Способ определения коэффициента температурной зависимости показателя преломления при постоянном объеме среды Советский патент 1986 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к области технической физики, конкретно к способам и устройствам для исследования показателя преломления оптически прозрачных изотропных твердых сред, и может быть использовано в научных и прикладньпс исследованиях в физике твердого тела, в оптике, электронике.

Целью изобретения является опред ление коэффициента температурной зависимости показателя преломления для расплавленного состояния среды образца в задаваемом диапазоне прироста температуры расплава с сохра- нением при этом формы образца.

Способ осуществляется следующим образом.

Импульс оптического излучения формируют с гладкими пространствен- ным и временным распределениями для обеспечения в процессе нагрева примерно линейного роста температуры диэлектрика и равномерного ее распределения в фокальной области, что необходимо для получения корректных результатов от количественной обработки интерферограмм и с энергией Q (, для создания в фокальном пятне (задаваемого радиуса а) перетяжки каустики энергетической освещенности, достаточной для локального расплавления диэлектрика в области этой перетяжки и для изменения температуры этого расплавленного сое- тояния. Энергию импульса можно определить любым известным способом, в частности из соотношения

QC

.ао . С

к:

Т

п

- температура расплавления диэлектрика при импульсном его нагреве;

Су - теплоемкость единицы

объема диэлектрика; Kg - линейный по температуре нагрева и энергетической освещенности натуральный показатель поглощения испытуемого диэлектрика. Длительность импульса оптического излучения ограничивают минимальным значением, выбираемым из эмпирическо го соотношения lO -ag/V, для обеспечения на каждом регистрируемом темпаратурно-временном отрезке

99

интерферограммы режимов установления теплового расширения плотности и поляризуемости испытуемого диэлектрика в фокальном пятне перетяжки Каустики радиуса а и в продольном направлении каустики пучка излучения, поскольку указанные режимы установления совершаются со скоростью звука V в данной среде.

Посьшают неодновременно и независимо друг от друга два импульса, /, каждый с энергией Qg и длительностью о, через образец испытуемого диэлектрика для получения соответственно внутри и на поверхности образца локальных зон расплавленного состояния, создают интерференционное поле равной толщины, снимают интерферограммы.

На каждой из характерных интерферограмм, полученной в условии внут- риобъемной или поверхностной локальной расплавленной зоны исследуемого диэлектрика, графически регистрируют физическое содержание полной производной показателя преломления по температуре, включающей два фактора влияния температуры на показатель преломления: изменение плотности и поляризуемости диэлектрика. Но при этом на каждой интерферограмме доли приращения значения показателя преломления, вносимые изменениями плотности и поляризуемости, нельзя разлиг:ить и вьщелить. Чтобы исключить из расчета влияние изменения плотнос0

.ти (-5-)т на показатель преломления, 9р

решается система из двух уравнений с двумя неизвестными

(т) -bn f)

0т(пм L dpjt

3т f9

(а...).1

где

) dr-

и

Р (;;)„. изменения показаd пл,2

теля преломления от температуры для внутриобъемной локальной расплавленной зоны и для поверхностной локальной расплавленной зоны сооответственНО}

cigj,- - Эффективный коэффициент теплового объемного рас ширения;

) - коэффициент теплового расширения;р - плотность диэлектрика

3 12 относительно искомого коэффициента температурной зависимости.

Каждое из уравнений представляет собой известное соотношение между полной производной и суммой состав- ляющих ее частных производных по .плотности и температуре,, у которых обозначения индексами 1 и 2 соответствуют внутриобъемному и поверхностному расплавленным состояниям диэлект- рика.

Для определения связи эффективного коэффициента теплового объемного расширения oi, с коэффициентом теплового объемного расширения oi(т) в виде efgif А .с(т) ,

де

А

ьТп

1 +

пп пп

U.TP

U

ilf. ТТр к

пл

Т6 J

коэффициент Пуассона;

усредненная по объему расплавленной зоны температу-2j ра|

прирост температуры к концу импульса на оси расплавленной зоны;

прирост температуры расплавленной среды на границе твердого и расплавленного состояний внутриобъем- ной локальной расплавленной зоны;

и о; „д-коэффициенты теплового

объемного расширения для твердого и расплавленного состояний сред соответственно;

К и 1C - модули всестороннего ежа-

те А

тия среды образца в твердом и расплавленном состояниях соответственно, решается соответствующая термоупругость . При этом учтены следующие фак торы: геометрия напряженного состояния нагреваемой изотропной среды, создаваемая цилиндрической симметрией, фокусирующей лазерный пучок сферической линзы; термоупругие процес- сы перехода диэлектрической среды из твердого состояния к вязкоупругому и жидкому и связанная с ними релаксация упругих напряжений в приосной и граничной областях проплава; зависи- мость констант среды (температуры текучести) от давления в условиях всестороннего сжатия локальной зоны

J ю

15

20

2j

5

5 0 5

199.4

проплава силами -нерасплавленной матрицы окружающего диэлектрика.

Входящие в численный коэффициент А значения величин прироста температуры йТ„„ , лТ„ и йТгр относительно исходного уровня при комнатной температуре определяют исходя из известного коэффициента поглощения диэлектрика с учетом формы импульса, профиля распределения интенсивности лазерного пучка и величины поступающей энергии лазерного излучения, а коэффициенты теплового объемного расширения и cifl, и модули всестороннего сжатия и Крд для твердого и расплавленного состояний берут из таблиц или получают из независимых измерений.

При реализации способа используют неодимовый лазер (1,06 мкм) с расходимостью пучка излучения I 2-10 рад; сферическая линза с фокусным расстоянием F 10 см и испытуемый диэлектрик - стекло К8, выполненный в виде параллелепипеда по крайней мере с двумя параллельными полированными гранями, площадью не менее 1 см каждая, имеющий ли- нейный по температуре натуральный показатель поглощения К 5-10 на длине волны Л 1,06 мкм; теплоемкость единицы объема-диэлектрика С 2 Дж/см. град, температуру расплавления при импульсном нагреве Т„, 1200 С; коэффициент Пуассона 0,209, скорость звука в стекле V 5. .

Радиус фокального пятна в перетяжке каустики а F--(f 2- 10 (см); . минимальная длительность импульса, с.мин 10%„/У 4-10- (с), энергия импульса оптического излучения, Дж:

f г

- -5il- i - 2i 6К

10

cZ

. Дпительность импульса соответствует режиму свободной генерации

t 10 с, причем Г С А,ин (10 4х

X 10 с).

Посьшая неодновременно и независимо друг от друга два импульса, каждый с энергией Qe 600 Дж и длительностью с 10 с, через образец испытуемого диэлектрика для получения соответственно внутри и на поверхности образца локальных зон расплавленного состояния, создают интерференционное поле равной толшины, снимают интерферограммы и находят из их количественной обработки для внут- риобъемного и поверхностного состояний значения

Ы ,..„

IOT nn.1

in dr)

пп.г

-3,2 10 ралГ .

Вычисление численного коэффициен- та А : лТ„д , определено по геометрическим факторам (профилю температуры) и в случае для лазерного пучка с гауссовым распределением интенсивности это отношение равно 0,8 - 0,9; выбирают 0,8;

-лТгр 1050° С определено независимым измерением при импульсном нагреве диэлектрика до температуры его размягчения;

-лТрп 1500 С получено расчетом на участке интерферограммы для прироста температуры на оси проплава исходя из известного коэффициента поглоще- ния диэлектрика с учетом формы им- пульса и величины поступающей энергии лазерного излучения;

-iTn. йТ„ (0,8 - 0,9) 1200 - 1350 С;

йТ

гр

-- 0,87 - 0,78; выбира- & 1

пл

г,-5

ем 0,8;

oire (2,2 4- 0,3)-10 . град- ; (12 + 2)-10 град- (в

диапазоне 1400 - ); ,6 , г

Ч-Б

5.10 кг/см;

.- --3-,

Кп, (2 i 0,5)- 10 кг/см ;

- А 0,5 получено подставкой найденных значений величины, входящих в выражение для численного коэффициента А ,

Искомый коэффициент температурной зависимости показателя преломления при постоянном объеме среды для условия ее расплавленного состояния равен 1,2-10 .

Формула изобретения

Способ определения коэффициента температурной зависимости показателя преломления при постоянном объеме среды, включающий пропускание пучка импульсного оптического излучения через образец в виде прямоугольного параллелепипеда с полированными гранями с фокусировкой излучения внутри

5

0

5

0

5

5

С

образца, одновременную с пропусканием пучка излучения интерферометрическую регистрацию прошедшего через образец пучка излучения, отличающий- с я тем, что, с целью определения коэффициента температурной зависимости показателя преломления для расплавленного состояния среды образца в задаваемом диапазоне прироста температуры расплава с сохранением при этом формы образца, через исследуемый образец дополнительно пропускают некоррелированный с первым по времени второй пучок импульсного оптического излучения с фокусировкой его на поверхности исследуемого образца и одновременно проводят интерферометрическую регистрацию прошедшего через образец излучения, причем мощность обоих пучков импульсного оптического излучения выбирают достаточной для образования локальных зон расплавленного состояния среды внутри и на поверхности образца, а длительности сГ этих импульсных излучений выбирают из соотношения

а„/и,

где а - радиус пятна излучения в его фокальной плоскости; и - скорость,звука в исследуемом образце, причем каждую из двух интерферометрических регистрации проводят отдельно на протяжении всей длительности пропускаемого импульсного излучения, по результатам обеих регистрации определяют для задаваемого диапазона прироста температуры расплавленного состояния среды численные значения изменения показателя преломления от температуры соответственно (dn/dT) ,1 для внутриобъем- ной локальной расплавленной зоны и (dn/dT)p, .уДЛя поверхностной локальной расплавленной зоны, а коэффициент

Зн

(- температурной зависимости показателя преломления при постоянном объеме среды определяют по формуле

-.±.1Щ Jivi 3TJ, i-ftlUTL/ijT|.«,J,

1UT

пл

u

йТп

о тв гр

ПЛ ПА

1 + )fn

1-2 К

ТВ J

коэффициент Пуассона; усредненный по объему расплавленной зоны прирост температуры; прирост температуры к концу-импульса на оси расплавленной зоны; прирост температуры расплавленной среды на границе твердого и расплавленного состояний внутриобъемной лоор Л.Гратилло 2118/36

Составитель С.Голубев Техред Н.Бонкало

Ко По

Тираж 778 ВНИШТИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.А/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4

в твИ пя

пи

кальной расплавленной зоны;

коэффициенты теплового объемного расширения для твердого и расплавленного состояний сред соответственно; модули всестороннего сжатия среды образца в твердом и расплавленном состояниях соответственно.

Корректор А.Зимокосов Подписное j

Изобретение относится к области технической физики, а именно к исследованию показателя преломления оптически прозрачных изотропных твердых сред, и может быть использовано в научных и прикладных исследованиях в физике твердого тела, в оптике и электронике, С целью определения коэффициента температурной зависимости для расплавленного состояния среды образца в задаваемом диапазоне прироста температуры расплава с сохранением при этом формы образца проводят неодновременное и независимое локальное расплавление испытуемой твердой среды (оптически прозрачный диэлектрик) внутри и на поверхности массивного образца с помощью энергии импульсного оптического излучения, фокусируемой поочередно внутри и на поверхности образца. При этом для каждого расплавленного состояния регистрируют интерферограмму, из которой вычисляют полные производные показателя преломления по температуре, численные значения которых подставляют в эмпирическую формулу для искомого коэффициента. Сущность технического решения основана на использовании импульса оптического излучения, длительность которого t не менее значения 10 , где Яд - радиус фокального пятна в перетяжке каустика; V - скорость звука в испытуемой твердой среде, и на измерении указанных полных производных показателя преломления для локальных з астков расплавления с исключением из этих производных аналитическими средствами частных производных показателя преломления по плотности. i (Л Ф со со