Способ измерения показателя поглощения Советский патент 1986 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к техничес кой физике. Оно может быть использо вано при отработке технологии выращивания совершенных высокопрозрачны кристаллов, при дефектоскопии загот БОК и силовых элементов, используемых в лазерной технике, при физичес ких исследованиях, направленных на выяснение различных механизмов слабого объемного поглощения. Известны способы измерения показателей поглощения К основанные на лазерном нагреве прозрачных объектов. Измерение показателя поглощения осуществляют следующим образом: поток монохроматического излучения лазера попадает на исследуемый образец, изготовленный в виде цилиндр с полированными торцами и установленный так, чтобы ось цилиндра совпадала с направлением пучка. С помощью датчика контроля разности тем ператур осуществляется отсчет приращения температуры измеряемого образца бтносительно образца сравнения, не подвергающегося воздействию лазерного излучения. Одновременно измеряется мощность лазера. Используя значения приращения температуры времени воздействия лазера, его мощ ности и табичные константы материала, определяют показатель поглощени Однако для измерения требуется изготовить специальные образцы, как правило, строгой цилиндрической фор мы с высококачественной поверхностью Известные способы позволяют измерят только интегральное значение показа теля поглощения. Кроме того, извест ные способы, в которых используется лазерньй нагрев, - это контактные способы, где показания регистраторов в сильной мере зависят от качес ва контакта датчика с поверхностью образца и степени облученности датчиков рассеянным лазерным излучение Наиболее близким по технической сущности к данному способу является способ, включающий лазерный нагрев образцов V Недостатком известного способа является низкая чувствительность при измерении поглощения в кристаллах кубической сингонии. Целью изобретения является повышение чувствительности при измерении локального поглощения в кристаллах кубической сингонии. 12 Поставленная цель достигается тем, что перпендикулярно поверхности плоскопараллельной пластины, выполненной так, что поверхность пластины параллельна одной из плоскостей симметрии, например выколотой по плоскости спайности, в частности (100), пропускают возбуждающий термоупругие напряжения лазерный луч и одновременно измеряют линейную часть приращения разности хода с помощью луча монохроматизированного излучения, пропускаемого параллельно возбуждаемому лучу так, что прямая, проходящая через точки пересечения лучей с пластиной, параллельна направлению 100 или «i110 , и определяют показатель поглощения К по следующей формуле: а id NEoiC где Г - линейная часть приращения разности хода; i - время нарастания линейной части приращения; о - толщина пластины; N - мощность лазера; Е - значение модуля Юнга для направления прямой, проходящей через оба луча; oL - коэффициент линейного рас ширения; у - удельная объемная теплоемкость;С - фотоупругая константа, соответствующая комбинации направлений действия напряжений по прямой, соединяющей лучи, и направления наблюдения, перпендикулярного поверхности; f - расстояние между лучами. Данный способ измерения показателя поглощения, включающий лазерный нагрев, основан на эффекте локального наведения оптического анизотропии в плоскопараллельных пластинах кристаллов кубической сингонии при прохоткдении лазерного излучения мощностью от одного ватта до нескольких десятков ватт, возбуждающего в месте воздействия упругие термонапряжения, величина которых убывает от места воздействия по закону 1/г - Компоненты напряжения, как известно, образуют тензор второго ранга. Они зависят от направления температурного градиента в пластине, в результате которого возникают термонапряжения, и от кри таллографической ориентации плоскопараллельной пластины, на которой производят измерения. Поэтому, чтобы существенно упростить обработку реэулътатов измерения и повысить точность измерений, необходимо использовать наиболее удобные и простые кристаллографические ориентации для изготовления пластин.-Наиболее удобной ориентацией будет, когда поверхность пластины параллельна плоскости симметрии (100). У многих прак тически важных кристаллов эта плоскость является плоскостью спайности шо которой легко выкалываются пласти ны, при этой ориентации измеряют сво ства кристаллов, которые описываются тензорными компонентами, например упругие свойства, в частности модул Юнга, связьгоающий неоднородные дефор мации, возникакнцие в процессе локаль ного нагрева с напряжениями. Можно показать, что разность радиальных (if и тангенциальных (jg напряжений, возникакяцих в направлениях 100 и 110 при кратковременном локальном нагреве пластины, ориентированной в плоскости (100), определя ется формулой: мощность лазера; время воздействия; коэффициент линейного расширения;модуль Юнга для направления градиента температур; удельная теплоемкость; показатель поглощения; расстояние от места воздействияПод действием напряжений в пластине наводится двупреломление (в напряженных образцах оно существует и до воздействия, неоднородно распределяясь по площади Ш1астины. По линейному превращению величины разности хода Г можно оп1ределить разность (( С - фотоупругая константа; Л - толщина пластины. Величина приращения разности хода, характеризующая наводимое лазером двупреломление, возрастает линейно до того момента, когда тепло от места воздействия возбуждающего лазера доходит до места, где измеряется двупреломление. Величина линейного участка приращения разности хода зависит как от коэффициента теплопроводности (он у кристаллов разного состава может отличаться в десятки раз), так и от расстояния от места воздействия до точки измерения приращения разности хода. Фотоупругая константа С , как и модуль Юнга, является анизотропной величиной, причем для некоторых кристаллов эта анизотропия очень велика. Константа С определяется одним или комбинацией нескольких пъезооптических коэффициентов и зависит от условий измерения двупреломления, т.е. от направления напряжений и направления измерения приращения разности хода. В случае измерений вдоль оси четвертого порядка (перпендикулярно пластине) и напряжений, действующих вдоль направления 100 , эти соотношения самые простые: - . . ,-4. V 100 T iib показатель преломления; пъезооптические коэффиц11енты), (а при напряжениях, воздействующих в /00. - направлении 110 2 ,- V I много ёольДля многих кристаллов ... ше разности ( и,, - 1Цг ) И поэтому несмотря на то, что выгодно Измерять приращение разности хода в точке, лежащей на прямой, па- : раллельной направлению ;110 пластины и проходящей через место воздействия возбуждающего лазерного луча,Измерение линейного приращения разности хода производят с помощью монохроматизированного излучения. Монохроматизация необходима для повышения точности измерения. При этом для измерения должен использоваться луч значительно меньшей мощности, чем мощность возбуждающего лазера (в противном лучае он будет приводить к значительным погрешностям в определении К из-за собственного теплового воздействия на кристалл). Этот луч одновременно и параллельно возбуждающему лучу пропускается через пластинку, используя условия, оговоренные вьше. Линейное приращения по времени несколько секунд и регистрируется автоматически фотоэлектрическим поляризационным устройством, использующим монохром,атизированный луч в координатах приращения двупре ломления - время, Один из вариантов такого устройства, описан ниже. Расчет показателя поглощения производят по формуле: а NEoiC являющейся следствием формул (1) и (2). На фиг. 1 изображено устройство для осуществления предлагаемого способаi на фиг. 2 показана зависимость разности хода Г от времени. Устройство содержит лампу накаливания 1, светофильтр 2, поляризатор 3, клин-компенсатор 4, первое плоское зеркало 5, кристалл 6, второе плоское зеркало 7, анализатор 8, фотодетектор 9, первый катодный повторитель 10, селективный усилитель 11, второй катодный повторитель 12, самописец 13,, шамотный кирпич 14, полевую диафрагму 15, лазер 16, зеркальную металлическую заслонку 17 и калориметр 18. Устройство работает следующим образом. Тепловое возбуждение крисг талла 6 производилось с помощью лазера ЛГ-22 луч которого вводился и выводился из полярископа плоскими зеркалами 5 и 7. Мощность пазера измерялась калориметром 18. До и йосле измерения К лазерный луч направлялся зеркальной металлической за лонкой 17. При измерении к луч поглощался кусочком шамотного кирпича 1 Для измерения наводимой разности хода использовали схему фотоэлектричес кого полярископа с вращающимся анали затором, позволяющим проводить бьютрую линейную регистрацию небольщих разностей хода,- В качестве осветителя применяли лампу накаливания СП-62 Светофильтр 2 состоял из пластинки просветленного германия и пластинки тонкого плексигласа. Такой светофиль имеет максимум пропускания у 1,9 мкм что позволяет эффективно проводить измерения кристаллов, которые заметно рассеивают и деполяризуют проходящее излучение поверхностными или объемными дефектами в видимой области спектра. Функции поляризатора 3 и анализатора 8 исполняли инфракрасные дихроичные пленки. Анализатор вращался от синхронного электродвигателя посредством шкивов и резинового пасика. Перестраиваемая четвертьволновая кварцевая пластинка 4, изготовленная по типу компенсатора Солейля, была установлена в диагональное положение по отношению к поляризатору, причем оба элемента могли синхронно поворачиваться вокруг оси прибора. Последнее необходимо при исследования напряженных кристаллов. При наличии напряжений в кристалле перестариваемую пластинку устанавливали так, чтобы Главные направления, например быстрые оси, пластинки и исследуемого места совпадали (при этом разности хода элементов арифметически суммировали) . Затем, изменяя разность хода пластинки, добивались положения, при котором отсутствовала модуляция излучения на удвоенной частоте вращения анализатора. При такой настройке перестариваемая пластинка и кристалл суммарно выполняли роль четвертьволновой фазовой пластинки. В качестве фотодетектора 9 использовали неохлаждаемое сернисто-свинцовое фотосопротивление AI1-04 с приемной площадкой 0,6 X 0,4 мм. Полевая диафрагма 15 диаметром 1 мм позволила проводить измерения при достаточно высокой чувствительности, не прибегая к помощи элементов в осветительной и регистрирующей частях полярископа. Измерительная часть полярископа состояла из селективного усилителя У2-6, настроенного на удвоенную частоту вращения анализатора, и потенциометра КСП-4 (13), а также двух катодных повторителей 10 и 12, согласующих фотодетектор с усилителем и усилитель с самописцем. На описанном устройстве были проведены измерения показателя -поглощения в различных кристаллах, отличающихся, как чистотой, так и состоянием поверхности. Опробованы кристаллы КС1, NaCl, , KRS-6, AgCl, BaFj. Bo всех кристаллах измеренные величины превосходили пороговые. Па фиг. 2 изображены кривые FCt:), полученные при измерении К в двух точках пластинки КС1 толщиной 9 мм

(кривые 1 и l), ив пластинке BaFj толщиной 1 мм (кривая 2.). Показатели поглощения соответственно были равны ; 7 . 1СГ- 0,08 см

Пороговые значения К , измеряемые по данному способу, зависят от нескольких причин, причем как аппаратурных, так и обусловленных свойствами кристаллов. Аппаратурными факторами являются предельная чувствительность полярископа и мощность лазера. Наиболее важными кристаллическими константами, влияющихми на чувствительность метода, можно считать константу и коэффициент теплопроводности. Как отмечалось вьше, пороговая чувствительность понижается из-за загрязнения поверхности.

Измеряемые образцы, как правило, содержат включения. Если размер включений много меньше диаметра лазерного пучка, то каждое включение становится локальным поглотителем излучения, отдающим тепло матрице, и одновременно является источником напряжений. Поля напряжений от таких источников практически затухают на расстояниях, меньших 200 мкм, не соизмеримых с расстоянием от места воздействия до места измерения. Кроме

того, формирование поля напряжения вокруг включения происходит за очень короткое время и поэтому не влияет на измеряемый наклон кривой Г (f) . Таким образом, двупреломление, наводимое в высокопрозрачных образцах с малым содержанием включений, на больших расстояниях от места воздействия лазерного пучка практически не зависит от поля напряжения отдельных включений и определяется суммарной мощностью, поглощаемой матрицей и включениями, т.е. эффективным значением коэффициента поглощения образца.

Данный способ пригоден для контроля качества готовых элементов, применением также для совершенствования и уточнения технологии вьфащивания кристаллов высокой прозрачности и обработки изделий из них. Способ позволяет существенно повысить надежность работы комплексов, включающих элементы силовой оптики, а также избежать изготовления дорогостоящих специальных образцов, что существенно удешевляет контрольные операции

при усовершенствовании технологии 1выращивания и обработки кристаллов.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ, включающий лазерный нагрев прозрачных объектов, о т л ичающийся тем, что, с целью повьппения чувствительности при изменении локального поглощения в крис- Злахкубической сингонии,. перпенулярно поверхности плоскопаральной пластины, выполненной так, поверхность пластины параллельна одной из плоскостей симметрии, например

1

If

иг.1