Способ измерения оптического поглощения высокопрозрачных материалов и устройство для его осуществления (его варианты)

СОЮЗ СОНЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ф 001021 6 АНИЕ ИЗОБРЕТЕ та оба чем ис пое ци пучени дующих потоко уча пр льзуют ускают соосно, при- онохроматизированоляризованное изее из четырех чере.правоциркулярных из которых имеет кулярн состлев о ерГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ К АВТОРСКОМ,Г СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Ордена Трудового Красного Знамени институт кристаллографииим. А.В.Шубникова(56) Дарвойд Т.И. и др, Исслед ванне некоторых свойств кристалловКРС в 1 О-микронной области спектра;Кв. электроника, 1975, т. 2, 9 4,с, 765-772.Авторское свидетельство СССРУ 743381, кл. О 01 И 21/02, 1978.Авторское свидетельство СССРИф 1010940, кл. О 01 И 21/55, 1980,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГОПОГЛОЩЕНИЯ ВЫСОКОПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ),(57)1.Способ измерения бптическогопоглощения высокопрозрачных материалов,заключающийся в том,что через исследуемую локальную область объекта пропускают луч возбуждающего лазерного излучения и параллельный луч монохроматизированного циркулярно-поляризованного излучения, регистрируют линейную часть приращения наводимого двупреломления и определяют показатель поглощения материала в области воздействия возбуждающеголазерного излучения, используя данные об обоих световых потоках ифизических константах материала,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повьппения точности, чувствительности и быстродействия, черезисследуемую локальную область объек,БО 11 2879 А форму кругового квадранта.2. Устройство для измерения оптического поглощения высокопрозрачных материалов, содержащее фотоэлектрический круговой полярископ, включающий оптически связанные источник излучения, светофильтр, диафрагму, стационарный поляризационный элемент, четвертьволновую фазовую пластинку, держатель объекта, вращающийся поляризационный элемент, объектив и фотодетектор, а также анализирующий блок и возбуждающий лазер, оптически связанный с держателем объекта, о т л и ч а ю щ е - е с я тем, что, с целью повьппения точности, чувствительности и быстродействия, оно дополнительно сод жит первое и второе зеркала, снаб женные механизмом, обеспечивающим периодическое синхронное пересечение ими оси полярископа, оптически связанные с возбуждающим лазером и между собой таким образом, что их общая оптическая ось совпадает с оптической осью полярископа и проходит через держатель объекта а стационарный поляризационный элемент выполнен в виде круговой мозаики из четырех одинаковых секторов с взаимно ортогональными направлениями наибольшего пропускания в соседних секторах, причем эти направ- ления ориентированы диагонально по1 82879 10 20 30 отношению к оптической оси четверть- волновой фазовой пластинки.3. Устройство для измерения оптического поглощения высокопрозрачных материалов, содержащее фотоэлектрический круговой полярископ, включающий оптически связанные источник излучения, светофильтр, диафрагму, стационарный поляризационный элемент, четвертьволновую фазовую пластинку, держатель объекта, вращающийся поляризационный элемент, объ- ектив и фотодетектор, а также анализирующий блок и возбуждающий лазер, оптически связанный с держателем объекта, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, чувствительности ибыстродейстИзобретение относится к области технической физики и может быть использовано для контроля качества крупногабаритной лазерной силовой оптики и исходных высокопрозрачных кристаллов, поликристаллов и стекол,Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и быстродействия измерений показателя поглощения в крупногабаритных высокопрозрачных объектах. Слабое оптическое поглощение по данному способу измеряется следующим образоьь Лазерный луч средней мощности пропускают через исследуемую область объекта. Обычно она составляет 0,5-1 мм, За счет поглощающей способности в этой, области накапливается тепловая энергия, которая начинает рассеиваться по направлениям от центра воз действия к периферии. В начальной фазе воздействия это накапливание. тепловой энергии происходит практически линейно до тех пор, пока не. наступает тепловое равновесие, прои котором величины поглощаемой и отводимой за счет теплопередачи энергии равны. Таким образом в объекте создается аксиальное тепловое поле вия, оно дополнительно содержитпервое и второе зеркала, снабженные механизмом периодического синхронного пересечения ими оси полярископа, оптически связанные с возбуждающим лазером и между. собой таким образом, что их общая оптическаяось совпадает с оптической осью по, лярископа и проходит через держатель объекта, а четвертьволновая фаэоваяпластинка выполнена в виде мозаики,состоящей из четырех одинаковыхкруговых секторов с ортогональнымиоптическими осями в соседних секторах, диагонально расположенными поотношению к направлению наибольшего пропускания поляризатора. с радиальными нелинейными градиента- ми температур.Наводимое поле термоупругих напряжений вызывает временные локальные изменения оптических свойств материала, одно из которых - появление двупреломления в оптически изотроп-, ных средах. В большинстве матеуиалов (стеклах, поликристаллах, кристаллических пластинах (100) и (111 двупреломление линейно зависит от разности термоупругих напряжений.В начальный момент воздействия двупреломление в любой точке, находящейся в окрестности места воздействия, нарастает практически линейно. Например, в известной аппаратуре, где для анализа воздействия используется область, удаленная от центра воздействия на 10 мм, линейное нарастание двупреломления в кристаллах КС 1, МаС 1, ЕпБе происходит не менее 3 с, в кристаллах КРСи КРС- порядка 20 с, в инфракрасных стеклах - более 30 с.При исследовании центральной эоны время линейного нарастания уменьшается в 5-10 раз. С целью анализа наводимого двупреломления через ту же исследуемую область объекта пропускают цир3 1182879 кулярно-поляризованное излучение, имеющее сложную структуру пучка в виде четырех круговых квадрантов одинакового размера, причем в соседних квадрантах излучение обладает лево- и правоциркулярными поляризационными свойствами.Чтобы защитить поляриэационные элементы от лазерного воздействия при соосном пропускании возбужда О ющего и анализирующего лучей, можно испольэовать два варианта защиты, а именно спектральный и временной. При спектральной защите необходимо использовать стационарные на клонные пластины, расположенные до и после объекта, которые обладали бы хорошей прозрачностью для спектрального состава анализирующего циркулярно-поляризованного света 20 , и практически полностью (иначе они разрушатся) отражали возбуждающее лазерное излучение. Однако в настоящее время материалов с такими уникальными свойствами, в частности, 25 для области спектра 10,6 мкм не существует, Поэтому пока может быть применен только второй вариант, при котором реализуется временное разделение соосных пучков с помощью 30 синхронно вращающихся зеркал с внешним металлическим покрытием. Ось вращения зеркал не должна совпадатьс центром зеркал. Существует ограничение на минимальную скорость вращения зеркал, которое обусловлено величиной теплопроводности исследуемого материала. Минимальная скорость вращения выбирается из условия, при котором не должны быть заметны флук- туации двупреломления с частотой вращения зеркал. Как показывает практика, для большинства материалов эчо условие выполняется при частотах, превышающих 10 Гц. вую информацию (при небольших размерах приемной площадки используется фокусирующая линза) в электрические сигналы. Сигналы с фотодетектора усиливаются селективным усилителемдо уровня, удобного для регистрации.Перед началом измерений производяткалибровку, которая учитывает видматериала, толщину объекта, его крислинейной части экспозиции и ряд других необходимых параметров. Информация о проведенных исследованиях взависимости от способа регистрацииможет отображаться или ввиде графической записи результатов воздействия,что чаще применяется при научныхисСледованиях, или в виде цифровойиндикации в единицах показателя поглощения, в основном применяемой при технологическом контроле объектов.Оля осуществления способа измерения оптического поглощения н высоко- прозрачных материалах предлагается устройство (два варианта), схема которого приведена на фиг. 1; на фиг.2- .показан стационарный поляризационный элемент по варианту один или аналогичное выполнение четверть- волновой фазовой пластины по варианту два.Устройство содержит источник излучения 1, например лампу накаливания, узкополосный светофильтр 2, диафрагму 3, стационарный поляризационный элемент 4, четвертьволновую фазовую пластинку 5, первое зеркало 6, держатель объекта 7, исследуемый объект 8, второе зеркало 9, вращающийся поляризационный элемент 1 О, объектив 11, фотодетектор 12, возбуждающий лазер 13 с термоловушкой 14, привод 5 держателя объекта, измеритель 16 мощности лазерного излучения, привод 17 вращающегося поляризационного элемента, анализирующий блок 18. Элементы 1-5, 7, 10-12, 5, 17, 18 являются элементами фотоэлектрического кругового полярископа. 35 40 45 50 В первом варианте устройства стационарный поляризационный элемент 4 состоит из четырех равновеликих круговых секторов (см. фиг. 2) с взаимно ортогональными направлениями наибольшего пропускания в соседних секторах. Эти направления расположеоны под углом 45 к оптической оси 55 Оля анализа наводимого двупреломления используется циркулярно-поляризованное излучение. После прохождения объекта циркулярно-поляризованное излучение в каждом квадранте преобразуется в эллиптически поляризованное с различным направлением вращения электрического вектора в соседних квадрантах. Вращающийся анализатор модулирует по амплитуде эллиптически поляризованное излучение с удвоенной частотой вращения. фотодетектор преобразует всю светоталлографическую ориентацию, времячетвертьволновой фазовой пластинки 5. Во втором варианте устройствакруговой полярископ с вращающимсяанализатором содержит обычный поляризатор, а четвертьволновая фазоваяпластинка совершенно иная: она состоит из четырех равновеликих частей,в виде круговых секторов с ортогональными направлениями оптическихосей в соседних секторах. Кроме того каждая из осей располагаетсяЭопод углом 45 к направлению наибольшего пропускания поляризатора,Устройство работает следующим образом,ФФаза первая - зеркала 6, 9 перекрывают оптическую ось полярископической системы. Излучение от возбуждающего лазера 13, отразившись отзеркала 9, проходит через исследуемую область объекта 8, возбуждаяв этом месте термоупругое двупреломление, и, отразившись от зеркала6, поглощается термоловушкой 14.Фаза вторая - зеркала выведены соптической оси полярископическойсистемы. Излучение лазера поглоща. -ется измерителем 16 мощности, электрический сигнал от которого, пропорциональный величине мощности, поступает в блок 18, Одновременно свет отисточника излучения 1 проходит светофильтр 2, преобретая нужный спектральный составЦилиндрический пу,чок монохроматизированного светапосле диафрагмы 3, уравнивающейинтенсивности четырех потоков, про"ходит через центр мозаичного поляризационного элемента 4 и становится линейно-поляризованным, каждаячетверть которого имеет ортогонально направленную поляризацию. Пройдячерез четвертьволновую фазовую пластинку 5, каждая составляющая потока становится циркулярно-поляризованной с чередующимся направлениемвращения электрического вектора,.т.е. лево- и правоциркулярно-поляризованной. После прохождения объекта циркулярно-поляризованный светпреобразуется в эллиптически поляризованный, причем степень эллиптичности зависит от величины наводимого двупреломления, а следовательно 1от величины показателя поглощенияЗа счет вращения элемента 10 интенсивность анализируемого потока ста 510520 новится модулированной по амплитудес удвоенной. частотой вращения анализатора. Объектив (линза) 11 фокусирует все четыре составляющиесветового потока на прнемную площадку фотодетектора, на выходе которого вырабатывается электрический сигнал, содержащий две компоненты: постоянную и модулированную на частоте 2 ю. Модулированная компонентарегистрируется блоком 18, в которыйс привода держателя объекта и измерителя мощности поступает информацияо координатах исследуемой точки имощности излучения. Используя ранее заложенные данные о необходимыхфизических параметрах объекта и длине волны анализирующего излучения,анализирующий блок преобразует входящую информацию в величину показателя поглощения. После очереднойэкспозиции объект дискретно переводится в следующую исследуемую точку, 2 и все повторяется сначала, Таким образом, в оперативной памяти блока 18накапливается информация о распределении показателя поглощения поплощади исследуемого объекта, ко торая может быть легко воспроизведена на экране дисплея или на графопостроителе. В варианте прибора смозаичной четвертьволновой фаэовойпластинкой анализирующее излучениепосле прохождения поляризатора 4становится однородно линейно-поляризованным, приобретая после прохождения мозаичной фазовой пластинки необходимые мозаичные свойства.Чувствительность способа измерения слабого оптического поглощения-3на уровне О см и меньше и аппаратуры, его реализующей, зависит от целого ряда параметров, в том числе от мощности лазерного излучения, возбуждающего термоупругиенапряжения, отдельных констант исследуемого материала и схемного решения конкретной аппаратуры. На лабораторном макете было установлено,что если радиус анализирующего луча равняется 2 мм (в описанном способе), а в прототипе - 2,5 мм, точувствительность при исследованиимонокристалла КС повышается в36 раз, следовательно, при использовании анализирующего излученияс круговым сечением диаметром 25 ммчувствительность возрастает более чем в 00 раз.Величина погрешностей при реализации предложенного способа зависит и от аппаратурных факторов, и от параметров исследуемого материала, таких как упругие и пьезооптические константы, удельные и объемные теплоемкости, коэффициенты линейного расширения. Последняя группа причин обуславливает стабильную систематическую ошибку, которая может достигать 10-153 (а иногда иболее) для некоторых материалов. Следует заметить, что при уровнях поглощейия 1 ООсм " при дефектоскопии лазерной прочности даже такие погрешности являются несущественными, так как "горячие" точки, обуславливающие степень надежности оптического элемента, имеют поглощение в десятки и сотни раз большее. На величину систематической погрешности также сильно влияет диаметранализирующего луча. Чем большедиаметр анализирующего луча, темменьше вероятная систематическаяошибка,.зависящая от этого параметра. В данном устройстве для минимизации этой .погрешности использует О ся регулируемая центрирующая диафрагма и образец со стабильным показателем поглощения, например изфтористого бария, основное поглоще-ние которого в области ИК-спектра 1 Ю 1 О мкм определяется собственнийпоглощением кристаллической решеткии, следовательно, зависит толькоот толщины образцового элемента,С .помощью диафрагмы при остальных 20 калиброванных параметрах подбираюттакой световой диаметр, при которомпоказания приборасоответствуют показателю поглощенияобразцового элемента.