Способ измерения коэффициента поглощения света в прозрачных твердых телах Советский патент 1987 года по МПК G01N21/59 G01N29/00 

111 Изобретежие относится к области измерений оптических свойств твердых тел и может быть использовано для контроля оптических элементов, при.меняемых в квантовой электронике. Известен способ лазерной калориметрик, позволяющий измерять малые величины коэффициента поглощения и заключающийся в том, что термически изолированный исследуемьй образец облучают мощным непрерывным световым пучком и измеряют изменение температуры образца, по которому и определяют коэффициент поглощения. Чувствительность этого способа ограничена рассеянием света на неоднородностях внутри образца и поглощением световой энергии на поверхности образца. Наиболее. близким по технической сущности к изобретению является способ измерения коэффициента поглощения в прозрачных твердых телах, в котором воздействуют световым пучком на образец, преобразуют воз.бу сденные светом акустические колебания в электрические, измеряют амплитуду электрических колебаний, по которой судят о коэффициенте поглощения. Ограничение возможности измерения малых величин коэффициента поглощения в этом способе обусловлено тем, что в образце в одной .полосе частот, определяемой периодом следования воздействующих импульсов светового пучка, одновременно индуцируются как полезньй .акустический сигнал, так и паразитный, обусловленный поверхностным поглощением на входной и выходной гранях образца. При практической peaлизации способа при преобразовании акустического сигнала в электрический появляется электрический паразитньй сигнал, вызванньй излучением, рассеянным на неоднородностях внутри образца. Частота повторения паразитных сигналов совпадает с частотой повторения полезного сигнала, поэтому максимумы их частотных спектров сов- падают, что делает практически невозможным вьвделение полезного сигнала по спектральным признакам. Вьщеление полезного сигнала в этом способе возможно лишь по амплитудным различиям, а именно, при превьппении амплитуды полезного сигнала над амплитудой паразитных, что и ограничивает диапазон 052 измерения коэффициента поглощения со стороны мальй: величин, Целью изобретения является расширение диапазона измерений коэффициента поглощения в сторону мальк величин, Цель достигается тем, что в способе измерения коэффициента поглощения света в прозрачных твердых телах, в котором воздействуют световым пучком на образец, преобразуют, возбужденные светом акустические колебания в электрические, измеряют амплитуду электрических колебаний, по которой судят:о коэффициенте.поглощения, световой пучок формируют с геометрией поперечкого сечения, совпадающей, с геометрией сечения образца плоскостью, орто-J гональной к .направлению распространения пучка и с гауссовым распределением интен-сивности в поперечном сечении пучка,, образец выбирают с неравными продольными и поперечными размерами и устанавливают свободно между обкладками емкостного датчика, воздействуют на образец однократным световым импульсом, а амплитуду электрических колебаний измеряют на. частоте собственных колебаний образца f v/2d, где v - скорость .звука в образце,, d -размер образца между обкладками датчика. На чертеже изображена блок-схема Устройства для реализации предлагаемого способа. Она содержит лазер 1, которьй работает в моноимпульснрм режиме и формирует импульс длительностью 2d/v, где d - линейный размер образца 2, установленного свободно (например, в. мягкой-тефлоновой прокладке 3) между обкладками емкостного датчика 4 акустического давления, скорость звука в образце. С помощью диафрагмы и линз (на чертеже не показаны) световой пучок лазера 1 формируют такой конфигурации, что его поперечное сечение совпадает с сече образца плоскостью, ортогональной к направлению распространения пучка; при этом распределение интенсивности в поперечном сечении пучка является гауссовым, Емкостньй датчик 4 соединен с источником 5 постоянного напряжения и входным сопротивлением селективного усилителя 6, выход которого соединен .,с измерителем 7, например осциллографом. Для измерения энергии, прошедшей через образец 2., за ним установлен измеритель 8 энергии лазерного излучения. Для образца цилиндрической формы излучение лазера формируют аксиально симметричным с диаметром, равньш диаметру образца. При прохождении этог светового пучка через образец часть .энергии импульса поглощается в объем и на поверхностях образца, часть рас сеивается на неоднородностях образца остальная часть проходит через на вход измерителя 8 энергии. лазерного излучения. Поглощение световой энергии в объе ме образца приводит к возникновению в материале образца термоупругих нап ряжений, индуцирующих акустические колебания в объеме образца между его осью С1шметрии и боковой пов.ерхность Частота этих акустических колебаний определяется поперечными размерами образца. . Из-за поглощения некоторой части энергии светового пучка входной и выходной гранями возникают акустические колебания, частота которых определяется продольными размерами образца. Изобретение направлено на измерение коэффициента поглощения материала образца, т.е. объемного коэффициента поглощения, поэтому полезный сигнал в данном случае связан с акус тическими колебаниями между осью симметрии образца и его боковой поверхностью. Амплитуда А этих акустических колебаний, обусловленных объемным поглощением светового пучка пропорциональна коэффициенту об поглощения света:

А

А -ot „ ,

где S - сечение светового пучка; WP - энергия оптического излучения, прошедшая через образец;

Г - коэффициент Грюнайзена материала образца; k - общий коэффициент усиления электрической части устройства. .

При совпадении геометриййопаречного сечения пучка с геометрией образца в цлоскости сечения, ортого45 Вьщеление акустических колебаний с частотой f v/2d и с полосой uf f/Q позволяет в Q раз уменьшить влияние на измеряемую величину паразитного сигнала, обусловленного рассеянием на неоднородностях внутри образца, поскольку ширина спектра этого паразитного сигнала &. совпадает с шириной спектра воздействующего светового импульса, т.е.

55 ufi л- I/C, а отношение ширины полосы к ширине полосы полезного акустического сигнала &f пропорционально величине добротности Q акустического резонатора нальной к направлению распространения, в образце возникают резонансные акустические колебания, форма которьш близка к синусоидальной. При этом частота возникающих синусо1щальных колебаний f определяется диаметром образца d и . скоростью v звука в нем f v/2d, а число периодов - добротностью акустического резонатора, которым является сам образец. Благо- .. даря свободной установке образца между обкладками емкостного датчика 4, образец не имеет механического контакт а с обкладками датчика. Это обеспечивает высокую добротность Q акустического резонатора (Q 10), поскольку с этом случае происходит хорошее отражение .звуковых колебаний на .границе образец-воздух (образец-тефлон) за счет большого различия величины скорости звука в твердотельном образце, и в воздухе (тефлоне). С помощью емкостного датчика 4 полезные акустические колебания преобразуют в электрический сигнал, который имеет форму радиоимпульса с частотой заполнения f. Ширина спектра этого импульса д f/Q определяется в основном добротностью акустического резонатора. Радиоимпульс усиливают селективным усилителем б, который настраивают на резонансную частоту. F f v/2d с с полосой пропускания ДР uf, и измеряют измерителем 7 амплитуду А сигнала. Коэффициент поглощения об материала образца определяют по формуле oi - --§Л w.kr . ;

,it.

-9.... uf fc

Следовательно, амплитуда паразитного сигнала, обусловленного рассеянием на неодирродностях в образце, в полосе частот полезного сигнала в Q раз меньше полной амплитуды паразитного сигнала,

Кроме того, В14деление резонансных акустических колебаний на частоте v/2d позволяет избавиться от акустических колебаний, вызванных поверх ностным поглощением на входной и выходной гранях образца, поскольку их частота f определяется продольным размером образца l(f v/2 1) и при 1 d, .

Таким образом, формирование свето вого пучка с геометрией поперечного сечения, совпадающей с геометрией образца в плоскости сечения, артогрнальной к направлению распростране ния пучка, выбор образца с неравными продольными и поперечными размерами.

свободная установка его между обкладками емкостного датчика и вьщеление при этом акустических резонансных колебаний на частоте v/2d позволяет расширить в сторону малых величин диапазон измерения коэффициента поглощения в Q раз по сравнению с известными способами.

Так, для используемых на практике образцов величина добротности Q при

у/2 d 2,5 ИО

характерных значениях с составляет 10 - 10 , что позволяет измерить минимальную величину коэффициента поглощения 10° (для .образцов с площадью поперечного сечения см и при

энергии в воздействующем лазерном

импульсе 10 Дж). I .

Изобретение позволяет также измерять коэффициент поверхностного поглощения путем выделения акустических колебаний на частоте

V

21

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА В ПРОЗРАЧНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ, в котором воздействуют световым пучком на образец, преобразуют возбуязденные светом акустические колебания в электрические, измеряют амплитуду электрических колебаний, по которой судят о коэффициенте поглощения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений в сторону малых величин, световой пучок формируют с геометрией поперечного сечения, совпадающей с геометрией сечения образца плоскостью, ортогональной к направлению распространения пучка и с гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка, образец выбирают с неравными продольными и поперечными размерами и устанавливают свободно между обкладками емкостного датчика, воздействуют на образец од(Я нократным световым импульсом, а амплитуду электрических колебаний измеряют на частоте собственных акустических колебаний образца , где V - скорость звука в образце, d - размер образца между обкладками датчика. со О) а о О1