Способ определения оптических параметров твердых веществ Советский патент 1987 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к физике, высоких температур и физике воздействия лазерного излучения на вещество и может быть использовано для определения показателя преломления п и коэффициента поглощения к среды при высоких температурах.

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона и повьаиение точности измерений.

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа; на фиг.2 и 3 - экспериментальные данные .

Устройство содержит образец 1 материала с предварительно нанесенной царапиной, лазер 2 с перестраиваемой частотой излучения, профилограф 3 с встроенным в него самописцем и микроскопом и устройство 4 для измерения приповерхностной температуры. Микрорельеф на поверхности образца 1 создается излучением лазера 2, при этом устройство 4 фиксирует температуру приповерхностного слоя образца. После окончания действия импульса лазерного излучения на остающийся на поверхности микрорельеф наводится с помощью встроенного в него микроскопа профилограф который регистрирует на самописце форму профиля поверхности. Точность такого измерения составляет 5А.

В качестве исследуемого вещества используют пластины из плавленного кварца с полированной поверхностью, на которую фокусируется излучение импульсного С0.2 лазера, линейно поляризованное в плоскости падения пе пендикулярно затравочной царапине.

Затравочная царапина на поверхноти образцов создается следующим образом. Алмазным резцом прорезается узкая канавкар с воспроизводимой (не хуже 10%). После однократного воздействия с интенсивностью излучения зьппе порога в окрестности царпины появляются периодические структуры. Их период проявляет слабую зависимость от ширины канавки, если она не превышает 2,5 мкм, поэтому в дальнейших экспериментах ширина составляет 2 мкм.

Наблюдаемьй на опыте профиль пре ставляет собой суперпозицию началь - ной неровности и ее возмущения вслествие теплового расширения вещества связанного с неравномерностью выде

ления энергии за счет существоаания профиля. Поскольку из эксперимента следует, что область локализации возникающей структуры с течением времени не меняется, естественно предпо-- ложить, что мы имеем дело с квазистационарной ситуацией. Такая ситуация может реализоваться, если учесть процесс испарения вещества, что действительно имеет место.

Для полупространства, заполненного веществом, профиль поверхности задан функцией Z f (х), где fo искусственно формируемая неоднородность ; х - координата по оси, перпендикулярной неоднородности. Из вакуума на эту поверхность падает электромагнитная волна

20

Е ° exp(ikx sin 4) -t- i kZ созц )

где ось Z считается направленной в ваккуум, Е - вектор амплитуды, k - волновое число, ф - угол между вектором k и обратным направлением оси Z, i - мнимая единица.

Амплитуда профиля полагается достаточно малвй, чтобы поправку к полю на поверхности границы раздела двух сред можно было рассчитать по теории возмущений. Выражение для вектора

Е ° записано в пре а;положении, что угол d между направлением линии неоднородности и плоскостью падения излучения равен 90°.

Задача о нахождении температуры T(X,Z) в веществе с учетом наличия рельефа поверхности решается для

Т (x,z) Т Jz)+ Т, (x,z)

где Tj, (z) - решение задачи об испарении плоской границы; Т (x,z) - тем- пературная добавка, связанная с образованием микрорельефа.

В системе координат, движущейся с поверхностью со скоростью V, для имеют

тЛ)

/

Х

Тс

аГ

fo(0 0;

,( -«) о,

(1)

ЭТо

- VJ ,

0

где z + Vt; t - время;

Г- - температуропроводность среды;Лр - коэффициент теплопроводности

п(р 7J nF ;Sy- (2

Г1 - плотность мощности падающего излучения; п и эе - показатель преломления и

коэффициент поглощения среды соответственно; & - теплота испарения единицы

объема вещества. Скорость испарения V связана с температурой поверхности соотношением

V S ехр Г , (2)

Т,( 0)

где S - величина порядка скорости звука в веществе;

Т

м а

-R}м - вес моля вещества;

- плотность;

R - газовая постоянная. При сравнительно невысоких температурах нагрева поверхности, когда вьтолняется неравенство

J И 0) а .

из формул (т) следует .. 4 n О

);

Для нахождения величины Тл(х,г) и соответствующей ей деформации поверхности надо перейти в систему координат, движущуюся со скоростью V.

При условии

ту}г;-ог

уравнение теплопроводности для Т, (х, Е) имеет вид

(3)

.(

, , V 5т, 2 5x1 Т У

+ f, (. Р 0;

Т,( -«) 0; 1 Т, ч ,, Т

5Т,

произвол,ной пренебрегают ,

о t

(4)

rMf.o . ).

что coornf I с твует малости изменения

профиля за счет испарения по сравнению с деформацией поверхности. Это и есть условие существования квазистационара. Функия тепловыделения

M,f)---ji r -,:.:. где а - частота падающего излучения; Е - комплексная диэлектрическая проницаемость:

. 2:|

ь«-Y|-.

Е (х) -поправка к полю на плоскости К О, обусловленная неровностью реальной поверхности;

0 Комплексно сопряженные ве

личины. Для Фурье представления

e,,(q) . -| q) D(q) где D(q) -9-tb.ln B(q)

(5)

ти

25

2irf -

B(q)

г30

ерхди q(q+k sinif )-G4q)J ;

)

У G(q) - ik

G(q) (q + k sinv) +(-ik) « ; Vr n + U; )-/eh 1; fCq) Фурье-образ функции (x)

fo f (x) - искомый профиль деформации плоской поверхности.

В результате из формул (4) и (5) для Т (х, р получают

rf с1 М J ,,pH (3)

-00

до п ff V

( ,- (6)

АО Т (0)

45 Пользуясь теорией упругости, можно вычислять компоненту вектора деформации по оси Р . Дифференцируя результат по х, чтобы исчезли незави- сящие смещения, и полагая 0, по- 50 лучают

U(-(

4)

5

4oi( 3

37Г(1-2&1 00 00

Тдл ,С)

Х- X

Ч

).

-l.)--ее -«

где о/ - коэффициент объемного расмнирения;6 - коэффициент Пуассона.

Полученные в рамках теории упругости результаты, остаются справедливыми и в том случае, если имеют дело с тепловым расширением не твердого тела, а жидкости. При этом образование необратимого рельефа поверхности может быть связано с изменением вязкости вещества. К обеим сторонам приведенного интегрального уравнения применяют преобразование Фурье В результате для величины f (q) получают алгебраическое уравнение. Разрешая его и делая обратное преобразование Фурье, имеют

1 Т. Я, . лГри)) М - ( РЦМСБ()

-00

где P(q) I (i qi + г);

Л - iiil l-i3l44i А 3(1-26)

Рассмотрим простейшую ситуацию, положив (х) (x), с(х) - дельта-функция, h - постоянная величина. Тогда при больших значениях х таких, что klX , а также при выполнении неравенства

С1,

k + г

которое накладьшает ограничение на величину О, из приведенного выражения для (х) получают

5(х) 2Re F4 1x1)9 (±х)Ф(|х |Я

(7)

где F(lxl)iyiA К (-,iK|xl7)e(-n); ReU7i

(1г 0; q функции. 0(у)

9(у)

Г(.. ция;

k(l + sinn/) ; при у 7 О и

О при у 0; i .) - неполная гамма-фуY2Ф (|xl) bV rci(/i ( О cos (fil ((i I XI. )sin(),

ci(...) и si(...)

л

- функции интегральногокосинуса и синуса.

- . 1

Д 4 k I --- cos V, Интерес представляют два предельных случаях. Первый из них а Ь,

где а fte 1 и b Jrri , соответствуют существованию поверхностных электромагнитных волн (ПЗВ). При выполнении неравенств а k | х I 1 и Ь k I xU 1

а- k находят

,2

ReF,(hl)x :;:AJ l 4yfe- n()(.Г

5in(t I I- T - (аЧ|х1)

(В)

15

Для обратной ситуации, когда , при выполнении неравенств Ь и а k 1х1«1 получают

si4U±M -:r)

(Ь

к|х))5

191

Полученные теоретические результаты позволяют объяснить приведенные экспериментальные данные. Прежде всего следует, что фиг.З и формулы 7,8 образующиеся структуры связаны с возбуждением ПЭВ, поскольку период d

профиля при малых углах падения отличается от длины волны падающего излучения. При увеличении угла падения картина становится асимметричной

относительно начального возмущения что находит свое теоретическое объяснение (формула 7) в наличии функции 0{tx), при которой сомножителем стоит функция Ft( 1 X I)(Осциллирующая с разными периодами по разные стороны от затравочного возмущения. Входящая в формулу (7) функция Ф( I х|) не меняет существенно вида структуры, поскольку она является достаточно

медленно осциллирующей, слабо затухающей функцией.

Согласно формуле (8) периодическая структура пространственно локализуется на расстояниях |х|

X,

0

5

|Поскольку при достаточно больших значениях плотности мощности П величина ---- слабо зависит

q 4 + г

от Q (, г DO о (формулы (З) и (б)). Это объясняет экспериментальную зависимость (фиг.2).

Как следует из проведенного теоретического рассмотрения, в случае невозможно возбуждение ПЭВ, однако возможно возникновение структур, период которых определяется только длиной волны и углом падения лазерного излучения.

7

На эксперименте с помощью профи- лографа определяют Лункцию f (х) Е (х) - 2ФОх1) и, фиксируя некотрую точку х, проводят сравнение теретических и экспериментальных результатов, что и позволяет опреде- лить искомые параметры п и г .

Определяют значения п и а из полученных экспериментальных данных. Как следует из эксперимента, имеет место возбуждение ПЭВ. Поэтому согласно формул () и (8)

i е Z kib

Из фиг.2 и 3 следует, что при ,d d 9,6 мкм и Xg - 80 мкм, что дает п 0,3 и 3.

Использование предлагаемого способа определения оптических параметров п и аг обеспечивает по сравнению с известными спосо бами следующие преимущества.

Оптические параметры п и г могут быть определены в более широкой спектральной области, в частности там, где образование поверхностных структур не связано с возбуждением ПЭВ, а параметры п и х определяются в рамках одной методики с более высокой точностью.

Формула изобретени

1 . Способ определения оптических параметров твердых веществ, как фунции частоты падающего излучения при температурах плавления вещества и выще, заключающийся в том, что поверхность исследуемого вещества облучают плоскополяризованный лазерным излучением длиной волны Л с электрическим вектором, лежащим в плоскости падения, измеряют период d возникающего на поверхности вещества микрорельефа, повторяя последовательность операций на разных частотах лазерного излучения, отличающийся тем, что, с целЬю расширения спектрального диапазона и повышения точности измерений, перед облучением исследуемого вещества на его поверхности формируют неоднородность, устойчивую к воздействию температуры в виде прямой линии с поперечным размером 1, удовлетворяющим соотнощению 1 0,2 ,и облучают лазерным излучением, плоскость падения которого

433118

составляет с направлением линии неоднородности угол с1 90°, после прекращения воздействия лазерного излучения определяют образовав- щийся профиль поверхности исследуемого вещества при удалении от неоднородности в перпендикулярном к ней направлении по оси X как функцию 1Q координаты X и сравнивают отношение экспериментального профиля (х) к амплитуде этого профиля (хд) в некоторой фиксированной точке х с теоретической зависимостью

ГгН,1Их|1 1 0(-Ь)

f(

Ir(-j,))0( -b)

0 (,(U)Hx,l)tiKT (lxl-|x5l)j6(tx:

где Г(-2

Л

неполная гамik I X

5 ма-функция, 1 - мнимая единица, ReVi г О, функция Р(а-Ь) 1

О при а « Ь,

0

при а b и б(а-Ь) 2Ti

2 7

I

ko (k I -- - модуль волнового

0

вектора электромагнитной волны, где п и ж - соответственно показатель преломления и коэффициент поглощения вещества, Я k(l±sinv), (| - угол между нормалью поверхности

5 и направлением, обратным направлению падения лазерного излучения, индексы t при величине q+ соответствуют знакам аргумента функции 9(t х) ,которые в свою очередь соответствуют случаям положительной или отрицательной проекции волнового вектора К на ось X и по наилучшему согласованию экспериментального профиля поверхности с теоретическим определяют упомянутые параметры вещества, причем в момент воздействия лазерного излучения определяют температуру.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью определения упомянутых параметров при условии эе Юп, измеряют расстояние от линии неоднородности Х, на котором амплитуда профиля спадает в 2,73 раза, и определяют п и аг из

зависимостей

0

; X

1

2 kab

Изобретение относится к области технической физики, а именно к физике воздействия лазерного излучения на твердые вещества и физике высоких температур. Цель изобретения - расщирение спектрального диапазона и повыщение точности измерений. Способ одновременного определения показателя преломления п и козффи- циента поглощения у. твердых веществ в условиях их высокотемпературного нагрева лазерным излучением основан на измерении профиля, образующегося под действием излучения в окрестности искусственногсозданной поверхностной неоднородности, и его сравнении со структурами, образование которых при различных п и эг определяется по наилучшему согласию теоретической и экспериментальной зависимостей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. с (Л 00 4 СО со

Составитель С.Голубев Редактор Н.Егорова Техред Л.Сердюкова Корректор М.Пожо

Заказ 4816/44 Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

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