Способ измерения показателя поглощения

(Я)4 С 01 Н 21/59 ДОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТОРСНОМУ С ЕЛЬСТВ иаюто 0укторскоеографииСССРЧудаковнов Е,МА,М. Измерепоглощенияим методом.1976, т.3,х Лисицедованиов КРС ктра.5, т. 2 57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНЩЕНИЯ, включающийного пучка через иопараллельнув пласее поверхности, ос я тем, что, с(54) ПОГЛ ИЯ ПОКАЗАТЕЛЯропусканиеотропнуюину нормалл и ч а юелью повылаз е ения лос щность лазера;емя с начала воздейст но щ и лазера. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬДИЙ(71) Специальное констрбюро Института кристаллимени А.В. Шубникова АН(56) Брюшкова Т.И., ДнаНикитин Е.П., Прохоровние малых коэффициентовстекол калориметрическКвантовая электроника,У 11, с. 2500.Дарвоид Т.И., КарловаКарлов Н.В Кузьмин Г.П,кий И.С.,;Сисакян Е.В. Исснекоторых свойств кристаллв 10-микронной области спКвантовая электроника, 19У 4, с. 765шения точности, чувствительности быстродействия, пластину подверг одноосному нагружению и синхронн с воздействием лазера измеряют угол поворота главных направлений в точке, расположенной на прямой, про одя щей через место воздействия лазера и составляющей угол 45 с направлением нагружения, и определяют показатель поглощения по формуле:1 Тс 9- мжгде 6 - величина напряжений, обуслоленная внешней нагрузкойр - угол поворота главных направлений под действием лазера;Е - модуль Юнга;- коэффициент линейного расширения;" удельная обьемная теплоемкость;г - расстояние между местом лазерного воздействия и местом95159 2действия лазера и составляющей угол45 с направлением нагружения, и определяют показатель поглощения последующей формуле;5Тг 7НАЕВ 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, напри" мер элементов силовой оптики.Известен способ измерения показателя поглощения, основанный на калориметрическом эффекте. В данном способе через цилиндрический образец или круглую пластину непрерывно пропускают лазерный луч мощностью от нескольких ватт до нескольких десятков ватт. Этот луч нагревает образец за счет частичного поглощения излучения лазера, и происходит повышение температуры образца. Измеряя приращение поверхностной температу" ры 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 пучка через изотропную плоскопараллельную пластину нормально к ее,поверхностиЭтот способ основан на измерениях поверхностной температуры, в результате чего возникают большие погрешности, обусловленные недостаточным тепловым контактом термометра с поверхностью пластины и значительным поверхностным теплоотводом. Кроме того, в этом методе можно реализовать только интегральные измерения показателя поглощения, причем одно измерение занимает значительное время (несколько минут).Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и быстродействия.Указанная цель достигается тем, что в известном способе измерения показателя поглощения, включающем про 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 возгде 6 величина напряжений, обусловленная внешней нагрузкой;1 ОД - угол поворота главных направлений под действием лазера;Е - модуль Юнга;6 - коэффициент линейного расширения;15 Ф - удельная объемная теплоемкость;г - расстояние между местом лазерного воздействия и местомизмерения;Ы - мощность лазера;1 - время с начала воздействиялазера.На чертеже приняты следующие обо-значения:Р - внешняя нагрузка, г - расстояние между местом лазерного воздействия и местом измерения; М - уголнаблюдения, изотропная пластина 1,.место 2 измерения, место 3 лазерного воздействия, пластины 4,Способ состоит из 4 операций,К боковым торцам изотропной пластины 1 прикладывают через пластины 4внешнюю нагрузку Р, создающую одно 35 осное напряжение, величина которогоизменяется в зависимости от свойствизмеряемой изотропной пластины отО, 1 до 0,3 кг/см 2. Не снимая внешней нагрузки, через изотропную40 пластину 1 нормально к ее поверхности в точке 3 пропускают лазерныйлуч. На расстоянии г от места лазерного воздействия (около 1 см) синхронно с воздействием измеряют угол45 поворота главных направлений индикатриссы, используя визуальные илифотоэлектрические методы регистрации изоклин. Для повышения чувствительности и существенного упрощения-50 последующей математической обработки результатов место для измеренияугла поворота главных направленийиндикатриссы выбирают на прямой,проходящей через место лазерного55 воздействия 3 и составляющей уголоФ=45 с направлением. внешнего меха-.нического воздействия. По величинамвнешней нагрузки, угла поворота,35 мощности лазера определяют локальные значения для показателя поглощения, характеризующие свойства в местах воздействия лазера.При первой операции - приложе нии одноосной нагрузки к боковым торцам изотропной пластины 1 - в ней возникает одноосное напряженное состояние, которое, будучи приведенным к главным осям, описывается тензором второго ранга: Р - внешняя нагрузка; Я - площадь, к которойприложена внешняянагрузка,20 Не снимая внешней нагрузки Р,через изотропную пластину 1 пропускают лазерный луч под действиемкоторого в ней (в результате локального нагрева) дополнительно наводят-.ся термические упругие напряжения,которые можно описать с помощью ра;диальной 8 и тангенциальной 6,составляющих. Наведенные лазером напряЭОжения в произвольной точке плаСтины описываются тензором, которыйпосле приведения к координатным .осям первого тензора имеет вид: М д 6 С р.л 5;) У)р-Я)5 ю 2 Ч О (6-3"11,2 ф браню +Всей Р О О О О, ф.4 О в результате сложения напряжений отвнешней нагрузки с термонапряжениямив-пластине 1 возникает плоское напряженное состояние, которое описывается тензором:(бфбесиеФ+81 ьдфФ)-(В "6)вп 2 у О6;я)й ф(бр 8",)мвйч (Ь;нффбвсезф ) ооо50 В общем случае главные оси суммарного тенэораЯ ) не совпадают1 Дг.с главными осями тензора 8,ДУгол, на который повернулись глав :55 ные оси эллипсоида напряжений после лазерного воздействия на пластину 1, описывается. выражением: 8 г Вл) э;и 2,Р 1 Я 2 В: (ц) б+(б - 6, ) со э 2 ЧЕсли для регистрации угла поворота выбрать точки 2, лежащие на прямой, проходящей через место 3 воздейсто вия лазера под углом Р =45 к направлению нагружения Р, то формула 4 упрощается и принимает следующий вид: Упругие напряжения являются источником оптической анизотропии в аморфных и оптически изотропныхобъектах - кристаллах кубической сингонии, Наведенную оптическую ,анизотропню легко выявлять в поляриэованном свете по интерференционным картинам, которые наблюдают иливизуализируют с помощью полярископов. При работе с линейным скрещенным полярископом минимальная яркостьточки в интересующем нас месте интерференционной картин, в частности, соответствует положению, прикотором направление максимального пропускания поляризатора параллельноодному иэ главных направлений, например направлению быстрой оси. В оптически изотропных материалах (стеклах, керамике, а также в кристаллических пластинах, вырезанных определенным образом) главные направленияиндикатриссы совпадают с главнымиосями тензора напряжений. Это свойство используется в предложенном способе в операции измерения угла поворота главных осей тензора напряжений.В зависимости от используемого способа регистрации оптической анизотропии угол поворота(а он изменяетсяво времени по мере воздействия лазера) может измеряться или визуализироваться с применением полутеневыхустройств, или фотоэлектрически,например в полярископах с вращающимся анализатором, путем автоматической регистрации фазы модулированногосигнала на ленте самописца.Используя выражение для радиальных В и тангенциальных 6 составляю.щих напряжений, возникающих при лазерном воздействии на прозрачныеобъекты,795159 20 Редактор О. Кузнецова ТехредС.Мигунова Корректор.С. Шекмар Заказ 1167/2 Тираж 778 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж"35, Раушская наб., д, 4/5 . Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 можно показать, что в течение времени распространения тепловой волны от места 3 воздействия лазера до интересующего нас места 2 измерения, т.е. когда выполняется условие, при котором приращение температуры равно ЕТ= ехр (- - в , ), разность на 1 хЕ 1 г(Ь 6;(: ",(7)% у где Е - модуль Юнга;ь - коэффициент линейного расширения;9 - усредненное по толщине значение температуры;- Радиус пластины;г - расстояние от центра лазерного пучка до интересующегонас места,"в время воздействиялазера;( - объемная удельная теплоем,коств; 35К - показатель поглощения;Ю - мощность излучения лазера.Решая совместно уравнения 7 и 5, получаем формулу для расчета показателя поглощения К по предложенному 40 способу:Д Я.рк-бР - (8(К Е ЙВ кристаллах, как правило, при произвольной ориентации пластин глав 45 ные направления индикатриссы не совпадают с главными осями эллипсоида напряжений. Это свойство обусловлено анизотропией фотоупругой констан" ты кристалла. Поэтому за исключени-.ем пластин, вырезанных перпендикулярно оси С 111, для которых полностьюреализуются условия описанного мето.да, и следовательно, формула 8, прирасчете показателя поглощения в пластинах лроизвольной ориентации необ- .ходимо знать пьезооптические константы кристалла 11(, и .(,-1 Я . Длянаиболее простого случая анизотропии - пластина выколота по плоскости (100) иэ кубического кристаллаклассов ш 3 ш, 432 и 43 ш (к нимотносятся наиболее широко применяемые на практике кристаллы КСЗ,.ЮаСГ, ЬдР, СаР , ВаР, КРС=5,КРС=6, Се и т.д,) формула 8 принимает вид:Э-Т., ИА ЕДля других ориентаций пластин 1множитель, содержащий пьезооптические коэффициенты, имеет более сложный вид и представляетразличныекомбинации коэффициентов 1,(,.и(ц -Т( ),Сравнительные испытания данногоспособа показали, что он позволяетповысить точность измерений и быстродействие, а также реализовать.возможность измерений локальных эна".чений показателя поглощения в различных точках объекта, используя эффектнаведения термоупругих напряженийв объеме оптически изотропногообъекта посредством воздействиялазерного луча мощностью от нескольких ватт до нескольких десятковватт. Кроме того, при основных измерениях, связанных, с определениемугла поворота осей индикатриссы,исключаются измерения интенсивностейсвета, что также способствует повышению точности измерений(. В.предложенном способе исключено влияние фотоупругих констант на точность измерений.