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

Изобретение относится к измерительной технике. Оно может быть использовано для контроля качества, прозрачных оптически изотропных материалов, таких как стекла, керамика, кристаллы кубической сингонии а также при производстве оптических элементов из этих материалов, например элементов силовой оптики. Известен способ измерения показателя поглощения, основанньй на калориметрическом эффекте. В данном способе через цилиндрический образец или круглзгю пластину непрерывно пропускают Лазерныйлуч мощностью от нескольких ватт до нескольких десятков ватт. Этот луч нагревает образец за счет частичного поглощения излучен11я лазера, и происходит повышение температуры образца. Измеряя приращение поверхностной температуры и используя- данные о теплоемкости образца и постоянной времени остывания, определяют показатель поглощения. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения показателя поглощения, включающий пропускание лазерного через изотропную плоскопараллельную пластину нормаль но к ее .поверхности. . Этот способ основан на измерения поверхностной температуры, в резуль тате чего возникают большие погрешности, обусловленные недостаточным тепловым контактом термометра с поверхностью пластины и значительным поверхностным теплоотводом. Кроме того, в этом методе можно реализовать только интег1зальные измерения показателя поглощения, причем одно измерение занимает значительное вре мя (несколько минут). Целью изобретения является повьш1 ние точности, чувствительности и быстродействия. Указанная цель достигается тем, что в известном способе измерения показателя поглощения, вклк чающем про-50

пускание лазерного луча через изотропную плоскопараллельную пластину нормально к ее поверхности, пластинку подвергают одноосному нагружению и синхронно с воздействием лазера измеряют угол поворота главных направлений в точке, расположенной на прямой, проходящей через место возки результатов место для измерения угла поворота главйых направлений индикатриссы выбирают на прямой, проходящей через место лазерйого 55 воздействия 3 и составляющей угол с направлением внешнего мехагнического воздействия. По величинам внешней нагрузки, угла поворота. 9 действия лазера и составляющей угол 45° с направлением нагружения, и определяют показатель поглощения по следующей формуле: Kxet3 NokEt . . где 0 - величина напряжений, обусловленная внешней нагрузкой; Э - угол поворота главных направлений под действием лазера; Е - модуль Юнга; d - коэффициент линейного расширения;t - удельная объемная теплоемкость;г - расстояние между местом лазерного воздействия и местом измерения; N - мощность лазера; t - время с начала воздействия лазера. На чертеже приняты следующие обозначения:. F - внешняя нагрузка, г - расстояние между местом лазерного воздействия и местом измерения; f - угол наблюдения, изотропная пластинка 1,место 2 измерения, место 3 лазерного воздействия, пластины 4. Способ состоит из 4 операций. К боковьм торцам изхэтропной пластины 1 прикладьюаюТ через пластины 4 внешнюю нагрузку F, создающую одноосное напряжение, величина которого изменяется в зависимости от свойств измеряемой изотропной пластины от 0,1 до 0,3 кг/см. Не снимая внешней нагрузки, через изотропную пластину 1 нормально к ее поверхности в точке 3 пропускают лазерный луч. На расстоянии г от места лазерного воздействия (около 1 см) синхронно с воздействием измеряют угол поворота Главных направлений индикатриссы, используя визуальные или фотоэлектрические методы регистрации изоклин. Для повьшения чувствительности и существенного упрощения пocJieдyющeй математической обработмощности лазера определяют локальные значения для показателя поглощения, характеризующие свойства в местах воздействия лазера. При первой операции - приложеНИИ одноосной нагрузки к боковым торцам изотропной пластины 1 - в ней возникает одноосное напряженно состояние, которое, будучи приведе ным к главным осям, описывается тензором второго ранга: . гв о 01 6,j) 00 о . о о о1 гр где б -j- F - внешняя нагрузка; S - площадь, к которой приложена внешняя нагрузка. Не снимая внещней нагрузки F, через изотропнзж) пластину 1 пропус кают лазерный луч-; под действием которого в ней (в результате локал ного нагрева) дополнительно наводя ся термические упругие напряжения, которые можно описать с помощью ра диальной 6f, и тангендаальной& .со тавляющих. Наведенные лазером нйпр жения в произвольной точке плаётины описываются тензором, который после приведения к координатным , осям первого тензора имеет вид: f(6rCosV &tSmv)(er-Str)Sm24 (бг-бг)5-,ьгч c6rSinV6cosV 00 . в результате сложения напряжений о внешней нагрузки с термонапряжения в-пластине 1 возникает плоское напряженное состояние, которое описы вается тензором: r(6 erCe«V etV4 V5(ep-8t «ln7y о Г(б вгСв« ijbU:(6r8t ;tinl4 (cSin-f + erCe) о I . о оо . OJ, в общем случае главные оси суммарного тензора &( не совпадают с главными осями тензора t6rj3 Угол, на который повернулись глав ные оси эллипсоида напряжений посл лазерного воздействия на пластину 1, описываешься-выражением: (6г - e-J-) Sin 1 f 6+(6t - б7-)со5гМ Если для регистрации угла поворота выбрать точки 2, лежащие на прямой, проходящей через место 3 воздействия лазера под углом V 45 к направлению нагр5 ения F, то ,формула ( упрощается и принимает следующий вид: (вг -&t) t 1Э С5) Упругие напряжения являются источником оптической анизотропии в аморфных и оптически изотропных объектах - кристаллах кубической сингонии. Наведенную оптическую анизотропию легко выявлять в поляризованном свете по интерференционным картинам, которые наблюдают или визуализируют с помощью полярископов. При работе с линейным скрещенным полярископом минимальная яркость точки в интересующем нас месте ин- терференционной картин, в частности, соответствует положению, при котором направление максимального пропускания поляризатора параллельно одному из главных направлений, например направлению быстрой оси. В оптически изо1ропных материалах (стеклах, керамике, а также в кристаллических пластинах, вырезанных определенным образом) главные направления индикатриссы совпадают с главными осями тензора напряжений. Это свойство используется в предложенном способе в операций измерения угла поворота главных осей тензора напряжений. В зависимости от используемого способа регистрации оптической анизотропии угол поворота р (а он изменяется во времени по мере воздействия лазера) может измеряться или визуализироваться с применением полутеневых устройств, или фотоэлектрически, например в полярископах с вращающимся анализатором, путем автоматической регистрации фазы модулированного сигнала на ленте самописца. Используя вьфажение для радиальных 6 i, и тангенциальных 6 составляющих напряжений, возникающих при лазерном воздействии на прозрачные объекты,,

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ, включающий пропускание . лазерного пучка через изотропную плоскопараллельную пластину нормально к ее поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, чувствительности и быстродействия, пластину подвергают одноосному нагружению и синхронно с воздействием лазера измеряют угол поворота главных направлений в точке, расположенной на прямой, проходящей через место воздействия лазера и составляющей угол 45* с направлением нагружения, и определяют показа- т^ель поглощения по формуле:TTt'^'V•^^^t^^PiT^rrr'где б - величина напряжений, обусловленная внешней нагрузкой }^^ - угол поворота главных направлений под действием лазера; Е - модуль Юнга; <^ - коэффициент линейного расширения;'У - удельная объемная теплоемкость;г - расстояние между местом лазерного воздействия и местом измерения;N - мо!дность лазера;t - время с начала воздействия лазера.iСЛ•vjсоСЛСЛсо