Способ измерения коэффициента поглощения света в прозрачных твердых телах

СО 1 ОЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 21/59, 2 ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ ЗОБРЕТЕН ЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ. КОМИТЕТ С ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКР(71) Институт прикладной физикиАН СССР(56),М. Назз. 1 Л.0 ачззо 1 с, Н,В.Козепзга 1 с, Ю.ВаЪзИп. Меазцгешеп оЕчег 11 1 ою аЬзогртхоп соеНсепг. Ьу1 азег са 1 огд шегч Арр 1 Орй, 1975,ч. 14, Р 5, р, 1122-1130.А, Ногйч 1 К, Н. БеИ 1 оззЬегя,РЬосоасопзйс йесЬпщце Ког йесегпппЕоргса 1 аЬзогЬсоп соеНхсепйз пзо 11 аз Арр 1 Орг, 1977, ч. 16, В 1,р. 101-107,(54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА В ПРОЗРАЧНЫХТВЕРДЫХ ТЕЛАХ, в котором воздействуютсветовым пучком на образец, преобразуют возбужденные светом акустические.801136605 колебания в электрические, измеряют амплитуду электрических колебаний, по которой судят о коэффициенте пог. - лощения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона измерений в сторону малых величин, световой пучок формируют с геометрией поперечного сечения, совпадающей с геометрией сечения образца плоскостью, ортогональной к направлению распространения пучка и с гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка, образец выбирают с неравными продольными и поперечными размерами и устанавливают свободно между обкладками емкостного датчика, воздействуют на образец однократным световым импульсом, а амплитуду электрических колебаний из- С меряют на частоте собственных акустических колебаний образца Ю=ч/2 Й, 8 где ч - скорость звука в образце, й - размер образца между обкладками датчика.113 бб 05 5 10 15 Чувствительность этого способа ограничена рассеянием света на неоднородностях внутри образца и поглощением световой энергии на поверхности образца.Наиболее. близким по технической сущности к изобретению является способ измерения коэффициента поглощения в прозрачных твердых телах, в котором 2 воздействуют световым пучком на образец, преобразуют возбужденные светом акустические колебания в электрические, измеряют амплитуду электрических колебаний, по которой судят о коэффициенте поглощения.Ограничение возможности измерения малых величин коэффициента поглощения в этом способе обусловлено тем, что в образце в одной, полосе частот, определяемой периодом следования воздействующих импульсов светового пучка, одновременно индуцируются как полезный. акустический сигнал, .так и паразитный, обусловленный поверхностным поглощением на входнбй и выходной гранях образца. При практической реализации способа при преобразовании акустического сигнала в электрический появляется электрический параэитный 4 сигнал, вызванный излучением, рассеянным на неоднородностях внутри образца. Частота повторения паразитных сигналов совпадает с частотой -повторения полезного сигнала, поэтому максимумы их частотных спектров совпадают, что делает практически невозможным выделение полезного сигнала по спектральным признакам, Выделение полезного сигнала в этом способе воз можно лишь по амплитудным различиям, а именно, при превышении амплитуды полезного сигнала над амплитудой паразитных, что и ограничивает диапазон 20 30 частоте собственных колебаний образ 35 40 50 Изобретение относится к области измерений оптических свойств твердых тел и может быть использовано для контроля оптических элементов, применяемых в квантовой электронике.Известен способ лазерной калориметрии, позволяющий измерять малые величины коэффициента поглощения и заключающийся в том, что термически изолированный исследуемый образец облучают мощным непрерывным световым пучком и измеряют изменение температуры образца, по которому и определяют коэффициент поглощения. измерения коэффициента поглощения состороны малых величин,Целью изобретения является расши"рение диапазона измерений коэффициента поглощЕния в сторону малых величин,Цель достигается тем, что в способе измерения коэффициента поглощениясвета в прозрачных твердых телах, вкотором воздействуют световым пучком на образец, преобразуют. возбужденныесветом акустические колебания в электрические, измеряют амплитуду электрических колебаний, по которой судят:о коэффициенте. поглощения, световойпучок формируют с геометрией поперечкого сечения, совпадающей с геометрией сечения образца плоскостью, орто гональной к .направлению распространения пучка и с гауссовым распреде" лением интенсивности в поперечномсечении пучка, образец выбирают снеравными продольными и поперечнымиразмерами и устанавливают свободно между обкладками емкостного датчика, воздействуют на образец однократным световым импульсом, а амплитудуэлектрических колебаний измеряют на ца Е = ч/2 д, где ч - скорость звукав образце,. Й -размер образца междуобкладками датчика.На чертеже изображена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа,Она содержит лазер 1, который работает в моноимпульсном режиме и формирует импульс длительностьюс 2 й/ч, где й - линейный размеробразца 2, установленного свободно(например, в,. мягкой тефлоновой прокладке 3) между обкладками емкостного датчика 4 акустического давления,ч - скорость звука в образце. С помощью диафрагмы и линз (на чертежене показаны) световой пучок лазера 1 формируют такой конфигурации, что егопоперечное сечение совпадает с сечением образца плоскостью, ортогональной к направлению распространенияпучка; при этом распределение интен"сивности в поперечном сечении пучка является гауссовым.Емкостный датчик 4 соединен с источником 5 постоянного напряжения и входным сопротивлением селективного усилителя б, выход которого соединенс измерителем 7, например осциллогС помощью емкостного датчика 4 полезные акустические колебания преобразуют в электрический сигнал, который имеет форму радиоимпульса с частотой заполнения Г. Ширина спектра этого импульса ЬЕ Е/Я определяется в основном добротностью акустического резонатора, Радиоимпульс усиливают селективным усилителем 6, который настраивают на резонансную частоту, Р = Е = ч/2 Й с с полосой пропускания ЬР = ЬЕ, и измеряют измерителем 7 . амплитуду А сигнала. Коэффициент поглощения Ы, материала образца определяют по формуле А Бя1 сГ з 113660рафом. Для измерения энергии, прошедшей через образец 2, за ним установлен измеритель 8 энергии лазерного излучения,5Для образца цилиндрической формыизлучение лазера формируют аксиальносимметричным с диаметром, равным ди-.аметру образца. При прохождении этогосветового пучка через образец часть.энергии импульса поглощается в объемеи на поверхностях образца, часть рассеивается на неоднородностях образца,остальная часть проходит через образец на вход измерителя 8 энергии.лазерного излучения.Поглощение световой энергии в объеме образца приводит к возникновениюв материале образца термоупругих напряжений, индуцирующих акустическиеколебания в объеме образца между егоосью симметрии и боковой поверхностью.Частота этих акустических колебанийопределяется поперечными размерамиобразца. . 25Из-за поглощения некоторой частиэнергии светового пучка входной ивыходной гранями возникают акустические колебания, частота которыхопределяется продольными размерами 30образца.Изобретение направлено на измерение коэффициента поглощения материала образца,.т.е. объемного коэффи"циента поглощения, поэтому полезныйсигнал в данном случае связан с акус"тическими колебаниями между осьюсимметрии образца и его боковой поверхностью. Амплитуда А этих акустических колебаний, обусловленных 40объемным поглощением светового пучка,пропорциональна коэффициенту Ы поглощения света: нальной к направлению распространения, в образце возникают резонансныеакустические колебания, форма которыхблизка к синусоидальной. При этомчастота возникающйх синусоидальныхколебаний Г определяется диаметромобразца Й и: скоростью ч звука внем Е = ч/2 Й, а число периодов - добротностью акустического резонатора,которым является сам образец. Благо-,даря свободной установке образца между обкладками емкостного датчика 4,образец не имеет механического контакта с обкладками датчика. Это обеспечивает высокую добротность Я акустического резонатора (Я - 10), поскольку с этом случае происходит хорошее отражение .звуковых колебаний на.границе образец-воздух (образец-тефлон) за счет большого различия величины скорости звука в твердотельномобразце.и в воздухе (тефлоне).где Б - сечение светового пучка;Ч - энергия оптического излучеония, прошедшая через образец;Г - коэффициент Грюнайэена материала образца;1 с - общий коэффициент усиленияэлектрической части устройства.ЯПри совпадении геометрий 1 йоперечного сечения пучка.с геометрией образца в плоскости сечения, ортого 45 Вьщеление акустических колебанийс частотой Еч/2 й и с полосой6 ГЮ/Я позволяет в Я раз уменьшитьвлияние на измеряемую величину паразитного сигнала, обусловленного рас сеянием на неоднородностях внутриобразца, поскольку ширина спектраэтого паразитного сигнала ЬЕ совРпадает с шириной спектра воздейству"ющего светового импульса, т.е.55 дй 1/С, а отношение ширины полосыЬЕ к ширине полосы полезного акустического сигнала ЬГ пропорциональновеличине добротности Я акустическогорезонатора11 одписноного комитета СССРний и открытийРаушская наб., д Заказ 3985/1 Тираж 776 НИИПИ Государстве по делам изобрет 35, Москва, Ж, 4/5 зводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 П Следовательно, амплитуда паразит- ного сигнала, обусловленного рассеянием на неоднородностях в образце, в полосе частот полезного сигнала в Ц раз меньше полной амплитуды паразитного сигнала. 10Кроме того, выделение резонансных акустических колебаний на частоте ч/24 позволяет избавиться от акустических колебаний, вызванных поверхностным поглощением на входной и вы Б ходной гранях образца, поскольку их частота Е определяется продольным размером образца 1 Ц = ч/2 1) и при .1 Ф а, КЮ.Таким образом, формирование свето вого пучка с геометрией поперечного сечения, совпадающей с геометрией образца в плоскости сечения, артогональной к направлению распроетране" ния пучка, выбор образца с неравными 25 продольными и поперечными размерами,едактор П, Горькова Техред В,Кадар 5 6свободная установка его между обкладками емкостного датчика и выделение при этом акустических резонансных колебаний на частоте ч/2 е позволяет расширить в сторону малых величин диапазон .измерения коэффициента поглощения в Ц раз по сравнению с известными способами.Так, для используемых на практике образцов величина добротности Я при5 характерных значениях ч/2 й = 2,510 с составляет 10 ф - 10 , что позво" ляет измерить минимальную величину коэффициента поглощения 10 см-10 ф см(для .образцов с площадью поперечного сечения 1 см и при энергии в воздействующем лазерном импульсе 10 Дж).Изобретение позволяет также измерять коэффициент поверхностного поглощения путем выделения акустических колебаний на частоте