Способ определения коэффициента поглощения и коэффициента диффузии излучения в твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалах Советский патент 1990 года по МПК G01N21/47 G01N21/59 

Изобретение относится к технической физике, точнее к исследованиям оптических свойств твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалов.

Цель изобретения - повышение точности определения коэффициентов поглощения и диффузии изучения в слабопоглощающих твердых материалах, особенно при отсутствии информации об объемной и поверхностной индикатрисах рассеяния.

На чертеже схематически изображено устройство для осуществления способа.

Излучение лазера 1 после прохождения модулятора 2 и светофильтра 3 попадает на делительную пластину 4. Большая часть излучения проходит через пластину 4 и фокусируется линзой 5 на образце 6 или эталоне

7, установленных соответственно во входном и выходном отверстиях интегрирующей сферы 8. Фотоприемник 9, защищенный экраном 10, вырабатывает сигнал, усиливаемый усилителем 11. Отраженное от делительной пластины 4 изл :ение попадает в сферу 12 Сигнал от приемника 13 усиливается усилителем 4 Он.(алы с усилителей 14 и 11 поочередно шмеряюг цифровым вольтметром 15, который соединен с системой 16 сбора и обработки данных, включающей крейт КАМАК. ЭВМ. терминал и циф ропечатающее устройство. Измерения для определения угловой зависимости проводят путем поворота сферы 8 вокруг ее вертикальной оси и соответствующего горизонтального смещения сферы в плоскости перпендикулярной оптической оси.

СЛ

о J

СО

со оэ

Для широкого класса полупрозрачных сильнорассеивающих слабопоглощающих материалов, таких как керамика, молочные стекла, порошки и т. д , выполняются условия диффузионного предела для слоя тол- тиной /.:

L/D-+BO,

где К - коэффициент поглощения излучения в материале;

D коэффициент диффузии излучения. Это означает, что в глубине рассеивающей среды справедлив закон Фика для диффузии излучения, связывающий объемные плотности потока и энергии излучения даже я тех случаях, когда уравнение переноса перестает работать.

Для материалов с нерегулярной структурой (керамика, порошки, волокнистые материалы и т.д.) при нахождении К и U извест- нымн способами необходима дополнительная информация об индикатрисе объемного рассеяния и двунаправленных радиационных характеристиках поверхности. Получение такой информации на основании геометрии и оптических свойств элементарных рассе- ивателей представляет собой сложную задачу и возможно лишь в исключительных случаях, когда сферические или цилиндрические рассеивателн удалены друг от друга на расстояния существенно большие их размеров и длины чолны. Введение же указанных величин в число неизвестных приведет к плохой обусловленности задачи и, как следствие, к погрешностям в определении К и D.

Согласно предлагаемому способу при диффузном освещении плоского слоя закон Фика становится справедливым всюду вплоть до границ. Это позволяет получить асимптотически строгие выражения для двуполусфе- рической пропус ательной способности слоя.

Для получения надежных данных по коэффициентам К и D используют данные для нормально-пол у сферической пропускатель- ной способности Р„ разнотолшинных образцов и результаты измерения при определении угловой зависимости LJ(p.) направленно-полусферической пропускательной способности образца одной толщины. При этом величина U((i) на самом деле представляет собой индикатрису пропускания образца. Тогда связь (ji) Р„, где Р„ - двуполусфе- рическая пропускательная способность, позволяет использовать для расчетов К и D точ- ные формулы для Р„ и избежать указанных ошибок.

Кроме того, функция 1)(ц) не зависит ни от толщины, но от радиуса образца, поэтому ее можно определять лишь для образца.одной толщины. Это существенно умень- шает объем экспериментальной работы и позволяет увеличить точность определения К и D.

Способ осуществляют следующим образом.

5

0

г

0 „

5

Измеряют значение нормально-полусферических пропускательных способностей Pn(L,) набора образцов из N толщин L,(i- 1, N) с использованием интегрирующей сферы. Затем для одного из образцов измеряют сигнал 1М, пропорциональный направленно-полусферической пропускательной способности при падении излучения под углом агссо5( 1).

Размеры образца и пучка излучения выбирают из условий: малости бокового пропускания образца по сравнению с торцовым и L/D-too. Освещенная падающим лазерным пучком часть торцовой поверхности образца (область засветки) при различных углах падения излучения должна быть одной и той же. Это достигается как за счет сканирования пучка вдоль выбранной площадки (при малыхуглах падения), так и за счет фокусировки пучка до нужных размеров с помощью линзы (при больших углах падения,). После указанных угловых измерений определяют угловую зависимость U(n)IM/In, где 1„ - сигнал, пропорциональный нормально-полусферической пропускательной способности Р„ для данного образца.

Рассчитывают двуполусферическую про- пускательную способность Fn(L,) для всех образцов по соотношению Р„(Ц) 2РЛ (L, ) и (ц)ц- , , ..., N, после чего рассчиты5 вают значения К и D в результате минимизации функционала

F(K, D).(Lf. К, D) - Р„ (L,)2,

где Р„(Ь,, К, D) определяют на основании известной формулы для теоретической дву- полусферической пропускательной способности

Рп(1„ К, D)

Sti Dfe

-L

l+ni&Ml+ha&y-O-n.&MI-hzUe

в которой h 2Dr|,; т), ( l+rm) / (1 -гш);

yK/D - коэффициент затухания;

п - показатель преломления; г„, (,2) - двуполусферические коэффициенты внутреннего отражения границ.

Значение относится к границе, на которую падает излучение; i 2 - к следующей по ходу излучения границе.

Примеры конкретного осуществления способа.

При осуществлении способа для исследуемых образцов выполнялось условие диффузионного предела LD/t- 0

Характерным признаком выполнения этих у словий является высокое значение коэффициента R отражения образцов (,9 в исследуемой области спектра.

Проведено определение коэффициентов поглощения К и диффузии излучения I) керамических образцов из фторида лития на длине волны излучения 0.63 мкм. Пористость керамики 50%. Значения показателя преломления п и коэффициентов внутреннего отражения границ г„(,) известны и равны: ,391; г„|.,32.

Набор образцов состоит из четырех ipynn толщины I.,(i T72TT). В каждой группе по 5 образной с близкими значениями толщин.

Измеренные значения нормально-полусферической пропускательной способности PnlL) образцов (по методу сравнения сигналов, полученных при поочередной установке каждого образца и эталона соответственно во входном и выходном отверстиях

интегрирующей сферы) приведены в таблице.

Изобретение относится к технической физике, точнее к исследованию оптических свойств твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалов. Цель изобретения - повышение точности определения коэффициентов поглощения и диффузии излучения, особенно при отсутствии информации об объемной и поверхностной индикатрисах рассеяния. В предлагаемом способе для решения этой задачи предложено учесть угловую зависимость направленно-полусферической пропускательной способности путем соответствующих измерений с использованием интегрирующей сферы, что снижает погрешности в определении коэффициентов поглощения и диффузии излучения, связанные с неадекватностью теоретической модели и реальных условий эксперимента. 1 ил.

ТоЛ|Цинл образцов, мм Р (L), Z

5,90 , ,91 5,91 5,9 5,92 9. О 10,02 10,02 10,0 10,02 1,59 1,48 1,49 1.57 1 i К 0,718 0,h68-0,M8 0,674 0,667

Угловую зависимость U((i) определяют для образца толщиной 3,95 мм. Измерения осуществляют путем поочередной регистрации сигналов с приемника: сигнала I,,, пропорционального на правлен но-гюл у сферической пропускательной способности Рм при данном угле падения в,, и сигнала „, пропорционального нормально-полусферической пропускательной способности Р„ при нормальном падении излучения на образец.

Углы падения на образец 6,-arccosji,

(i,)) имели значения 0, 10, 20 80,

88°. Диаметр пучка, используемого в измерениях гелий-неонового лазера ЛГ-126, составлял 4,5 мм. В центре образца выбирают гипотетический прямоугольник размером 4,5 мм в высоту и 9 мм в ширину. При углах меньше 60° измерения для определения U (ц) проводят при горизонтальном сканировании луча вдоль этого прямоугольника. При углах падения больше 60° для сохранения горизонтального размера 9 мм используют линзу и сканируют пучок в вертикальной плоскости. Величину U(u.) получают как

им.

Jti

Решение задачи методом наименьших квадратов состоит в нахождении таких параметров К и D, которые дают минимум функционала

F(K, D) (L,, К, D)-2PB(L)i и (ц) ц- dup

Определенную в эксперименте зависимость U (ju) удобно аппроксимировать кубическим полиномом. В результате обработки экспериментальных данных получена следующая полиномиальная зависимость

U (Ј) -0,04258ц3-|-0,188ц2+ | ,044ц-0,522,

тогда величина ()- ц- ,764.

0 Задлча нахождения К и D путем минимизации упомянутого функционала легко реализуется на ЭВМ. Для этих целей может быть использован, например, метод Пауэлла, симплекс-метод или метод скользящего допуска, которые не требуют вычисления производных. Проведенный расчет дал следующие значения:

, .8-in-3cv.

Полученные значения К и D имеют лишь погрешности, связанные с точностью изме- о рнтельной аппаратуры и разбросом экспериментальных данных вследствие неопнород- ности образцов. При их вычислении не возникает ошибок, связанных с заданием практически никогда неизвестной индикатрисы объемного и поверхностного рассеяния.

5

Формула изобретения

Способ определения коэффициента поглощения и коэффициента диффузии излучения в твердых слабопоглощающих снлыю0 рассеивающих материалах, заключающийся в том, что направляют на образец мате риала толщиной L излучение, измеряют с использованием интегрирующей сферы сигнал I,, пропорциональный нормально-полусферической пропускательной способности Рп образца, повторяют указанные операции для N образцов материала различной толщины, рассчитывают нормально-полусферические проиускательные способности Р„(1,1. i . U i-i, . N. и вычисляют коэф

) К поглопи-ннн и коэффициент О дифф) ши ииунмни1 в исследуемом материале, оиачающш и ч тем, что, с целью повышения точности определения коэффициентов поглощения м дифф чин излучения, дополнительно направляют на один из об5 ралюв излечение чод . .чм arccosp.(0 ) относительно норм,:.in к поверхности, -HJ которую падает ии.чение, измеряют (. использованием тттрипч ющей сферы сигнал 1(ц), пропорциональный направленно- полусферической пропускательной способности, повторяют измерения для различных значений агссозц., причем площадь поверхности образца, освещенной падающим излучением, выбирают равной при всех значениях углов, определяют угловую зависимость U (fi) I (ц)/1„, рассчитывают двуполусферическую пропускательную способность PA(L, для всех образцов по соотношению P(L,) 2Pn(L,) и (() ц- d, , ..., N. а значения К и D вычисляют в результате минимизации функционала

F(K, D)(U К, D)-P,(L,)2 где Рл(Ь„ К, D) - теоретическая двуполу- сферическая пропускательная способность.