Способ определения теплофизических и упругих параметров твердых материалов Советский патент 1993 года по МПК G01B9/27 G01N25/18 

Изобретение относится к оптике, а именно к способам регистрации теплофизи- ческих и упругих параметров твердых материалов, и может быть использовано для исследования пространственного распределения локальных параметров материалов.

Цель изобретения - обеспечение возможности регистрации пространственного распределения локальной термоупругой деформации независимо от рельефа исследуемой поверхности.

Указанная цель достигается путем сканирования по поверхности образца модулированным тепловым излучением, преобразования вторичного оптического излучения в электрический сигнал и выделения из него временной составляющей термоупругой деформации, по которой судят о

теплофизических и упругих параметрах ма- териала.

- Новым является то, что до воздействия на образец модулированным тепловым излучением регистрируют голограмму поверхности образца, формируют голо- графическую интерферограмму в реальном времени одновременно с воздействием модулированным тепловым излучением, преобразованием вторичного оптического сигнала в электрический сигнал, компенсируют фоновую засветку, производят выделение временной составляющей электрического сигнала с частотой, совпадающей с частотой модулированного теплового излучения.

Указанная цель достигается тем, что устраняется влияние рельефа поверхности на параметры регистрируемого сигнала. Для этого до воздействия модулированным тепловым излучением производится запись го00 О СП

го

00

лограммы поверхности образца, что позволяет запомнить рельеф всей исследуемой поверхности. Затем, подавая одновременно модулированное тепловое, излучение на заданную область поверхности и предмет- ный и опорный пучки света на голограмму, мы получим за голограммой две волны, которые когерентны и интерферируют между собой. Появившаяся термоупругая деформация в области локального нагрева приво- дит к фазовым искажениям отраженного ею предметного пучка света.

Данный процесс приводит к изменению интерференционной картины, наблюдаемой за голограммой. Поскольку эти изменения связаны непосредственно с процессами, происходящими с поверхностью образца, то, регистрируя изменения в характере интерференционной картины, можно получить искомую информацию. По условию воздействие теплового излучения имеет временной характер, поэтому и ин. формация заключена во временных изменениях интерференционной картины. Поэтому достаточно проинтегрировать световой поток, прошедший через голограмму, преобразовать его в электрический сигнал и произвести выделение временной составляющей электрического сигнала, частота которого должна совпадать с частотной модулированного-теп- левого излучения.

В предлагаемом способе при воздействии модулированного теплового излучения на поверхность образца внутри материала возникает термоупругая деформация в об- ласти локального нагрева. Для получения пространственного распределения локальных параметров необходимо производить сканирование области локального нагрева образца. Однако теперь на величине регист- рируемой упругой деформации не будет сказываться влияние рельефа поверхности (шероховатость, многослойность), т.к. произведена компенсация этой составляющей путем предварительного запоминания рельефа поверхности образца. В нашем случае эту роль выполняет голограмма,

которая регистрирует результат интерференции предметного и опорного пучков света. Но так как искажения волнового фронта предметного пучка связаны с рельефом поверхности образца, то и голограмма зафиксирует рельеф поверхности образца в виде интерференционной картины. Теперь при сканировании области ло- кального нагрева образца происходящие искажения волнового фронта предметного пучка света будут связаны только с величиной термоупругой деформации и не зависят от расположения данной области, на которую в данный момент падает тепловое излучение. Сказанное справедливо для всей поверхности образца, на которую постоянно подается предметный пучок света. Таким образом обеспечивается регистрация пространственного распределения локальной термоупругой деформации независимо от рельефа исследуемой поверхности.

На чертеже представлена схема осуществления данного способа, где 1 - источник теплового излучения, 2.- модулятор, 3 - устройство сканирования теплового излучения, 4 - образец, 5 - регистратор оптического сигнала (одиночный фотодиод), б - селективный усилитель, 7 - регистратор электрических сигналов, 8 - синхрогенера- тор, 9 - лазер, 10 - светоделитель, 11 - фоточувс твительный материал,, 12 - линзы, 13 - коллиматор, 14 - зеркала, 15 - собирающая линза,

Измерения данным способом осуществляются следующим образом. С помощью лазера 9, светоделителя 10, коллиматора 13, линзы 12 и зеркала 14 производится запись голограммы поверхности образца 4 на фоточувствительном материале 11. Затем через полученную и проявленную голограмму пропускают предметный и опорный пучки света. Одновременно с этим процессом происходит подача модулированного теплового излучения от источника 1 на исследуемую область образца 4. В результате модулированного теплового воздействия происходит деформация локальной области образца. Так как деформация имеет временной характер, то предметный луч,.отраженный от поверхности образца и прошедший через голограмму, имеет модуляционную составляющую. Интегральный поток, собранный линзой 15 и имеющий в своем составе модуляционную составляющую, преобразуется в электрический сигнал на фотоприемнике 5. Из полученного электрического сигнала селективный усилитель 6 выделяет временную составляющую заданной частоты. Для реги- страции амплитуды и фазы электрического сигнала модулятор 2 синхронизируется с регистратором электрических сигналов 7 через синхронизатор 8. Перемещая область разогрева с помощью устройства 3, мы получаем пространственную картину изменения локальных теплофизических и упругих характеристик образца.

Для экспериментальной проверки способа была использована установка гологра- фического интерферометра реального времени. Источником света служил гелий- неоновый лазер Л Г-207 мощностью 1,5 мВт, работающий в одномодовом режиме. За-° пись голограммы состояния поверхности

и

1 40

Использование: определение тепло- физических и упругих параметров твердотельных материалов, Сущность: способ определения предусматривает применение голографической интерферометрии в реальном времени. Теплофизические и упругие параметры определяют из эмпирической зависимости, используя временные изменения отдельных участков интерференционной картины. 1 ил.