Способ измерения показателя светопоглощения и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН П 9) (И) 3(5 0 01 И 21/59 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ е ) причем ют посл щего с светоп муле ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТ(71)Институт физики АН Литовской ССР(56 ) 1. Авторское свидетельство СССРбр 841483, кл. О 01 М 21/59, 1978.2. Ногйч 1)с апй БсЬ 1 оззЬег 8,Рьосоасоцзс 1 с сесьп 1 б)це Гог йесегв 1 п 1 п 8 орС 1 са 1 аЬзогрС 1 оп соеГГ 1 с 1 еПСз1 п зо 116 з. Арр 11 ей орС 1 сз, ч. 16,Р 1, 1977, р. 101 (прототип).(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯСВЕТОПОГЛОЩЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ,(57) 1. Способ измерения показателясветопоглощения, включающий облучение материала образца импульсным монохроматическим световым пучком, регистрацию упругой деформации на поверхности образца и определение повеличине упругой деформации показателя светопоглощения, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности путем повыаения локальности .измерения показателя светопоглощения, облучение материала образца производят сфокусированным световым импульсныМ пучком,имеющим угол сходимости не менее0,1 рад, а длительность световыхимпульсов(". и частоту 1 их повторения выбирают из условий- агде 7,0 - радиус пятна, в которое сфокусирован пучок в материалеобразца;Ъ - расстояние между центромсфокусированного световогопучка и центром измеренияупругой деформации на поверхности образца;Чб - скорость звука в материалеобразца,упругую деформацию регистрируе окончания импульса облучаюетового йучкау а показательглощения К определяют по Форгде С - теплоемкость материала образца; 3 - плотность материала образца;0"- коэФфициент Пуассона; ЬЪ, - упругая деформация на поверхности образца; )- коэффициент температурного арасширения материала образца, Е - энергия импульса облуяаещего рэасветового пучка; 8 - дЛИНа КауСтИКИ СФОКУСИрОВаи- убрфеф ного светового пучка в мате-,фф риале образца. 2. Устройство для измерения пока зателя светопоглощения, содержащее импульсный источник монохроматическ го светового пучка, оптически связан. ный с образцом, и пьезопреобраэователь, снабженный средством его крепления на поверхности образца, подключенный к входу:регистрирующего устройства, синхронизирующий вход которого соединен с источником монохроматического светового пучка, отличающее с я тем, что, с целью повышения чувствительности путем повышения локальности измерения показателя светопоглощения, источник монохроматического светового пучка оптически связан с образцом через фокусирующую линзу, в устройство дополнительно введены электронный комму" татор, Формирователь запретного импульса и фотоприемник, причем фокусное расстояние фокусирующей линзы не. более 10 С, где С. - диаметр светового пучка на ее поверхности, приемная1093952 5 20 25 ЗО 35 40 45 50 площадка пьезопреобразователя расйоложена перпендикулярно прямой, проходящей через ее центр и фокус линзы, пьезопреобразователь подключен квходу регистрирующего устройства через электронный коммутатор, управляюИзобретение относится к исследованию физических свойств материалов поизмерению.светопЬглощения и можетбыть применено в производстве оптических особопрозрачных стеклообразныхи других материалов при изготовленииэлементов силовой оптики и оптоэлектроники.Известен способ определения показателя светопоглощения, заключающийся в облучении материала образца монохроматическим световым потоком,регистрации изменения электрическогосопротивления материала образца вовремя облучения и в последующем расчете показателя светопоглощения 11.Известно устройство для определения показателя светопоглощения, содержащее импульсный оптический квантбвый генератор и систему измеренияоизменения электрического сопротивления образца, подключенную к одномувходу двухлучевого осциллографа,другой вход которого подключен к фотоприемнику, регистрирующему импульссветового потока оптического квантового генератора Г 13Недостатком данного способа и устройства является невысокая чувстви тельность измерения показателя локального светопоглощения, так какпоказатель светопоглощения определяюкак среднее значение по всей длинеобразца. При острой Фокусировке облучающего светового потока из-за высокой плотности энергии материал образца разрушается, что не позволяет однозначно интерпретировать изменениеэлектрического сопротивления материала образца как параметр, пропорциональный светопоглощению. Кроме этого,известный способ поддается реализации только при высоких температурахтермической обработки образца,т.е. при 600-1000 К.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности являетсяспособ измерения показателя светопоглощения и устройство для его осуществления. Способ включает облучение образца импульсным световым потоком, регистрацию упругой деформации на поверхности образца, опредещий вход которого соединен с выходом формирователя запретного импульса, вход которого подключен к выходу , Фотоприемника, оптически связанного с источником монохроматического светового пучка. ление по величине упругой деформации показателя светопоглощения.Известное устройство содержит импульсный источник монохроматического светового пучка, оптически связанный с образцом, и.пьеэопреобразователь, снабженный средством крепления его иа поверхности образца, подключенный к входу регистрирующего устройства,синхронизирующий вход которого соединен с источаиком моиохроматического светового пучка.При этом, в устройстве имеется второй пьезопреобразователь, установ. ленный с зазором к поверхности образца, симметрично первому относительно оптической оси источника монохроматического светового. пучка21Недостатком известного способа и устройства является невысокая чувствительность измерения, так как светопоглощение измеряют по всей длине образца и невозможно измерить показатель локального светопоглощения в области материала, линейные размеры которой порядка 0,1 мм и меньше.Измерение светопоглощения в такой малой области материала необходимо для контроля качества оптическихсверхпроэрачных материалов в связи сих оптической прочностьв и для прогнозирования порога разрушения. Кроме этого, конструкция устройства дляреализации известного способа сложная и трудно осуществима в производственных условиях, это связано с необходимостью компенсации влияния рассеянного света на измерение упругой деформации из-за одновременного воздействия иа пьезопреобразователь рассеянного в материале образца светово.го потока и упругой деФормации. Дляэтого и используют два пьезопреьбразователя, их точно устанавливают на противоположных сторонах образца параллельно и сиюетрично проходящему через образец световому потоку, причем один из пьеэопреобразователейзакрепляют на некотором расстоянииот поверхности образца. Кроме этого,известное устройство трудно реализовать в случае измерения малых светопоглощеннй, для этого необходимоточно сбалансировать регистрирующуюсистему, применить более мощный лазер, что усложняет конструкцию, повыаает массу устройства,Целью изобретения является повышение чувствительности путем повышения локальности измерения показателясветопоглощения.Поставленная цель достиГаетеятем, что согласно способу, включающему бблучение материала образца импульсным монохроматическим световымпучком, регистрацию упругой деформации на поверхности образца и определение по величине упругой деформациипоказателя светопоглощеиия, облучение материала образца проводят сфокусированным световым импульсным пучком, имеющим угол сходимости не менее 0,1 рад, а длительность световых импульсов и частотуих повторе ния выбирают из условийгде 1 о - радиус пятна, в которое сфокусирован световой пучок в 25материале образца;Ъ - расстояние между центромсфокусированного световогопучка и центром измеренияупругой деформации на по- З 0верхности образца;Чф- скорость звука в материалеобразца,причем упругую деформацию регистрируют после окончания импульса облучающего светового пучка, а показа-тель светопоглощения К определяютпо Формуле,дл ц т 1 я-Ы ,Р е В (4+6)40где С - теплоемкость материала.образца;- плотность материала образца- коэффициент Пуассонамиду - упругая деформация на поверхности образцаР - коэффициент температурногофрасширения материала образца;Е - энергия импульса облучающего светового пучка;500 - длина каустики сфокусированного светового лучка в материале образца.В устройстве, содержащем импульсный источник монохроматического светового пучка, оптически связанный собразцом, и пьезопреобразователь,снабженный средством его крепленияна поверхности образца, подключенныйк входу регистрирующего устройства, 60синхрониэирующий вход которого соеди.нен с источником монохроматическогосветового пучка, источник монохроматического светового пучка оптическисвязан с образцом через фокусирую щую линзу, в устройство дополнитель- . но. введены электронный коммутатор, Формирователь запретного импульса и фотоприемник, причем фокусное расстояние ФоКусирующей линзы не более 10 д, где д - диаметр светового пучка на ее поверхности, приемная площадка пьезопреобразователя расположена перпендикулярно прямой, проходящей через ее центр и фокус линзы, пьезопреобразователь подключен к входу регистрирующего устройства через электронный коммутатор, управляющий вход которого соединен с выходом Формирователя запретного импульса, вход которого подключен к выходу ,Фотоприемника, оптически связанного с источником монохроматического светового пучка.На чертеже показана схема устрой%ства.Устройство для измерения показателя светопоглощения содержит импульсный источник 1 монохроматического светового пучка, например оптический квантовый генератор, оптически связанный через делительную пластинку 2 с образцом 3Между источни. ком 1 и образцом 3 помещена Фокусирующая линза 4, фокусное расстояние которой не более 100, где д - диаметр светового пучка на поверхности линзы, Пьезопреобразователь 5 закреплен на поверхности 3 так, чтобы его соприкасающая плоскость была перпендикулярна прямой, проходящей через фокус линзы, 4 и центр пьезо-: преобразователя 5. Электрические контакты пьезопреобразователя 5 соединены с входом регистрирующего устройства 6 через электронный коммутатор 7, управляищий вход которого соединен с выходом формирователя 8 запретного импульса, причем вход формирователя 8 подключен к выходу фотоприемника 9, который при помощи длительной пластинки 2 оптически связан с источником.1 света. Регистрирующий .прибор б соединен синхронизирукщей цепью с источником 1 света,Устройство для измерения показателя светопоглощения работает следующим образом.При облучении материала образца 3 сфокусированным линзой 4 монохроматическим световым пучком, созданным импульсным источником 1, часть световой энергии поглощается материалом образца 3, из-эа чего температура материала образца 3 в области фокуса линзы 4 повышается. Иэ-за температурного расширения материала образца 3 возникает упругая деформация,Фронт которой распространяется соскоростью звука к поверхности образ.ца 3. Величина упругой деформациипропорциональная поглощенной энергии светового пучка в области фокуса линзы 4. Упругая деформация пьезопреобразователем 5 преобразуется в электрический сигнал, который, измеряется регистрирующим устройством 6.Упругая деформация воздействует на пьезопреобраэователь 5 позже, чем рассеянный импульс светового потока, т.е, электрический сигнал от упругой деформации в пьезопреобраэователе 5 образуется позже электрическо- го сигнала, созданного воздействием рассеянного света на пьезопреобразователь 5. Поэтому электронный коммутатор 7 размыкает цепь: пьеэопреобразователь 5 - регистрирукщее уст ройство б,и во .чремя действия светового импульса в регистрирукщее устройство 6 электрический сигнал от рассеянного света не поступает. Формирователь 8 запретного импульса 2 О преобразует электрический сигнал фо" топриемника 9 в импульс запрета, в течении которого электронный комму.,татор 7 заперт. Импульс запрета равен,цлительности импульса светового д пучка, регистрируемого Фотоприемником 9. Регистрирующее устройство б запускается синхроимпульсом от источника 1 светового пучка.Способ измерения показателя светопоглощения включает следующие операции.Материал образца облучают сфокуси рованным импульсным световыи пучком, например лазерным, сходящимся в фо кусное пятно внутри образца под Углом це менее 0,1 рад. Это условие необходимо для выполнения условия распространения упругой деформации в материале образца в виде сферической волны, Для образования сфериче ской волны необходимо, чтобы ее источник имел форму, как можно ближе к сферической. При облучении материала сфокусированным импульсным световым пучком поглощенная световая энергия нагревает область, размеры которой зависят от угла Фокусировки и времени от начала импульса облучения. Размеры форма) нагретой области, которая является источником упругой деФормации, в конце импульса облучения обуславливают характер распространения упругой деформации, Фронт которой распространяется со скоростью звука.Выбирают длительность Й световых импульсов из условия-/вьгде 19 - радиус пятна, в котороесфокусирован световой пучок 6 Ов материале образца;КЬ - скорость звука в материалеобраз ца.Выполнение этого условия необходи мо также для обеспечения распростра нения упругой деформации в исследуемом материале в виде сферической волны, так как поперечные размеры нагретой области зависят от длительностиоблучающего импульса и скорости распространения тепла в иссле-. дуемом материале. При длительностях С световых импульсов, удовлетворяющих упомянутому условию (примерно) .41 мкм) для того, чтобы поперечные размеры нагретой области были одного порядка как и длина 8 каустики сфокусированного светового пучка, необходимо, чтобы угол Фокусировки был не менее 0,1 рад, т,е. оба упомянутые условия обеспечивают сферическое распространение упругой деформации от нагретой области к месту регистрации.Выбирают частотуповторения световых импульсов иэ условияу Ъв (2)ргде ф - скорость звука в материалеобразцаЪ - расстояние между Фокусомлинзы н пьезопреобразователем.Выполнение этого условия необходимо для того, чтобы не зарегистрировать электрический сигнал, который возникает вследствие отражения волны упругой деформации от противоположной стенки образца.Регистрируют упругую деформацию на поверхности образца после окончания светового импульса. Измеряют расстояние между центром сфокусированного светового пучка и местом регистрации упругой деформации.Определяют показатель светопогло. щения путем расчета по формуле13 в юд 6 ИеЙф 6)где К - показатель светопоглощенияматериала образца, м ;С - теплоемкость материалаобразца, Дж. кг-. град-ф;- плотность материала образца, кг,муЧ, - расстояние между центромсфокусщованного световогопучка и центром измеренияупругой деформации на поверхности образца, м;д" - коэффициент Пуассона;а" упругая деформация на поверхности образца, и;- коэффициент температурногорасширения материала образца, град-.У 1Е - энергия иийульса облучающего светового пучка, Дж;1 - длина каустики сфокусированного световбго пучка в материале образца, м.Приведенная формула справедлива при условии, когда упругая деформа" ция распространяется как сферическая волна.Облучение материала образца сфокусированным световым пучком с вышеопределенными параметрами, создающими условия распространения упругой деформации как сферической волны, повышаетлокальность измерения светопогйощения, так как световая энергия 10 локализуется в маленьком объеме материала образца, в котором и измеряется показатель светопоглощения. Облу" чение образца остросфокусированным световым пучком также позволяет 15 уменьшить энергию облучакицих импуль;сов светового пучка, так как световую энергию в образце концентрируют в маленький объем, что позволяет уменьшить габариты и массу устройст- рО ва. Кроме этого, появляется возмож- ность измерить показатель светопоглощения вплоть до разрушающих структуру материала образца интенсивностей светового пучка, так как энергия.в им пульсе небольшая и повышение энергии световых импульсов несколько раз не представляет трудностей. Предел повышения энергии световых ЗО импульсов обусловлен в практически. реализуемых случаях только оптической прочностью оптических материалов. Облучение материала образца короткими световыми импульсами,кдовлет- З воряющими заданные выше условий,повн.шает чувствительность и точность измерения, ибо исключает влияние рассе- янного света на регистрацию упругой деформации, а также упрощает конструкцию устройства, так как не нужен 4 О второй (компенсирующий) пьезопреобразователь, Кроме этого, нет специ,фических требований к форме образца.Преимуществом предлагаемых способа и устройства по сравнению с базовым объектом является то, что повышена чувствительность и локальность измерения показателя светопоглощения измеряют как среднее значение по всей длине образца в объеме порядка 10ммз, а в предлагаемом устройстве - в объеме 10" ммз И.м ньшеу так как измерение показателя свето- поглощения производят при помощи остросфокусированного светового пучка в области пятна, в .котором сходится пучок. Кроме этого, уменьшены масса и .габариты устройства, так как уменьшена энергия импульсного источника. Повышение чувствительности связано с тем, что уменьшена энергия световых импульсов, которую можно постепенно повышать. Повышение энергии световых импульсов в несколько раз не представляет трудностей, что. дает возможность измерить показатель светопоглощения вплоть до разрушающих структуру материала образца интенсивностей светового пучка. Таким образом, предлагаемый способ и, устройствопозволяют исследовать предпробойные процессы в материале образца.Известные способ и устройство позволяют измерить светопоглощение только в стеклообразных материалах с малой концентрацией рассеивающих центров и в некоторых кристаллах, в то время как предлагаемый способ и устройство не ограничивают исследуемых материалов, Кроме этого, в предлагаемом способе и устройстве не требуется интерферометрическая точность обработки исследуемого образца.