Устройство для поиска и характеризации поверхностных дефектов в оптических материалах Российский патент 2019 года по МПК G01N21/68 G01N21/88 

Изобретение относится к области пьезорезонансной лазерной калориметрии - методикам измерения коэффициента малого оптического поглощения в прозрачных материалах. При распространении лазерного излучения в прозрачном диэлектрике происходит его слабый разогрев, обусловленный оптическим поглощением и неупругим рассеянием света. Большинство современных материалов, используемых в нелинейной оптике для преобразования лазерного излучения, имеют чрезвычайно малые коэффициенты поглощения света. Однако даже чрезвычайно чистые и совершенные материалы разогреваются при прохождении через них лазерного излучения. При увеличении мощности излучения накачки в материале может возникнуть дополнительное нелинейное поглощение излучения как на уже существующих примесях и дефектах, так и на новых неоднородностях кристалла, индуцированных мощным излучением. Более того, под действием мощного лазерного излучения происходит неоднородный разогрев материала, что приводит к появлению механических напряжений. В итоге это оказывает негативное влияние на процессы преобразования лазерного излучения в нелинейно-оптических кристаллах, так как меняются условия фазового синхронизма для взаимодействующих волн. Кроме этого, в результате сильного разогрева может произойти необратимое разрушение материала. Было предложено судить о поглощении излучения кристаллом по изменению его температуры [А.В. Коняшкин, А.В. Доронкин, В.А. Тыртышный, О.А. Рябушкин. Радиочастотно-импедансный спектроскоп для исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с кристаллами. Приборы и техника эксперимента, 2009, №6, с. 60-68]. В основе данного метода лежит зависимость частот пьезоэлектрических резонансов кристаллов от температуры. Таким образом, возбудив с помощью внешнего электрического поля пьезоэлектрический резонанс и измерив частоту этого резонанса, используя синхронное детектирование, можно с высокой точностью определить температуру кристалла.

Наиболее близким к данному изобретению устройство описано в работе Алексеева Д.А., Коняшкина А.В., Рябушкина О.А. «Электрический конденсатор с центрально симметрично расположенными металлическими электродами», опубликованной как патент РФ №2575882. Такой подход предполагает помещение оптического образца внутри конденсатора со специальными электродами и пропускание лазерного излучения через него. Он обладает несколькими недостатками. Во-первых, для возбуждения пьезоэлектрического резонанса оптический образец должен быть пьезоэлектрическим кристаллом. Во-вторых, таким образом получается представление об определенным образом усредненной по объему кристалла концентрации дефектов.

Техническим результатом, достигнутым в данном изобретении, является возможность определения локального распределения поверхностных дефектов и их характеризации.

Технический результат достигается тем, что устройство содержит по крайней мере два металлических электрода, выполненных в виде стержней, расположенных в капилляре, вставленное в этот капилляр волокно и пьезоэлектрический микрорезонатор на поверхности исследуемого образца. Микрорезонатор расположен внутри капилляра под волокном. Микрорезонатор удерживается в капилляре посредством стеклянных кварцевых нитей. Это позволяет перемещать микрорезонатор вместе с волокном по поверхности образца.

Устройство может содержать от 2 до 6 металлических электродов, что позволяет подбирать оптимальное направление напряженности поля для возбуждения пьезоэлектрического резонанса.

Пьезоэлектрический микрорезонатор может иметь различную форму, в том числе и форму усеченной пирамиды или полусферы.

На фиг. 1 представлена схема устройства, где 1 - электроды, 2 - оболочка волокна, 3 - капилляр, 4 - световедущая сердцевина оптического волокна, 5 - металлизированное покрытие волокна, экранирующее электроды, 6 - микрорезонатор, 7 - стеклянные кварцевые нити, 8 - исследуемый образец, на фиг. 2 - вид волокна с торца сверху, на фиг. 3 - вид устройства с торца снизу. На фиг. 4 изображена экспериментальная установка, где 9 - лазер, 10 - резистор, 11 - синхронный детектор, 12 - высокочастотный генератор, 13 - описанное выше устройство. Методика измерений основывается на синхронизации переменного напряжения генератора (12), включенного в цепь последовательно конденсатора из электродов (1) и нагрузочного сопротивления (10) с детектором (11). Синхронный детектор (11) измеряет напряжение с нагрузочного сопротивления которое пропорционально току во всей цепи. Характерная зависимость показаний синхронного детектора от частоты генератора (в Гц) имеет форму резонанса и приведена на фиг. 5. Частота данного резонанса зависит от температуры поверхности образца. Для его разогрева используется излучение лазера, которое заводится в сердцевину волокна (4). Поскольку разогрев напрямую связан с концентрацией дефектов, данная методика позволяет их характеризовать.

Изобретение относится к научно-техническим разработкам в области методик и устройств, позволяющих определять дефекты в оптических материалах, и позволяет выделять поверхностные дефекты. Устройство содержит пьезоэлектрический микрорезонатор, расположенный на торце стеклянного капилляра, и по крайней мере два металлических электрода, выполненных в виде стержней, расположенных внутри капилляра, в который вставлено оптическое волокно. Устройство может содержать от 2 до 6 металлических электродов, что позволяет подбирать оптимальное направление напряженности поля для возбуждения пьезоэлектрического резонанса. Пьезоэлектрический микрорезонатор может иметь различную форму, в том числе и форму полусферы или усеченной пирамиды. Изобретение дает возможность проводить локальные измерения, позволяет работать не только с кристаллами, но и со стеклами, и может найти применение в качестве неразрушающего метода контроля оптических материалов. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для лазерной калориметрии, содержащее конденсатор с по крайней мере двумя обкладками, отличающееся от прототипа тем, что обкладки конденсатора выполнены в форме цилиндрических электродов и расположены в капилляре, и тем, что устройство содержит волокно внутри капилляра и касающийся поверхности образца пьезоэлектрический микрорезонатор, соединенный с капилляром стеклянными кварцевыми нитями.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит от 2 до 6 металлических электродов.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что микрорезонатор имеет форму полусферы и закреплен нитями с 4 сторон.