Способ измерения показателя светопоглощения и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01N21/59 

площадка пьезопреобразователя расположена перпендикулярно прямой, проходящей через ее центр и фокус линзы, пьезопреобразователь подключен к входу регистрирующего устройства через электронный коммутатор, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя запретного импульса, вход которого подключен к выходу фотоприемника, оптически связанного с источником монохроматического светового пучка.

1. Способ измерения показателя светопоглощения, включающий облучение материала образца импульсным монохроматическим световым пучком, регистрацию упругой деформации на поверхности образца и определение по величине упругой деформации показателя светопоглощения, отличающийся тем, что, с целью повьлиения чувствительности путем повышения локальности -измерения показателя светсутоглощения, облучение материала образца производят сфокусированным световым импульсным пучком, имеющим угол сходимости не менее 0,1 рад, а длительность световых импульсов t и частоту / их повторения выбирают из условий -t где 1,0 радиус пятна, в которое сфО кусирован пучок в материале образца; г - расстояние между центром сфокусированного светового пучка и центром измерения упругой деформации на поверхности образца; - скорость звука в материале образца, причем упругую деформацию регистрирую .ют после окончания импульса облучающего светового пучка, а показатель светопбглощения К определяют по формуле «p-f (-1-g) 271 АГ , Т й-кп f С - теплоемкость материала обгде разца; - плотность материала образца; ( коэффициент Пуассона; ЛТ- упругая деформация на поверхности образца; f Ь- коэффициент температурного с расширения материала образца;,® - энергия импульса облучакяцего (Л светового пучка; ь - длина каустики сфокусированного светового пучка в мате-. риале образца. 2. Устройство для измерения пока-, зателя светопоглощения, содержащее импульсный источник монохроматическо1 го светового пучка, оптически связан ный с образцом, и пьезопреобразователь, снабженный средством его крепления на поверхности образца, подключенный к входу регистрирующего устройства, синхронизирующий вход которого соединен с источником монохроматического светового пучка, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности путем повышения локальности измерения показателя светопоглощения, источник .монохроматического светового пучка оптически связан с образцом через фокусирующую линзу, в устройство дополнительно введены электронный коммутатор, формирователь запретного импульса и фотоприемник,-причем фокусное расстояние фокусирующей линзы не. более 10 d, где ct - диаметр светового пучка на ее поверхности, приемная

Изобретение относится к исследова нию физических свойств материалов по измерению светопЬглощения и может быть применено в производстве оптиче ских особопрозрачных стеклообразных и других материалов при изготовлении элементов силовой оптики и оптоэлект роники. Известен способ определения показателя сватопоглощения, заключакадийся в облучении материала образца монохроматическим световым потоком, регистрации изменения электрического сопротивления материала образца во время облучения и в последуюсоем расчете показателя светопоглощения tilИзвестно устройство для определения показателя светопоглощения, содержащее импульсный оптический квантовый генератор и систему изьюрения (нзменения элект1ричёского сопротивления образца, подключенную к одному входу дв ухл уче вого осциллогр афа, другой вход которого подключен к фотоприемнику, регистрирующему импульс светового потока оптического квантового генератора Г11 Недостатком данного способа и уст ройства является невысокая чувствительность измерения показателя локаЛьного светопоглощения, так как показатель светопоглощения определяю как среднее значение по всей длине образца. При острой фокусировке облу чающего светового потока из-за высокой плотности энергии материал образ ца разрушается, что не позволяет однозначно интерпретировать изменение электрического сопротивления материа ла как парг1метр, пропорциональный светопоглощению. Кроме этого известный способ поддается реализации только при высоких температурах тё змической обработки образца, т.е. при 600-1000К. Наиболее близким к изобретению по те}{нической сущности является способ измерения показателя светопоглощения и устройство для его осуществления. Способ включает оОлучение образца импульсным световым потоком, регистрацию упругой дефс мации на поверхности образца, определеиие по величине упругой деформации показателя светсотоглощения. Известное устройство содержит импульсный источиик монохроматического светового пучка, оптически связанный с образце), и пьезопреобразователь, снабженн 1Й среяством крепления его на поверхности образца, подключенный к входу регисз ируквдего уст1ройства, синхронизируяхвий вход котсфого соединен с источником монохроматического светового пучка. При , в устройстве имеется Бтсфой пьезопрво0разователь, установленный с заэосюм к по верхности образца, симметрично nepBot относительно оптической бои источника монохроматического светового пучка f . Недостатком известного способа н устройства является невысокая чувствительность измерення, так как светопоглощенив измеряют по всей длине образца и невозможно измерить показатель локального светопоглсадения в области материгша, линейные размеры которой порядка 0,1 мм и меньше. Измерение светопоглощения в такой малой области материала необходимо для контроля качества оптических сверхпрозрачных материалов в связи с их оптической прочностью и для прогнозирования порога разр5 шения. Кроме этого, конструкция устройства для реализации известного способа сложная нетрудно ocytttecTBHMa в производственных условиях, это связано с необходнмостыо кс шенсации влияния рассеянного света на намерение упругой деформации из-за одновременного воздействия на пьеэопреобразователь рассеянного в материале образца светово го потока и упругой деформации. Для этого и используют два пьезопреобразовател, их точно устанавливают на противоположных сторонах образца параллельно и симметрично проходящему через световому потоку, причем один из пьезопреобразователей закрепляют на некотором расстоянии от поверхности образца. Кроме этого, известное устройство трудно реализовать в случае измерения малых светопоглощений, для этого необходимо точно сбалансировать регистрирующую систему, применить более мощный лазер, что усложняет конструкцию повышает массу устС)Ойства. Целью изобретения является повышение чувствительности путем повышения локальности измерения показателя светопогловдения. Поставленная цель достихаётся )Тем, что согласно способу, включакйце му облучение материала образца импульсным монохроматическим световым пучком, регистрацию упругой деформации на поверхности образца и определение по величине упругой деформации показателя светопоглощения, облучение материала образца проводят сфоку сированным световым импульсным пучком, имеющим угол сходимости не менее 0,1 рад, а длительностьt свет&вых импульсов и частоту f их повторе ния выбирают из условий W- Ь где Чо- радиус пятна, в которое сфо кусирован световой пучок в материале образца; t - расстояние между центром сфокусированного светового пучка и центром измерения упругой деформации на поверхности образца; звука в материале образца, причем упругую деформацию регистрируют после окончания импульса облучающего светового пучка, а показатель светопоглощения К определяют По формуле , 2.3Г-е.-р.Г (-t-O-) Jb.E EUTF)- где t - теплоемкость материала.образца;J - плотность материала образца - коэффициент Пуассона; At, упругая деформация на поверхности образца; 6 - коэффициент температурного расширения материала образца;Е - энергия импульс облучающего светового пучка; К - длина каустики сфокусирован ного светового лучка в Материале образца. В устройстве, содержащем импульсный источник монохроматического св.етового пучка, оптически связанный с образцом, и пьезопреобразователь, снабженный средством его крепления на поверхности образца, подключенный к входу регистрирующего устройства, синхронизирующий вход которого соеди нен с источником монохроматического светового пучка, источник монохроматического светового пучка оптически связан с образцом через фокусирующую линзу, в устройство дополнитель- . но. введены электронный коммутатор, формирователь запретного импульса и фотоприемник, причем фокусное расстояние фокусирующей линзы не более 10 d, где cL - диаметр светового пучка на ее поверхности, приемная площадка пьезопреобразователя расположена перпендикулярно прямой, проходящей через ее центр и фокус линзы, пьезопреобразователь подключен к входу регистрирующего устройства через электронный коммутатор,-управляющий вход которого соединен с выходом формирователя запретного импульса, вход которого подключен к выходу фотоприёишика, оптически связанного с источником монохроматического светового пучка. На чертеже показана схема устройства. Устройство для измерения показателя светопоглощения содержит импульсный источник 1 монохроматического светового пучка, например опти ческий квантовый генератор, оптически связанный через делительную пластинку 2с образцом 3. Между источником 1 и образцом 3 помещена фокусирующая линза 4, фокусное расстояние которой не более lOct , где d - диаметр светового пучка на поверхности линзы, Пьезопреобразователь 5 закреплен на поверхности 3 так чтобы его соприкасающая плоскость была перпендикулярна прямой, проходящей через фокус линзы 4 и центр пьезопреобразователя 5. Электрические контакты пьезопреобразователя 5 соединены с входом регистрирукядего устройства 6 через электронный коммутатор 7, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя 8 запретного импульса, причем вход формирователя 8 подключен к выходу фотоприемника 9, который при помощи длительной пластинки 2 оптически связан с источником 1 света. Регистрируяэдий прибсф б соединен синхронизирующей цепью с источником 1 света. Устройство для измерения показателя светопоглсяцения работает следующим образом. При облучении материала образца 3 сфокусированным линзой 4 монохроматическим световым пучком, созданным импульсным источником 1, часть световой энерции поглощается материалом образца 3, из-за ,чего температура материала образца 3 в области фокуса линзы 4 повышается. Из-за температурного расширения материала образца 3 возникает улругая деформация, фронт которой распространяется со скоростью звука к поверхности образца 3. Величина упругой деформации пропорциональная поглощенной энергии светового пучка в области фоку са линзы 4, Упругая деформация пьезопреобразователем 5 преобразу- ется в электрический сигнал, который измеряется регистрирукяцим устройством 6. Упругая деформация воздействует на пьезопреобраэователь 5 позже, чем рассеянный импульс светового по тока, т.е. электрический сигнал от упругой деформации в пьезопреобразо теле 5 образуется позже электрическ го сигнала, созданного воздействием рассеянного света на пьезопреобразо ватель 5. Поэтому электронный комму татор 7 размыкает цепь: пьезопреобразователь 5 - регистрирующее устройство 6, и во .ремя действия свето вого импульса в регистрирующее устройство 6 электрический сигнал от рассеянного света не поступает. Фор мирователь 8 запретного импульса преобразует электрический сигнал фо топриемника 9 в импульс запрета, в течении которого электронный код«му|Татор 7 заперт. Импульс запрета равен длительности импульса светового пучка, регистрируемого фотоприемником 9. Регистрирующее устройство 6 запускается сиихрюимпульсом от источника 1 светового пучка. Способ измерения показателя светопогло1чения включает следующие операции. Материал образца облучают сфокус рованным импульсн ф« световьвл пучком например лазерным, сходящимся в фокусное пятно внутри образца под углс 4 t)e менее 0,1 рад. Это условие необходимо для выполнения условия распространения упругой дефсчрмацни в материале образца в виде сферической волны. Для образования сферической волны необходимо, чтобы ее источник имел форму, как можно ближе к сферической. При облучении материа ла сфокусированным импульсным световьм пучком поглсмценная световая энер гия нагревает область, размеры которой зависят от угла фокусировки и времени от начала импульса облучения. Размеры (форма) нагретой области, которая является источником упругой деформации, в конце импульса облучения обуславливают характер распространения упругой деформации, фронт которой распространяется со скоростью звука. Выбирают длительность t световых импульсов из условия f &. Чвь где ta - радиус пятна, в которое сфокусирован световой пучок в материале образца; |/|Ь - скорость звука в материале образца. Выполнение этого условия необходи мо также для обеспечения распространения упругой деформации в исследуемом материале в виде сферической волны, так как поперечные размеры нагретой области зависят от длительности t облучающего импульса и скорости распространения тепла в иссле- дуемом материале. При длительностях Г световых импульсов, удовлетворяющих упомянутому условию (примерно 1 мкм) для того, чтобы поперечные размеры нагретой области были одного порядка как и длина t каустики сфокусированного светового пучка, необходимо, чтобы угол фокусировки был не менее 0,1 рад, т.е. оба упомянутые условия обеспечивают сферическое распространение упругой деформации от нагретой области к месту регистрации. Выбирают частоту f повторения световых импульсов из условия Й где - скорость звука в материале с разца; t - ра сстояние меяаду фокусом линзы и пьезопреобразователем. Вьпсшнение этого условия необходимо для того, чтобы не зарегистрировать электрический сигнал, который возникает вследствие отражения волны упругой деформации от противоположной стенки образца. Регистрируют упругую деформацию на поверхности образца после окончания светового илотульса. Измеряют расстоявие между центром сфокусированного светового пучка и местом регистрации упругой деформации. Определяют показатель светопогло1цеиия путем расчета по формуле s.ft-f-i ) где К - показатель светопоглсадения материала образца, С - теплоемкость материала образца, Дж. . град f - плотность материала образца, кг. ; t - расстояние между центром сфокусщ ованного светового пучка и центрся4 измерения упругой деформации на поверхности образца, м; - коэффициент Пуассона; д - - упругая деформация на поверхности образца, м; )- коэффихшент температурного расширения материала образца, град-/; Е энергия имйульса облучанвдего светового пучка, Дж; t - длина каустики сфокусированного светового пучка в мате риале образца, м. Приведенная формула справедлива при условии, когда упругая деформация распространяется как сферическая .волна. Облучение материала образца сфоку сированным световым пучком с вышеопределенными параметрами, создающими условия распространения упругой деформации как сферической волны, повышает локальность измерения светопогЛощения, так как световая энергия локализуется в маленьком объеме мата риала образца, в котором и измеряется показатель светопоглощения. Облучение образца остросфокусированным световым пучком также позволяет уменьшить энергию облучающих импуль;сов светового пучка, так как световую энергию в образце концентрируют в маленький объем, что позволяет уменьшить габариты и массу устройст- ва. Кроме этого, появляется возможность измерить показатель светопогло щения вплоть до разрушающих структур материала образца интенсивностей све тового пучка, так как энергия.в импульсе небольшая и повышение энергии световых импульсов несколько раз не представляет трудностей.. повышения энергии световых импульсов обусловлен в практически реализуемых случаях только оптической прочностью оптических материа лов. Облучение материала образца короткими световь1ми импульсами,/довлетворянмцими заданные выше условий, повы шает чувствительность и точность измерения, ибо исключает влияние рассе янного света на регистрацию упругой деформации, а также упрощает конструкцию устройства, так как не нужен второй (компенсирующий) пьезопреобразователь. Кроме этого, нет специических требований к форме образца. Преимуществом предлагаемых способа и устройства по сравнению с базовым объектом является то, что повышена чувствительность и локальность измерения показателя светопоглощения измеряют как среднее значение по всея длине образца в объеме порядка 10 мм, а в предлагаемом устройстве - в объеме Ю мм и-меньше, так как измерение показателя светопоглсйцения произвсадят при помощи остросфокусированного светового пучка в области пятна, в котором сходится пучок. Кроме этого, уменьшены масса и габариты устройства, Так как уменьшена энергия импульсного источника. Повышение чувствительности связано с тем, что уменьшена энергия световых импульсовг которую можно постепенно повышать. Повышение энергии световых импульсов в несколько раз не представляет трудностей, что. дает возлюжность измерить показатель светопоглощения вплоть до разрушающих структуру материала образца интенсивностей светового пучка. Таким образом, предлагаемый способ и , устройство позволяют исследовать предпробойные процессы в материале образца. Известные способ и устройство позволяют измерить светопоглощение только в стеклообразных материалах с малой концентрацией рассеивакшщх центров и в некоторых кристаллах, в то время как предлагаемый способ и устройство не ограничивают исследуемых материалов. Кроме этого, в предлагаемом способе и устройстве не требуется интерферометрическая точность обработки исследуемого образца.

V