Способ измерения оптического поглощения высокопрозрачных материалов и устройство для его осуществления (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК G01N21/62 

отношению к оптической оси четве-ртьволновой 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-i актив и фотодетектор, а также анализирующий блок и возбуждающий лазер, оптически связанный с держателем объекта, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности, чувствительности и быстродействия, 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 полярископа 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.

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 повьшения точности, чувствительности и быстродействия, через исследуемую локальную область объекта оба луча пропускают соосно, причем используют монохроматизированное циркулярно-поляризованное из тучение, 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 плаi стинку, держатель объекта, враща(Л ющийся поляризационный элемент, объектив и фотодетектор, а также анализирующий блок и возбуждающий лазер, оптически связанный с держателем объекта, отличающееся тем, что, с целью повьшения /точности, чувствительности и быстродействия, оно дополнительно содер00 жит первое и второе эеркала, снабю женные механизмом, обеспечивающим 00 периодическое синхронное пересечеvi ние ими оси полярископа, оптичессо ки связанные с возбуждающим лазером и между собой таким образом, что их общая оптическая осьсовпадает с оптической осью полярископа и проходит через держатель объекта а стационарный поляризахщонный элемент выполнен в виде круговой мозаики из четырех одинаковых секторов с взаимно ортогональными направле- : ниями наибольщего пропускания в соседних секторах, причем эти направления ориентированы диагонально по

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для контроля качества крупногабаритной лазерной силовой оптики и исходных высокопрозрачных кристаллов, поликристаллов и стекол Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и быстродействия измерений показателя поглощения в крупногабаритных высокопрозрачных объектах. Слабое оптическое поглощение по данному способу измеряется следующим, образомо Лазерный луч средней мощности пропускают через исследуемую область объекта. Обычно она составляет 0,5-1 мм. За счет поглощающей способности в этой области накапливается тепловая энергия, которая начинает рассеиваться по направлениям от центра во действия к периферии. В начальной фазе воздействия 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 создается аксиальное тепловое поле С радиальными нелинейными градиентами температур. Наводимое поле термоупругих напря жений вызывает временные локальные изменения оптических свойств материала, одно из KOTopBix - появление двупреломления в оптически изотроп- , ных средах. В большинстве материалов (стеклах, поликристаллах, кристаллических пластинах (ЮО) и (111)), двупреломление линейно зависит от разности термоупругих напряжений. Б начальный момент воздействия двупреломление в любой точке, находящейся в окрестности места воздействия, нарастает практически линейно. Например, в известной аппаратуре, где для анализа воздействия используется область, удаленная от центра воздействия на 10 мм, линейное нарастание двупреломления в кристаллах КС 1, NaCl, ZnSe происходит не менее 3 с, в кристаллах КРС-5 и КРС-6 - порядка 20 с, в инфракрасных стеклах - более 30 с. При исследовании центральной зоны время линейного нарастания уменьшается в 5-10 раз. С целью анализа наводимого двупреломлеиия через ту же исследуемую область объекта пропускают цир3

кулярно-поляризовэнное излучение, имеющее сложную структуру пучка в виде четьфех кругов 1х квадрантов одинакового размера, причем в соседних квадрантах излучение обладает лево- и правоциркулярньми поляризационными свойствами.

Чтобы защитить поляризационные элементы от лазерного воздействия 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 для спектрального состава анализирующего циркулярно-поляризованного света и практически полностью (иначе они разрушатся) отражали возбуждающее лазерное излучение. Однако в настоящее время материалов с такими уникальными свойствами, в частности, для области спектра 10,6 мкм не существует. Поэтому пока может быть применен только второй вариант, при котором реализуется временное разделение соосных пучков с помощью синхронно вращающихся зеркал с внешним металлическим покрытием. Ось вращения зеркал не должна совпадать с центром зеркал. Существует ограничение на минимальную скорость вращения зеркал, которое обусловлено величиной теплопроводности исследуемого материала. Минимальная скорост вращения выбирается из условия, при котором не должны быть заметны флуктуации двупреломления с частотой вращения зеркал. Как показывает практика, для большинства материалов это условие выполняется при частотах, превышающих 10 Гц.

Дпя анализа наводимого двупреломления используется циркулярно-поляризованное излучение. После прохождения объекта циркулярно-поляризованое излучение в каждом квадранте преобразуется в эллиптически поляризованное с различным направлением вращения электрического вектора в соседних квадрантах. Вращающийся ангигазатор модулирует по амплитуде эллиптически поляризованное излучение с удвоенной частотой вращения. Фотодетектор преобразует всю свето-

2879

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

5 усиливаются селективным усилителем до уровня, удобного для регистрации. Перед началом измерений производят калибровку, которая учитывает вид материала, толщину объекта, его кристаллографическую ориентацию, время линейной части экспозиции и ряд других необходимых параметров. Информация о пр(5веденных исследованиях в зависимости от способа регистрации

15 может отображаться ипи в виде графической записи результатов воздействия, что чаще применяется при научных исследованиях, или в виде цифровой индикации в единицах показателя поглощения, в основном применяемой

при технологическом контроле объектов.

Для осуществления способа измерения оптического поглощения н высокопрозрачных материалах предлагается

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

Устройство содержит источник излучения 1, например лампу накаливания, узкополосный светофильтр 2, .

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

40 9, вращающийся поляризационный элемент 10, объектив 11, фотодетектор 12, возбуждающий лазер 13 с термоловушкой 14, привод 15 держателя объекта, измеритель 16 мощности

5 лазерного излучения, привод I7 вращающегося поляризационного элемента, анализирующий блок 18. Элементы 1-5, 7, 10-12, 15, 17, 18 являются элементами фотоэлектрического кругово,Q го полярископа.

В первом варианте устройства ста.ционарный поляризационный элемент 4 состоит из четырех равновеликих круговых секторов (см. фиг. 2) с взаимно ортогональными направлениями наибольшего пропускания в соседних секторах. Эти направления расположены под углом 45 к оптической оси

четвертьволновой фазовой пластинки 5 . Во втором варианте устройства круговой поляриской с вращающимся анализатором содержит обычный поляризатор, а четвертьволновая фазовая пластинка совершенно иная: она coi тоит из четырех равновеликих частей в виде круговых секторов с ортогональными направлениями оптических осей в соседних секторах. Кроме того, каждая из осей располагается под углом 45 к направлению наибольшего пропускания поляризатора.

Устройство работает следующим образом.

Фаза первая - зеркала 6, 9 .перекрьшают оптическую ось полярископической системы. Излучение от возбуждающего лазера 13, отразившись от зеркала 9, проходит через исследуе- . мую область объекта 8, возбуждая в этом месте термоупругое двупреломление, и, отразившись от зеркала 6, поглощается термоловушкой 14.

Фаза вторая - зеркала вьшедены с оптической оси полярископической системы. Излучение лазера поглощается измерителем 16 мощности, электрический сигнал от которого, пропорциональный величине мощности, поступает в блок 18. Одновременно свет от источника излучения I проходит свеТофильтр 2, преобретая нужный спектральный состав. Цилиндрический пучок монохроматизированного света после диафрагмы 3, уравнивающей интенсивности четырех потоков, проходит через центр мозаичного поляризационного элемента 4 и становится линейно-поляризованньм, каждая четверть которого имеет ортогонально направленную поляризацию. через четвертьволновую фазовую пластинку 5, каждая составляющая потока становится циркулярно-поляризованной с чередующимся направлением вращения электрического вектора, Т.е. лево- и правоциркулярно-поляризованной. После прохождения объекта Циркулярно-поляризованный свет преобразуется в эллиптически поляризованный, причем степень эллиптичности зависит от величины наводимого двупреломления, а следовательно отвеличины показателя поглощения. За счет вращения элемента 10 интенсивность анализируемого потока становится модулированной по амплитуде с удвоенной .частотой вращения анализатора. Объектив (линза) 11 фокусирует все четыре составляющие светового потока на приемную площадку фотодетектора, на вьгходе которого вырабатьшается электрический сигнал, содержащий две компоненты: постоянную и модулированную на частоте 2w, Модулированная компонента регистрируется блоком 18, в который с привода держателя объекта и измерителя мощности поступает информация

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

0 анализирующий блок преобразует входящую информацию в величину показателя поглощения. После очередной экспозиции объект дискретно переводится в следующую исследуемую точку,

5 и все повторяется сначала.Таким образом, в оперативной памяти блока 18 накапливается информация о распределении показателя поглощения по площади исследуемого объекта, которая может быть легко воспроизведена на экране дисплея или на графопостроителе. В варианте прибора с мозаичной четвертьволновой фазовой пластинкой анализирующее излучение

5 после прохождения поляризатора 4 становится однородно линейно-поляризованным, приобретая после прохождения мозаичной фазовой пластинки необходимые мозаичные свойства.

Чувствительность способа измерения слабого оптического поглощения

1п-З

на уровне 10 см и меньше и аппаратуры, его реализующей, зависит от целого ряда параметров, в том числе . от мощности лазерного излучения, возбуждающего термоупругие напряжения, отдельных констант исследуемого материала и схемного решения конкретной аппаратуры. На лабораторном макете быпо установлено, что если радиус анализирующего луча равняется 2 мм (в описанном способе), а в прототипе - 2,5 мм, то чувствительность при исследовании монокристалла КС1 повышается в

36 раз, следовательно, при использовании анализирующего излучения 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 расширения. Последняя группа причин обуславливает стаби;1ьную систематическую ошибку, которая может достигать 10-15% (а иногда и более) для некоторых материалов. Следует заметить, что при уровнях поглощения см при дефектоскопии лазерной прочности даже такие погрешности являются несущественными, так как горячие точки, обуславливающие степень надежности оптического элемента, имеют поглощение в десятки и сотни раз большее.

На величину систематической погрешности также сильно влияет диаметр анализирующего луча. Чем больше диаметр анализирующего луча,.тем меньше вероятная систематическая ошибка, зависящая от этого параметра. В данном устройстве для минимизации этой погрешности используется регулируемая центрирующая диафрагма и образец со стабильным показателем поглощения, например из фтористого бария, основное поглощение которого в области ИК спектра

10 мкм определяется 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 показания прибора соответствуют показателю поглощения образцового элемента.

Г2

7v