Способ определения неоднородности пространственного распределения оптического поглощения

(9) ( САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ В ДЕТЕ МУ К АВТ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Нагибина И.МПрокофьев В.Н, Спектральные приборы и техника спектроскопии,- Л.: Машиностроение, 1967, с, 15.Лопаткин В.Н., Сидорюк О,НСкворцовЛ.А. Лазерная модуляционная фототермическая радиометрия - новый метод измерения малых поглощений в обьемематериалов и покрытиях. - Квант, эл - ка,1985, т, 12, И. 2, с, 339-347,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ(57) Изобретение относится к физическойоптике и может быть использовано для измерения неоднородности пространственИзобретение относится к физической оптике и может быть использовано для измерения неоднородности пространственного распределения . поглощения в материалах и покрытиях, Оно может быть применено при контроле примесного состава или структуры оптических материалов.Один из способов, применяемых для определения пространственного распределения коэффициента оптического поглощения в образце, реализован в микрофотометре, который предназначен для измерения с высоким разрешением плотности почернения фотоэмульсии в различных ее участках. Суть способа состоит в следующем. Излучение ного распределения поглощения в материалах и покрытиях. Оно может быть применено при контроле примесного состава или структуры оптических материалов. Изобретение позволяет повысить чувствительность и точность измерений. Оно основано на сравнении теплового излучения из различных областей поверхности цилиндрического образца, последовательно облучаемых непрерывным лазерным излучением, Образец приводят во вращение с частотой, лежащей в пределах а/Вт а/б, где а - температуропроводность образца, В - расстояние от оси вращения до оси нагретой области, б - диаметр лазерного луча на поверхности образца, При этом величину неоднородности распределения оптического поглощения определяют по переменной составляющей сигнала теплового излучения, регистрируемой на частоте т, 1 ил. источника фокусируется на фотоэмул ьсию и после прохождения через нее с помощью оптической системы попадает на фотоприемник, При этом разность почернений двух фотометрируемых участков равна логарифму отношения сигналов на фотоприемнике, регистрируемых при различных положениях образца, Этотспособобеспечивает высокое пространственное разрешение при измерении коэффициентов поглощения в пленках, однако, не может быть использован в случаях, когда коэффициент поглощения в исследуемом образце составляет менее 1(,.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ из 1770778мерения пространственного распределения оптического поглощения, основанный на регистрации изменения интегрального потока теплового излучения от образца при его нагреве периодически следующими импульсами лазерного излучения. В этом способе образец облучвют периодически следующими импульсами лазерного излучения и регистрируют тепловое излучение с поверхности исследуемого образца посредством приемника ИК-излучения, для увеличения поля зренйя которого применяют объектив, Таким способом удается измерять показатели поглощения в объеме материалов 1010 см и коэффициенты поглощения в покрытиях вплоть до 1010 %. Использование линзы для фокусировки лазерного излучения позволяет достичь высокого пространственного разрешения при определении коэффициентов поглощения в образцах, При этом для получения данных о пространственном распределении оптического поглощения в материалах и покрытиях достаточно провести измерения в различных местах образца. Однако, данный способ не позволяет измерять разность коэффициентов поглощения, когда она оказывается меньше погрешности отдельного измерения коэффициента поглощения ( " 11%)Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений неоднородности пространственного распределения оптического поглощения материалов и покрытий.На чертеже приведена схема измерений.Сущность способа состоит в том, что о неоднородности распределения оптического поглощения в образце 1 из полупрозрачных материалов цилиндрической формы судят посредством сравнения теплового излучения 3 от областей образца, последовательно облучаемых непрерывным лазерным излучением 2, при вращении образца вокруг го оси с частотой 1, лежащей в пределах а/Й1 аб, где а - температуропровод 2ность образца, В - расстояние от оси вращения до оси нагретой области, б - диаметр лазерного луча на поверхности образца,Лазерное излучение, частично поглощаясь, вызывает нагрев его поверхности, причем тем более существенный, чем больше коэффициент поглощения. Соответственно области образца с различным поглощением нагреваются за одинаковое время до различных температур в результате поочередного воздействия на них лаверного излучения, При этом величину неоднородности определяют по переменной составляющей сигнала теплового излучения, регистрируемой на частоте 1 ИК-приемником 4.Условие для Г связано с требованиемнеобходимости полного охлаждения каждо го участка поверхности образца за время допоследующего воздействия на него в условиях периодического сканирования.Сравним чувствительность при измерении неоднородности распределения опти ческого поглощения в образцахполупрозрачных материалов в заявляемом способе и прототипе. Естественно, сопоставление имеет смысл производить при одинаковых частотах модуляции, так как 15 только при этом возможно исключить влияние собственных характеристик образцов и регистрирующей аппаратуры. Однако это не ограничивает общности сравнения.Если считать, что используются одно типные лазеры, объективы, приемники теплового излучения и системы обработки электрических сигналов, то можно. исходить из равенства минимальных значений Опв и Опв регистрируемых переменных состав ляющих теплового излучения в обоих рассматриваемых случаях, т.е,Ови = Огпп30 В прототипеОаи = К Рйви (2)где К - коэффициент, определяемый тепло 35 физическими характеристиками образца,его начальной температурой и регистрирующей аппаратурой;Р - плотность мощности лазерного излучения;40 аь - минимальный измеряемый коэффициент локального поглощения,В заявляемом способеО,= К Р (и - а) вь, (3)45где а 1 и а 2 - предельные значения коэффициентов локального поглощения на участке сканирования;(а) - а 2)аь - минимальное регистрируемое значение неоднородности распределения поглощения в образце.Сопоставляя (1), (2), (3), получаем.(а 1 -аг)аь =а;.В то же время в прототипе5 10 15 20 где д- относительная погрешность измерения локального поглощения, .а - локальное поглощение, большее из а 1 иа.Очевидно, в прототипе значение погрешности д = 11 приведено для асам, по крайней мере а100 апа поскольку в расчет не принималась случайная ошибка. Выражение (5) можно привести к следующему;(а 1 - афп15 авп (6) Сопоставляя 4) и (6), приходим к выводу, что в заявляемом способе предельная чувствительность измерений по крайней мере на порядок выше, чем в прототипе.В заявляемом способе выше и точность измерений. Действительно, относительная погрешность измерения неоднородности распределения оптического поглощения (т.е. величины а 1 - аг ) составляет 11. В прототипе относительная погрешность 11 ф характерна для каждой из величин а 1 и а 2, При этом относительная погрешность определения величичы а 1 - а 2) может Оказаться больше в несколько раз.П р и м е р 1, Производилось измерение неоднородности распределения оптического поглощения на длине волны 531 нм в цилиндрических образцах корунда, легированного ионами титана. Обоазец представлял собой шайбу диаметром 20 мм и толщиной 10 мм с оптическими поверхностями, перпендикулярными оси 2.Он подвергался воздействию непрерывного излучения мощностью 1,8 Вт, диаметр пучка которого на поверхности образца составлял б = 0,5 мм. Устройство перемещения, на котором укреплялся образец 1, приводило его во вращение с частотой 1 = 2,7 Гц. Расстояние от оси вращения до центра нагретой области 7 мм, При этом условие аИ1ай было выполнено э =8,4 10 2 см /с). Переменную составляющую теплового излучения от образца регистрировали с помощью пирометра, включающего германиевый объектив для ИК-излучения и пироприемник на основе танталата лития, Электрический сигнал с выхода пирометрэ подавали на вход селективного нановольтметрэ, настроенного на частоту 1 = 2,7 Гц. Измеренный электрический сигнал составил 01 = 25 мкВ,Для определения абсолютной величины неоднородности пространственного распределения оптического поглощения апх -аль производили калибровку с помощью двух контрольных образцов, имею 30 35 40 45 50 55 щих иэвестн 1 ые коэффициенты поглощения а 1= 0,28 см и а 2 -0,35 см (образцы с разными концентрациями легирующей примеси титана). Контрольные кристаллы имели форму в виде попуцилиндров, причем сжатые вместе по плоскости осевого сечения они представляли собой образец, размерь. которого соответствовали размерам исследуемого образца,Составной контрольный образец приводился во вращение, причем ось вращения находилась в плоскости стыковки двух кристаллов, в центре цилиндра. Частота вращения 1, а также параметры б и В соответствовали аналогичным для исследуемого образца. Регистрируемая в этом случае селективным нано вольтметром переменная составляющая на частоте 1 была равна 02 = 190 мкВ,Величину неоднородности распределения оптического поглощения в исследуемом образце вычисляли по формуле О%пах %пп =(а 1 - а 2)-К02 Коэффициент К обусловлен различнойформой сигналов и равен отношению коэффициентов при первом члене в разложенииФурье. Поскольку сигнал От исследуемогообразца близок к синусоиде с частотой , ав случае калибровки является меандром с4частотой основной гармоники 1, то К = - .ЛСоответственно ап - ав = 0,01 см ,что для образца с а = 0,55 см означает неоднородность около 24.По результатам измерений удается судить о неравномерностях распределения вобразцах корунда легирующей примесиионов титана,П р и м е р 2, Производилось измерениенеоднородности пространственного распределения оптического поглощения надлине волны А= 1,06 мкм в покрытиях окисикремния с хромом на подложках из плавленого кварца а =8 10 см/с). Образцыпредставляли собой диски диаметром 70 мми толщиной 3 мм,Он подвергался воздействию непрерывного излучения мощностью 1 Вт, диаметр пучка которого на поверхностиобразца составлял б = 0,5 мм, Образец приводили во вращение с частотой т = 2.5 Гц,Расстояние от оси вращения (центра диска)до центра нагретой области составляло 30мм,В условиях, аналогичных описанным впримере 1, производилась регистрация пе 1770778ременной части электрического сигнала на частоте,Для проведения калибровки аналогичные измерения производились на диске. поверхность которого покрыта лишь наполовину пленкой с известным коэффициентом поглощения ( р" 32), причем линия раздела напыленной и чистой поверхности проходит по диаметру поверхности диска. 8 этом случае регистрировался сигнал 02. Величина неоднородности распределения поглощения в исследуемом образце находилась по формуле:фезх -фв 1 п =ф-- =0,2О 102Получаемые в описанных измерениях результаты позволяют судить об однородности толщины наносимых нд диск покрытий,Формула изобретения Способ определения неоднородностипространственного распределения Оптического поглощения в образцах полупрозрач ных материалов цилиндрической формы,заключающийся в сравнении теплового излучения из областей образца, последовательно облучаемых лазерным излучением, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с 10 целью повышения чувствительности иточности измерений, образец приводят во вращение с частотой, лежащей в пределах а/Йа/б, где а - температуроп 2 2роводность Образца, Я - расстояние от оси 15 вращения до оси нагретой области, б - диаметр лазерного луча на поверхности образца, нагрев производят лазером непрерывного действия, а неоднородность определяют по переменной составляющей 20 сигнала излучения, регистрируемой на частоте т.