Способ определения коэффициента поглощения и коэффициента диффузии излучения в твердых слабопоглощающих сильнорассеивающих материалах

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 15679 191 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ЕЛЬСТВУ е схематически изобр существления способ лазера 1 посУе про и светофильтра 3 поп ластину 4. Большая ч т через пластину 4 и фна образце 6 или На ч ройство Излу модул ят делитель чения про ется лиажено уста.хождения адает на асть излу- окусиру- эталоне ртеждляениера 2 уюпходизой 5 ГОСУДАРСТ 8 ЕНКЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИ(71) Институт высоких температур АН СССР (72) С. С. Моисеев, В. А. Петров и С. В. Степанов(56) Цирлин Ю. А., Г 1 аргаманик Л. Э. и Дайч А. Р. Диффузия света в светорассеивающих средах. - Оптика. и спектроскопия, т. 12, 1962,2, с. 304 в 3.Бажин Н. М., Баранов Н. С. О применении уравнения диффузии к прохождению света через рассеивающую среду. - Оптика и спектроскоиия, т. 34, 1973,5, с. 963 - 969. Изобретение относится к техническои физике, точнее к исследованиям оптических свойств твердых слабопоглошающих сильнорассеиваюших материалов.Цель изобретения - повышение точности определения коэффициентов поглощения и диффузии изучения в слабопоглощающих твепдых материалах, особенно при отсутствии информации об объемной и поверхностной индикатрисах рассеяния. 51)5 С 01 Я 21 47, 21 59 2(54) СПОСОБ ОГРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА Г 1 ОГЛОЩЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ТВЕР ДЫХ СЛАБОПОГЛОЩАЮШИХ СИЛЬНО- РАССЕИВАЮЩИХ МАТЕРИАЛАХ (57) Изобретение относится к технической физике, точнее к исследованию оптических свойств твердых слабоиоглошающих сильнорассеиваюших материалов. Цель изобретения - повышение точности определения коэффициентов поглощения идиффузии излучения, особенно при отсутствии информации об объс мной и поверхностной индикатри. сах рассеяния. В предлагаемом способе для решен и я этой зада ч и предложено учесть угловую зависимость направленно-полусферической пропускатсльной способности путем соответствуюгцих измерений с использованием интегрирующей сферы, что снижает погрешности в определении коэффи. циентов поглощения и диффузии излучения, связанные с неадекватностью теоретической модели и реальных условий эксперимента.1 табл.ил. 7, установленных соответственно во входном и выходном отверстиях интегрирующей сферы 8. Фотоириемник 9, защищенный экраном 10, вырабатывает сигнал, усиливаемый усилителем 11. Отраженное от дели- тельной пластины 4 излмченис иоиадаст в сферуСигнал от ирис минка 3 усиливается усилителем4. Сиг палы с усилителей 14 ииоочс редно пзмеряюг цифровым вольтметром 15, который соединен с системой 6 сбора и обработки данных, включаюгцей крейт КАМА). ЭВМ. терминал и циф ропечатаюшее усгройство. Измерения для определения угловои зависимости проводят путем поворота сферы 8 вокруг ее вертикальной оси и соответствунгцего горизонтального смс щения сферы н плоскости перпендикулярной оптической оси.Для широкого класса полупрозрачных сильнордссчваощих слабопоглощаюцих материалов, таких как керамика, молочные стекла, порошки н т. л., выполняются усло. вия диффузионного прелела для слоя тол. шиной 1.:КО;. /О-Эся,гле К - коэффициент поглощения излучения в материале;0 - коэффициент лиффузии излучения.Эго означает, цто в глубине рассеивающей среды справеллив закон Фика лля диффузии излучения, связывающий объемные злотности потока и энергии излучения даже в тех случаях, когда уравнение переноса перестает работать.Для материалов с нерегулярной структу. рой (керамика, порошки, волокнистые мате. риалы и т.л.) при нахождении К и Р известными способами необходима лополнительная информация об индикатрисе объемного рассеяния и двунаправленных ралиационных характеристиках поверхности, Получение такой информации на основании геометрии и оптических свойств элементарных рассеивдтелей представляет собой сложную задацу н возможно лишь в исключительных случаях, когда сферические или цилиндрические рассеиватели удалены лруг от друга на расстояния существенно большие их размеров и длины волны. Введение же указанных величин в число неизвестных приведет к плохой обусловленности задачи и, как следствие, к погрешностям в опрелелении К и Р.Согласно преллагдемому способу прн диф. фузном освещении плоского слоя закон Фика становится справедливым всюду вплоть до границ. Это позволяет получить асимптотически строгие выражения лля лвуполусферической пропусидтельной способности слоя.Для получения надежных данных по коэффициентам К и Р используют данные для норм дл ьно-полусферической проп ускател ь. ной способности Ррдзнотолщинных образцов и результаты измерения при определении угловой зависимости(ц) направленно-иолу сферической пропускательной способности образца одной толщины. При этом величина .)нд самом деле представляет собой инликатрису пропускания образца. Тогда связь Р=1.3(р) Р., гле Р - лвуполусфернческая пропускательная способность, позволяет использовать для расчетов К и Р точные формулы для Ри избежать указан- и ых ош и бок.Кроме того, функция .3(р) не зависит ни от толщины, но от ралиуса образца, поэтому ее можно определять лишь лля образ. цд,одной толщины. Это существенно уменьшает объем экспериментальной работы и позволяет увеличить точность опрелеления К и Р. Способ осуществляют следующим образом.Измеряют значение нормально.полусфе.рических пропускательных способностей Р.(1.; набора образцов из Я толгцин 1.;(1= =1, 1 Ч) с использованием интегрирующей сферы. Затем для одного из образцов измеряют сигнал 1, пропорциональный направленно-полусферической и ропускательной способности при падении излучения пол углом 0 агссозр(О(р.Размеры образца и пучка излучениявыбирают из условий: мдлости бокового пропускания образца по сравнению с торцовым и 1./Р - +оо. Освещенная падающим 5 лазерным пучком часть торцовой поверхнос-ти образца (область засветки) при различных углах падения излучения должна быть олной и той же, Это достигается как за сцет сканирования пучка вдоль выбранной площадки (при малыхуглах падения), так и 0 за счет фокусировки пучка до нужных размеров с помощью линзы (при больших углах падения). Госле указанных угловых измерений определяют угловую зависимость 1/= 1/1, где 1 - сигнал, пропорциональный нормально-полусферической пропускательной способности Р лля данного образца.Рассчитывают двуполусферическую пропускдтельнук способность Р(1,) для всех образцов по соотношению Р(1,) =2 Р(1.,) 30 н (Р)11, 1=1, , В, после чего рассчитыфвают значения К и Р в результате минимизации функционалаГ(К, Р)=Х Р(1.;, К, Р) - Р(1.),з 5 где Р(1.К, Р) определяют на основанииизвестной формулы для теоретической двуполусферической пропускательной способноь тиРп(1. К Р)40ЗмфО е=/К/Р - коэффициент затуха ния;и - показатель преломления;г, (1= 1,2) - двуполусферицеские коэффициенты внутреннего отражения границ.Значение 1=относится к границе, накоторую падает излучение; 1=2к следуюгцей по ходу излучения границе.Примеры конкретного осуществления способа.При осуществлении способа лля иссле луемых образцов выполнялось условие диффуэион ного и релелаКР - тОР/1-+О1 57136) 1 олпээте и по группам Характеристика 1 2202 2,06 2 ,)6 2,06 21 1 390 395 4 07 4 07 4 07 Толщина оСраэцов, ммр (.)"..,91 5,91 1,46 1,с 9 5,90 1,59 Толщина обраэцон, мме (ь), 2 Угловую зависимость Б(р) определяют 20 для образца толщиной 3,95 мм. Измерения осуществляют путем поочередной регистрации сигналов с приемника: сигнала 1,пропорционального направленно-полусферической пропускательной способности Рпри лзнном угле падения Йи сигнала 1, пропорционального нормально-полусферической про.пускательной способности Рпри нормаль.ном паленпи излуцения на образец.Углы паления на образец Ч,г -- агссовр = 1,ГО) имели значения О, 10, 20, , 80, 88, Диаметр пучка, используемого в измерениях гелий-неонового лазера сГ в -126, составлял 4,5 мм. В центре образца выбирают гипотетический прямоугольник размером 4,5 мм в высоту и 9 мм в ширину. При углах меньше 60 измерения для опрелеления 1(р) проволят при горизонтальном сканировании луча вдоль этого прямоугольника.При углзх паления больше 60 лля сохрднения горизонтального размера 9 мм нсполь зуют линзу и сканируют пучок в вертикальной плоскости. Величину 11(1 получают кдк 40 формцла изс)с)ретения Способ определения коэффициента поглощения и коэффициента диффузии излучения в твердых слзбопоглощдквиих сильно- рассеивающих материалах, заклсочасоицайся в том, что направляют нд образец мате ризла толщиной 1 излучение, измеряют с использованием интегрпрук)исй сферы сигнал 1, пропорциональный нормально-плу.сферической пропускдтельной способности Р образцз, повторяют указанные операции для к( образцов материала различной тол.щипц, рассчитывают нс)рмзльно-полусфери.цсские пропускдтельнье способности Р,),ле 1 - .:1 к;, и выцсляют коэф фпии.н г К поглоп( ппя и коэффициен;17 диффузии пзлу и нн в нсснлуемом матердле. огличакнс(иссс.с тем, цто, с целью ПВЫШЕНИ тп ПОСтв с)1 Р(Д(5" ( ПИЯ КОЭффнЦп(1(Од ПС)ГЛОИЕП 1 с ДнффУЗИИ ИЗЛУЧЕНИЯ, Лоси)лпителрпо н;р;11116 т нд один из образцов 1.)лк 10110 по, у,. 1 м с)гссо 5 р(0( -1(.1) с)тсосительнс) нсрм 1.и к поверхнос. ги,.1 кторук) пздд(изд, пеппе, измеряк)т с 1 свод),.11)аи(м ите гр 1)х сосиеи сферь си.) (и) = -- .1)ц1,Решение задачи методом наименьшихквадратов состоит в нахожлении таких параметров К и ), которые дают минимумфункционалаг(К, В)=1 Р.(1-, К, О) - 2 Р(1-11 (1) ) М".01 ределе н н к ю в эксперименте з а в и с им ост ь 1 ( (у) ) уло б но аппроксимировать куб ическим полиси)мом. В результате обрабогки экспериментальных данных получена следующая полиномиальная зависимость Характерньм признаком выполнения этих условий является высокое значение коэффи. циента 1 к отрзскения образцов (К)0,9) в исследуемой области спектра.Проведено опрелеление коэффициентов поглощения К и диффузии излучения 1) керамических образцов из фторила лития нз длине волны излучения 0,63 мкм, Пористость керамики 5000. Значения показателя пре. ломления и и коэффициентов внутреннего отражения границ г(,) известны и равны: п=1,391; г 2=0,32. 55.1 в) = - 0,042581),+0,188 р+ 1,044 р - 0,522,4тогда велицина 2)11(ц) цдр=0,764.а Набор обрзз(ов сстоит из четырех рупп тс лщинц 1.,(=-тс,т 2 т(т. В каждой группе по 5 (гбрдзиов с близкими значениями толщин,Измереннце значения нормально-полусферической пропускзтельной способности Рп(1.,) образцов (по методу сравнения сигналов, полученных при поочередной установке кажлого обрззиз и эталона соответственно во вхоЛном и вцхоЛном отверстиях ит(грируюп(ей сферы) приведены в таблице,Ч5,92 5,92 9,90 10,02 10,02 10,0 10,02 1, 57 19 О, 7 1 6 О, 668 О, 1 38 О, 6 74 О, 667 Зздзчз нахождения К и Р путем минимизации упомянутого функционала легко реализуется на ЭВМ. Для этих целей может быть использован, например, метод Пауэлла, симплекс-метод или метол скользящего допускд, которые не тр(буют вычисЛения производных. Гровелесный расчет лал слелукдиие значения:К=4,7 10см 1; 0=1,8 1(Т см.Полученные знацения К и ) имеют лишь погрешности, связаннце с точностью измерительной аппаратуры и разбросом экспериментальных ланнцх вследствие неочнородности образцов. При их вычислении не возникает ошибок, связанных с заланием практически никоглд неизвестной инликатрисы объемного и поверхностного рассеяния..К. Соета витеяед И, Вереж 521 1 ела ктор МЗакан 1 З 8 В 1111111,1 о ректор М, Кучеряваяпивноелияя прия 45оа, .т. а лене ех ир р Ко а По та по и иЖн генияя и о 1 кр Ж З 5, Рн гиекня ними., ивнинг 1 н 1 ент,амиго кони енин.кии к ник гв и нн 1 В) 15 не 1 н ). ил.н.К 1 Г .,. гарина, 1) рои нннп нал 1(т), пропорциональный направленно- полусферической пропускательной способности, повторяют измерения для различных значений агссозр, причем площадь поверхности образца, освещенной падающим излучением, выбирают равной при всех значениях углов, определяют угловую зависимость 1 (т.) =1(р) /1, рассчитывают двуполусферическую пропускательную способность Р(1., для всех образцов по соотношению Р(Е,)=2 Р.(Е,)1 и (р)к дк, =1, , м, а значения К и Р вычисляют в результате минимизации функционалаГ(К, Р)=ДРл(1.;, К, Р) - Рл(1.)1 где Рл(1-, К, Р) - теоретическая двуполусферическая пропускательная способность.