливани  СП-62 Светофильтр 2 состо л из пластинки просветленного германи  и пластинки тонкого плексигласа. Такой светофиль имеет максимум пропускани  у 1,9 мкм что позвол ет эффективно проводить измерени  кристаллов, которые заметно рассеивают и депол ризуют проход щее излучение поверхностными или объемными дефектами в видимой области спектра. Функции пол ризатора 3 и анализатора 8 исполн ли инфракрасные дихроичные пленки. Анализатор вращалс  от синхронного электродвигател  посредством шкивов и резинового пасика . Перестраиваема  четвертьволнова  кварцева  пластинка 4, изготовленна  по типу компенсатора Солейл , была установлена в диагональное положение по отношению к пол ризатору, причем оба элемента могли синхронно поворачиватьс  вокруг оси прибора. Последнее необходимо при исследовани  напр женных кристаллов. При наличии напр жений в кристалле перестариваемую пластинку устанавливали так, чтобы Главные направлени , например быстрые оси, пластинки и исследуемого места совпадали (при этом разности хода элементов арифметически суммировали ) . Затем, измен   разность хода пластинки, добивались положени , при котором отсутствовала модул ци  излучени  на удвоенной частоте вращени  анализатора. При такой настройке перестариваема  пластинка и кристалл суммарно выполн ли роль четвертьволновой фазовой пластинки. В качестве фотодетектора 9 использовали неохлаждаемое сернисто-свинцовое фотосопротивление AI1-04 с приемной площадкой 0,6 X 0,4 мм. Полева  диафрагма 15 диаметром 1 мм позволила проводить измерени  при достаточно высокой чувствительности, не прибега  к помощи элементов в осветительной и регистрирующей част х пол рископа. Измерительна  часть пол рископа состо ла из селективного усилител  У2-6, настроенного на удвоенную частоту вращени  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 проведены измерени  показател  -поглощени  в различных кристаллах, отличающихс , как чистотой, так и состо нием поверхности. Опробованы кристаллы КС1, NaCl, , KRS-6, AgCl, BaFj. Bo всех кристаллах измеренные величины превосходили пороговые. Па фиг. 2 изображены кривые FCt:), полученные при измерении К в двух точках пластинки КС1 толщиной 9 мм

(кривые 1 и l), ив пластинке BaFj толщиной 1 мм (крива  2.). Показатели поглощени  соответственно были равны ; 7 . 1СГ- 0,08 см

Пороговые значени  К , измер емые по данному способу, завис т от нескольких причин, причем как аппаратурных , так и обусловленных свойствами кристаллов. Аппаратурными факторами  вл ютс  предельна  чувствительность пол рископа и мощность лазера. Наиболее важными кристаллическими константами , вли ющихми на чувствительность метода, можно считать константу и коэффициент теплопроводности. Как отмечалось вьше, порогова  чувствительность понижаетс  из-за загр знени  поверхности.

Измер емые образцы, как правило, содержат включени . Если размер включений много меньше диаметра лазерного пучка, то каждое включение становитс  локальным поглотителем излучени , отдающим тепло матрице, и одновременно  вл етс  источником напр жений . Пол  напр жений от таких источников практически затухают на рассто ни х , меньших 200 мкм, не соизмеримых с рассто нием от места воздействи  до места измерени . Кроме

того, формирование пол  напр жени  вокруг включени  происходит за очень короткое врем  и поэтому не вли ет на измер емый наклон кривой Г (f) . Таким образом, двупреломление, наводимое в высокопрозрачных образцах с малым содержанием включений, на больших рассто ни х от места воздействи  лазерного пучка практически не зависит от пол  напр жени  отдельных включений и определ етс  суммарной мощностью, поглощаемой матрицей и включени ми, т.е. эффективным значением коэффициента поглощени  образца.

Данный способ пригоден дл  контрол  качества готовых элементов, применением также дл  совершенствовани  и уточнени  технологии вьфащивани  кристаллов высокой прозрачности и обработки изделий из них. Способ позвол ет существенно повысить надежность работы комплексов, включающих элементы силовой оптики, а также избежать изготовлени  дорогосто щих специальных образцов, что существенно удешевл ет контрольные операции

при усовершенствовании технологии 1выращивани  и обработки кристаллов.

1

If

иг.1

Claims (1)

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ, включающий лазерный нагрев прозрачных объектов, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения чувствительности при изменении локального поглощения в крис3 ах кубической сингонии,, перпенлярно поверхности плоскопаралной пластины, выполненной так, Что поверхность пластины параллельна одной из плоскостей симметрии, например (100), например выколотой по плоскости спайности, пропускают возбуждающий термоупругие напряжегде Г — линейная часть приращения разности хода;

   - время нарастания линейной части приращения;

   о - толщина пластины;

   N - мощность лазера;

   Е - значение модуля Юнга для направления прямой, проходящей через оба луча;

   οί - коэффициент линейного расширения; ’

   J - удельная объемная теплоемкость;

   С - фотоупругая константа, соответствующая комбинации направлений действия напряжений по прямой, соединяющей лучи, и направления наблюдения^ перпендикулярного поверхности;

   Г - расстояние между лучами.

   SU а.» 743381