Способ определения коэффициента температурной зависимости показателя преломления при постоянном объеме среды

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИН 9) (И) 01 Ы ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОБРЕТЕНИЯ ЬСТВ(56) Ч. Рашап, К,Б. ЧепцаРтос. Коу Яос. А,1,опс 1 оп,чо 1. 171, р. 137.Ерохин А.И, и др, Температурнаязависимость показателя преломленияв конденсированных средах. -ЖЗТВ,1978, т. 74, вып. 4, с, 1336-1341.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРИ ПОСТОЯННОМОБЪЕМЕ СРЕДЫ(57) Изобретение относится к областитехнической физики, а именно к исследованию показателя преломления оптически прозрачных изотропных твердыхсред, и может быть использовано внаучных и прикладных исследованияхв физике твердого тела, в оптике иэлектронике. С целью определениякоэффициента температурной зависимости для расплавленного состояния среды образца в задаваемом диапазоне осоваина, В.В.РадФедоров Сагашеш1939,ОПИСАНИЕ И АВТОРСЙОМУ СВИДЕ прироста температуры расплава с сохранением при этом формы образца проводят неодновременное и независимое локальное расплавление испытуемой твердой среды (оптически прозрачный диэлектрик) внутри и на поверхности массивного образца с помощью энергии импульсного оптического излучения, фокусируемой поочередно внутри и на поверхности образца, При этом для каждого расплавленного состояния регистрируют интерферограмму, иэ которой вычисляют полные производные показателя преломления по температуре, численные значения которых подставляют в эмпирическую формулу для искомого коэффициента. Сущность технического решения основана на использовании импульса оптического излучения, длительность которого с не менее значения 10 а /Ч, где а - радиус фокального пятна в перетяжке каустика; Ч - скорость звука в испытуемой твердой среде, и на измерении указанных полных производных показателя преломления для локальных участков расплавления с исключением из этих производных аналитическими средствами частных производных показателя преломления по плотности.Изобретение относится к областитехнической физики, конкретно кспособам и устройствам для исследования показателя преломления оптически прозрачных изотропных твердыхсред, и может быть использовано внаучных и прикладных исследованияхЭв физике твердого тела, в оптике,электронике.Целью изобретения является определение коэффициента температурнойзависимости показателя преломлениядля расплавленного состояния средыобразца в задаваемом диапазоне прироста температуры расплава с сохранением при этом формы образца.Способ осуществляется следующимобразом,Импульс оптического излучения формируют с гладкими пространственным и временным распределениями для обеспечения в процессе нагрева примерно линейного роста температуры диэлектрика и равномерного ее распределения в фокальной области, что необходимо для получения корректных результатов от количественной обработки интерферограмм и с энергиейдля создания в фокальном пятне (задаваемого радиуса а ) перетяжки каустики энергетической освещенности, достаточной для локального расплавления диэлектрика в области этой перетяжки и для изменения температуры этого расплавленного состояния, Энергию импульса можно определить любым известным способом, в частности из соотношениял ги ап ТплСюКфогде Т - температура расплавлениядиэлектрика при импульсном его нагреве;С - теплоемкость единицыМобъема диэлектрика;К - линейный по температуренагрева и энергетическойосвещенности натуральныйпоказатель поглощения испытуемого диэлектрика.Длительность импульса оптического излучения ограничивают минимальным значением, выбираемым из эмпирического соотношения) 10 а /7, длягобеспечения на каждом регистрируемом температурно-временном отрезке 2261992интерферограммы режимов устачовлениятеплового расширения плотности иполяризуемости испытуемого диэлектрика в фокальном пятне перетяжкикаустики радиуса а и в продольномнаправлении каустики пучка излучения,поскольку указанные режимы установления совершаются со скоростью звукаЧ в даннои среде.1 О Посылают неодновременно и независимо друг от друга два импульса,каждый с энергией Д и длительностьючерез образец испытуемого диэлектрика для получения соответствен 15 но внутри и на поверхности образцалокальных зон расплавленного состояния, создают интерференционное полеравной толщины, снимают интерферограммы.20 На каждой из характерных интерферограмм, полученной в условии внутриобъемной или поверхностной локальной расплавленной зоны исследуемогодиэлектрика, графически регистрируют25 физическое содержание полной производной показателя преломления потемпературе, включающей два факторавлияния температуры на показательпреломления: изменение плотности иполяризуемости диэлектрика. Но приэтом на каждой интерферограммедоли приращения значения показателяпреломления, вносимые изменениямиплотности и поляризуемости, нельзя35различить и выделить, Чтобы исключитьиз расчета влияние изменения плотносЗл.ти Т на показатель преломленияа,Урешается система из двух уравнений40с двумя неизвестными- 06 3 - + -+в4 ( 3345п дпгде ) и- изменения показадт Д ппгттеля преломления от температуры длявнутриобъемной локальной расплавлен ной эоны и для поверхностной локальной расплавленной эоны сооответственно;Ыз - эфФективный коэффициенттеплового объемного рас ширения;п(Т) - коэффициент теплового расширения;1 - плотность диэлектриказ 12261 относительно искомого коэффициента температурной зависимости.Каждое из уравнений представляет собой известное соотношение между полной производной и суммой состав 5 ляющих ее частных производных по ,плотности и температуре у которых обозначения индексами 1 и 2 соответствуют внутриобъемному иповерхностному расплавленным состояниям диэлект О рика.Для определения связи эффективного коэффициента теплового объемного расширения М с коэффициентом теплового объемйого расширения п(1) в виде Фэ= А с(т),птв д гр 1+соплл пл где 1=Л+ К пп 1- -"тв - коэффициент Пуассона; - усредненная по объему расплавленной зоны температу ра; дТпл - прирост температуры к концу импульса на оси расплавленной эоны; прирост температуры расплавленной среды на границе твердого и расплавленного состояний внутриобъемной локальной расплавленной зоны; и - коэффициенты теплового ЗЗ тв пл объемного расширения для твердого и расплавленного состояний сред соответственно; К и К модули всестороннего сжа О тв плтия среды образца в твердом и расплавленном состояниях еоответственно, решается соответствующая термоупругость. При этом учтены следующие факторы: геометрия напряженного состояния нагреваемой изотропной среды, создаваемая цилиндрической симметрией, фокусирующей лазерный пучок сферической линзы; термоупругие процес О сы перехода диэлектрической среды из твердого состояния к вязкоупругому и жидкому и связанная с ними релаксация упругих напряжений в приосной и граничной областях проплава; эависи мость констант среды (температуры текучести) от давления в условиях всестороннего сжатия локальной зоны 99 4проплава силами нерасплавленной матрицы окружающего диэлектрика.Входящие в численный коэффициентзначения величин прироста температуры д Т, д Ти дТ, относительно исходного уровня ири комнатной температуре определяют исходя из известного коэффициента поглощения диэлектрика с учетом формы импульса, профиля распределения интенсивности лазерного пучка и величины поступающей энергии лазерного излучения, а коэффициенты теплового объемного расширения К, и мапл и модули всестороннего сжатия Ктв и Кпл для твердого и расплавленного состояний берут из таблиц или получают из независимых измерений.При реализации способа используют неодимовый лазер (1,06 мкм) с расходимостью пучка излучений1 = 210 э рад; сферическая линза с фо. кусным расстоянием Р 10 см и испытуемый диэлектрик - стекло К 8, выполненный в виде параллелепипеда по крайней мере с двумя параллельными полированными гранями, площадью не менее 1 см каждая, имеющий ли 2нейный по температуре натуральный показатель поглощения К = 5 10 смона длине волны Э 1,06 мкм; теплоемкость единицы объема диэлектрика С=Э= 2 Дж/см . град, температуру расплавления при импульсном нагреве Тпл = 1200 С; коэффициент Пуассона 1 0,209, скорость звука в стекле Ч = 5.10 см/с.Радиус фокального пятна в перетяжке каустики а = Р ч = 2 10 (см); минимальная длительность импульса,л-6с, с = 10 а,/7 = 4 О (с), энерсия импульса оптического излучеДж:л 20 ал Т. - С -610е. Длительность импульса соответствует режиму свободной генерации с = 1 О с, причем С т С ,(1 О ) 4 хх 10 с).Посылая неодновременно и независимо друг от друга два импульса, каждый с энергией Ое 600 Дж и длительностью с 1 Ос, через образец испытуемого диэлектрика для получения соответственно внутри и на поверхности образца локальных эон расплавленного состояния, создают интерфе 1226199ренционное поле равной толщины, снимают интерферограммы и находят из их количественной обработки для внут. риобъемного и поверхностного состояний значения- ) . = -1,0 10 грсад 1-= -32 10 град3 в ., -5 -. /о 1 -51 т палот пл.2Вычисление численного коэффициен та д ; ьТц /ьТ определено по геометрическим факторам (профилю температуры) и в случае для лазерного пучка с гауссовым распределением интенсивности это отношение равно15 0,8 - 0,9; выбирают 0,8;- дТ, 1050 С определено независимым измерением при импульсном нагреве диэлектрика до температуры его размягчения; 20о- дТ 1500 С получено расчетом на участке интерферограммы для прироста температуры на оси проплава исходя из известного коэффициента поглощения диэлектрика с учетом формы им пульса и величины поступающей энерб гии лазерного излучения;-ьТпл = ь Тол (0,8 - 0,9) = 1200 - 1350 Сь Тгр 30-= 0,87 - 0,781 выбираьТем 0,8;о = (2,2 1 О,З) 10, градол = (12 + 2) 10град(в диапазоне 1400 - 1600 С);К = 5.10 кг/см;Кол = (,2 + 0,51 10 кг/смг;- А 0,5 получено подставкой найденных значений величины, входящих в выражение для численного коэффициента ДИскомый коэффициент температурнойзависимости показателя преломления при постоянном объеме среды для условия ее расплавленного состояния равен 1,2 1 ОградФормула изобретения5(Способ определения коэффициентатемпературной зависимости показателя преломления при постоянном объеме среды, включающий пропускание пучка импульсного оптического излучения через образец в виде прямоугольного параллелепипеда с полированными гранями с фокусировкой излучения внутриобразца, одновременную с пропусканием пучка излучения интерферометрическую регистрацию прошедшего через образец пучка излучения, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью определения коэффициента температурной зависимости показателя преломления для расплавленного состояния среды образца в задаваемом диапазоне прироста температуры расплава с сохранением при этом формы образца, через исследуемый образец дополнительно пропускают некоррелированный с первым по времени второй пучок импульсного оптического излучения с фокусировкой его на поверхности исследуемого образца и одновременно проводят интерферометрическую регистрацию прошедшего через образец излучения, причем мощность обоих пучков импульсного оптического излучения выбирают достаточной для образования локальных зон расплавленного состояния среды внутри и на поверхности образца, а длительностиГ этих импульсных излучений выбирают из соотношенияс ) 1 О ао/1 У, где а - радиус пятна излучения в оего фокальной плоскости;У - скорость звука в исследуемом образце, причем каждую из двух интерферометрических регистраций проводят отдельно на протяжении всей длительности пропускаемого импульсного излучения, по результатам обеих регистраций определяют для задаваемого диапазона прироста температуры расплавленного состояния среды численные значения изменения показателя преломления от температуры соответственно Яп/оТ), для внутриобъемной локальной расплавленной зоны и ИпйТ) , для поверхностной локальной расплавленной зоны, а коэффициент ( в -1 температурной зависимости покаЗТ ч зателя преломления при постоянном объеме среды определяют по формуле р -Я 1+ двд риЬпл ссл атаул 1+ К) пл1-21 к1226199 пл ьТ -дТ Составитель С,ГолубевТехред Н.Бонкало Редактор Л.Гратилло Корректор А.Зимокосов Тираж 778 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5 Заказ 2118/36 Производственно-полиграфическое предприятие, г,ужгород, ул.Проектная,4 коэффициент Пуассона;усредненный по объемурасплавленной зоны прирост температуры; 5прирост температуры кконцу импульса на осирасплавленной зоны;прирост температурырасплавленной среды 10на границе твердого ирасплавленного состояний внутриобъемной локалькой расплавленнойзоны;Ы и Ыщ - коэффициенты теплового твобъемного расширениядля твердого и расплавленного состояний средсоответственно; К, иКщ - модули всестороннегосжатия среды образцав твердом и расплавленном состояниях соответственно.