Способ определения неоднородности пространственного распределения оптического поглощения Советский патент 1992 года по МПК G01J5/00 

Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано для измерения неоднородности пространственного распределения поглощения в материалах и покрытиях, Оно может быть применено при контроле примесного состава ияи структуры оптических материалов.

Один из способов, применяемых для определения пространственного распределения коэффициента оптического поглощения в образце, реализован в микрофотометре, который предназначен для измерения с высоким разрешением плотности почернения фотоэмульсии в различных ее участках. Суть способа состоит в следующем. Излучение

источника фокусируется на фотоэмульсию и после прохождения через нее с помощью оптической системы попадает на фотоприемник. При этом разность почернений двух фотометрируемых участков равна логарифму отношения сигналов на фотоприемнике, регистрируемых при различных положениях образца. Этот способ обеспечивает высокое пространственное разрешение при измерении коэффициентов поглощения в пленках, однако, не может быть использован в случаях, когда коэффициент поглощения в исследуемом образце составляет менее 1 %.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ изVIVI

О

VI VI

00

мерения пространственного распределения оптического поглощения, основанный на регистрации изменения интегрального потока теплового излучения от образца при его нагреве периодически следующими им- пульсами лазерного излучения. В этом способе образец облучают периодически следующими импульсами лазерного излучения и регистрируют тепловое излучение с поверхности исследуемого образца посред- ством приемника ИК-излучения, для увеличения поля зрения которого применяют объектив. Таким способом удается измерять показатели поглощения в объеме материалов КГ.-КГ6 см и коэффициенты поглощения в покрытиях вплоть до ... . Использование линзы для фокусировки лазерного излучения позволяет достичь высокого пространственного разрешения при определении коэффициен- тов поглощения в образцах. При этом для получения данных о пространственном распределении оптического поглощения в материалах и покрытиях достаточно провести измерения в различных местах образца. Од- нако, данный способ не позволяет измерять разность коэффициентов поглощения, когда она оказывается меньше погрешности отдельного измерения коэффициента поглощения { 11 %).

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений неоднородности пространственного распределения оптического поглощения материалов и покрытий.

На чертеже приведена схема измерений.

Сущность способа состоит в том, что о неоднородности распределения оптического поглощения в образце 1 из полупрозрач- ных материалов цилиндрической формы судят посредством сравнения теплового излучения 3 от областей образца, последовательно облучаемых непрерывным лазерным излучением 2, при вращении образца вок- руг его оси с частотой f, лежащей в пределах a/R , где а - температуропроводность образца, R - расстояние от оси вращения до оси нагретой области, d - диаметр лазерного луча на поверхности образца.

Лазерное излучение, частично поглощаясь, вызывает нагрев его поверхности, причем тем более существенный, чем больше коэффициент поглощения. Соответственно области образца с различным поглощением нагреваются за одинаковое время до различных температур в результате поочередного воздействия на них лазерного излучения. При этом величину неоднородности определяют по переменной составляющей сигнала теплового излучения, регистрируемой на частоте f ИК-приемником 4.

Условие для f связано с требованием необходимости полного охлаждения каждого участка поверхности образца за время до последующего воздействия на него в условиях периодического сканирования.

Сравним чувствительность при измерении неоднородности распределения оптического поглощения в образцах полупрозрачных материалов в заявляемом способе и прототипе. Естественно, сопоставление имеет смысл производить при одинаковых частотах модуляции, так как только при этом возможно исключить влияние собственных характеристик образцов и регистрирующей аппаратуры. Однако это не ограничивает общности сравнения.

Если считать, что используются однотипные лазеры, объективы, приемники теплового излучения и системы обработки электрических сигналов, то можно исходить из равенства минимальных значений Umin и Umin регистрируемых переменных составляющих теплового излучения в обоих рассматриваемых случаях, т.е.

Umin (1)

В прототипе

Umin К Р Omln (2)

где К - коэффициент, определяемый тепло- физическими характеристиками образца, его начальной температурой и регистрирующей аппаратурой;

Р - плотность мощности лазерного излучения;

2min - минимальный измеряемый коэффициент локального поглощения.

В заявляемом способе

Umin К Р ( CCi - 02 ) min , (3)

где «1 и «2 - предельные значения коэффициентов локального поглощения на участке сканирования;

(ori - о.2) минимальное регистрируемое значение неоднородности распределения поглощения в образце.

Сопоставляя (1), (2), (3), получаем;

(«1 - «2)mln «min

В то же время в прототипе

(4)

,„ „j У2мГ-«

(СЦ - GSJmln100 %

(5)

где д- относительная погрешность измерения локального поглощения, %.

а- локальное поглощение, большее из а иб«2.

Очевидно, в прототипе значение погрешности д - 11% приведено для , по крайней мере а 100 , , поскольку в расчет не принималась случайная ошибка, выражение (5) можно привести к следующему;

(а -aifan 15оып

Сопоставляя (4) и (6), приходим к выводу, что в заявляемом способе предельная чувствительность измерений по крайней мере на порядок выше, чем в прототипе.

В заявляемом способе выше и точность измерений. Действительно, относительная погрешность измерения неоднородности распределения оптического поглощения (т.е. величины а -аг )составляет 11%. В прототипе относительная погрешность 11 % характерна для каждой из величин о. и од . При этом относительная погрешность определения величины (оп - ccz) может оказаться больше в несколько раз.

П р и м е р 1. Производилось измерение неоднородности распределения оптического поглощения на длине волны 531 нм в цилиндрических образцах корунда, легированного ионами титана. Образец представлял собой шайбу диаметром 20 мм и толщиной 10 мм с оптическими поверхностями, перпендикулярными оси Z.

Он подвергался воздействию непрерывного излучения мощностью 1.8 Вт, диаметр пучка которого на поверхности образца составлял d 0,5 мм. Устройство перемещения, на котором укреплялся образец 1, приводило его во вращение с частотой f 2,7 Гц. Расстояние от оси вращения до центра нагретой области 7 мм. При этом условие a/R2 f a/d2 было выполнено (а -8,4 см2/с). Переменную составляющую теплового излучения от образца регистрировали с помощью пирометра, включающего германиевый объектив для ИК-излучения и пироприемник на основе танталата лития. Электрический сигнал с выхода пирометра подавали на вход селективного нановольтметра, настроенного на частоту f 2,7 Гц. Измеренный электрический сигнал составил 111 25мкВ.

Для определения абсолютной величины неоднородности пространственного распределения оптического поглощения

«max ПРОИЗВОДИЛИ калибровку С ПОМОЩЬЮ двух контрольных образцов, имею

щих известные коэффициенты поглощения «1 0,28 и 02 0,35 (образцы с разными концентрациями легирующей примеси титана). Контрольные кристаллы име5 ли форму в виде полуцилиндров, причем сжатые вместе по плоскости осевого сечения они представляли собой образец, размерь: которого соответствовали размерам исследуемого образца.

10 Составной контрольный образец приводился во вращение, причем ось вращения находилась в плоскости стыковки двух кристаллов, в центре цилиндра. Частота вращения f, а также параметры d и R

15 соответствовали аналогичным для исследуемого образца. Регистрируемая в этом случае селективным нановольтметром переменная составляющая на частоте f была равна U2 190 мкВ.

20Величину неоднородности распределения оптического поглощения а исследуемом образце вычисляли по формуле

25«max - «min («1 - Ой) jp К

Коэффициент К обусловлен различной формой сигналов и равен отношению коэффициентов при первом члене в разложении 30 Фурье. Поскольку сигнал от исследуемого образца близок к синусоиде с частотой f, a в случае калибровки является меандром с

4 частотой основной гармоники f, то К - .

Л 35Соответственно Omax - «min 0,01 ,

что для образца с а 0,55 означает неоднородность около 2%.

По результатам измерений удается судить о неравномерностях распределения в

40 образцах корунда легирующей примеси ионов титана.

П р и м е р 2. Производилось измерение неоднородности пространственного распределения оптического поглощения на

45 длине волны А 1,06 мкм в покрытиях окиси кремния с хромом на подложках из плавленого кварца (а « 8 -10 см2/с). Образцы представляли собой диски диаметром 70 мм и толщиной 3 мм.

50 Он подвергался воздействию непрерывного излучения мощностью 1 Вт, диаметр пучка которого на поверхности образца составлял d 0,5 мм. Образец приводили во вращение с частотой f 2,5 Гц.

55 Расстояние от оси вращения (центра диска) до центра нагретой области составляло 30 мм.

В условиях, аналогичных описанным в примере 1, производилась регистрация переменной части электрического сигнала на частоте,

Для проведения калибровки аналогичные измерения производились на диске, поверхность которого покрыта лишь наполовину пленкой с известным коэффициентом поглощения { ), причем ли- ния раздела напыленной и чистой поверхности проходит по диаметру поверхности диска. 8 этом случае регистрировался сигнал U2. Величина неоднородности распределения поглощения в исследуемом образце находилась по формуле:

Ml

U2

,2%

п

Получаемые в описанных измерениях результаты позволяют судить об однородности толщины наносимых на диск покрытий.

Формула изобретения Способ определения неоднородности пространственного распределения оптического поглощения в образцах полупрозрачных материалов цилиндрической формы, заключающийся в сравнении теплового излучения из областей образца, последовательно обяучаемых лазерным излучением, отличающийся тем, что, с

целью повышения чувствительности и точности измерений, образец приводят во вращение с частотой, лежащей в пределах a/R2 f a/d2, где а - температуропроводность образца, R - расстояние от оси

вращения до оси нагретой области, d - диаметр лазерного луча на поверхности образца, нагрев производят лазером непрерывного действия, а неоднородность определяют по переменной составляющей

сигнала излучения, регистрируемой на частоте f.

Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано для измерения неоднородности пространственного распределения поглощения в материалах и покрытиях. Оно может быть применено при контроле примесного состава или структуры оптических материалов Изобретение позволяет повысить чувствительность и точность измерений. Оно основано на сравнении теплового излучения из различных областей поверхности цилиндрического образца, последовательно облучаемых непрерывным лазерным излучением. Образец приводят во вращение с частотой, лежащей в пределах a/R2 f a/d2. где а - температуропроводность образца, R - расстояние от оси вращения до оси нагретой области d - диаметр лазерного луча на поверхности образца. При этом величину неоднородности распределения оптического поглощения определяют по переменной составляющей сигнала теплового излучения, регистрируемой на частоте f. 1 ил.

04