Способ определения оптических параметров твердых веществ

СОЮЗ СОВЕТСНИХСО.1 ИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 19) ( 3311 4 СОМ 214 С 1:ГОР) Ч Ф М1 л3фф ТКл. д"ь 11 ЛН 3 ТЕ 4 л,ЕНИЯ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ Л оз ес дл луч еЕСКИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТ вДь СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) Ке 11 щапп Е., Ва 1 У.Н. РеэцгЕасе зйгасТоге Ггоэеп 1 пСо1 аэег-гпеес сиагСг.- Ар 1.Р 1 ту1982, ч.29, эег, А, р.Р.9-18.Базакуца П.В., МасленниковПрохоров А.М., Сычугов В.А, 0можности использования периодго поверхностного микрорельефопределения оптических констащества в условиях лазерного ония. - Поверхность, 1985, У 6с.82-85.(57) Изобретение относится к областитехнической физики, а именно к физике воздействия лазерного излученияна твердые вещества и физике высо"ких температур. Цель изобретениярасширение спектрального диапазонаи повышение точности измерений.Способ одновременного определенияпоказателя преломления и и коэффициента поглощениятвердых веществв условиях их высокотемпературногонагрева лазерно излучением основанна измерении профиля, образующегосяпод действием излучения в окрестности искусственно созданной поверхностной неоднородности, и его сравнениисо структурами, образование которыхпри различньм и и Х определяетсяпо наилучшему согласию теоретйческойИ экспериментальной зависимостей.1 з,пе ф лы 3 илИзобретение относится к физике,высоких температур и физике воздействия лазерного излучения на веществои может быть использовано для опреде 5ления показателя преломления и икоэффициента поглощения у среды привысоких температурах.Целью изобретения является расширение спектрального диапазона иповьпцение точности измерений,На Фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа; наФиг.2 и 3 - экспериментальные данные,15Устройство содержит образец 1 материала с предварительно нанесеннойцарапиной, лазер 2 с перестраиваемой частотой излучения, профилограф3 с встроенным в него самописцем имикроскопом и устройство 4 для измерения приповерхностной температуры. Микрорельеф на поверхностиобразца 1 создается излучением лазера 2, при этом устройство 4 фиксирует температуру приповерхностногослоя образца. После окончания действия импульса лазерного излученияна остающийся на поверхности микрорельеф наводится с помощью встроенного в него микроскопа профилограф 3,который регистрирует на самописцеформу профиля поверхности. Точностьтакого измерения составляет 5 А.В качестве исследуемого веществаиспользуют пластины иэ плавленногокварца с полированной поверхностью,на которую фокусируется излучениеимпульсного СО лазера, линейно поляризованное в плоскости падения перпендикулярно затравочной царапине.Затравочная царапина на поверхности образцов создается следующимобразом. Алмазным резцом прорезается узкая канавка с воспроизводимой(не хуже 1 03) . После однократноговоздействия с интенсивностью излучения выше порога в окрестности царапины появляются периодические структуры. Их период проявляет слабую 50зависимость от ширины канавки, еслиона не превышает 2,5 мкм, поэтому вдальнейших экспериментах ширина составляет 2 мкм.Наблюдаемый на опыте профиль представляет гобой суперпозицию началь -ной неровности и ее возмущения вследствие теплового расширения вещества,связанного с неравномерностью выде может реализоваться, если учесть процесс испарения вещества, что действительно имеет место.Зля полупространства, заполненного веществом, профиль поверхности задан функцией 1 = , (х), где ,(х) - искусственно формируемая неоднородностьх - координата по оси, перпендикулярной неоднородности. Из вакуума на эту поверхность падает электромагнитная волна Е= Е ехр(1)сх з 1 п ц + 11 Е созц) где ось 2 считается направленной вваккуум, Е - вектор амплитуды,волновое число,- угол между вектором 1 и обратным направлением оси 2, - мнимая единица.Амплитуда профиля полагается достаточно малей, чтобы поправку к полю на поверхности границы раздела двух сред можно было рассчитать по теории возмущений. Выражение для вектора сЕ записано в предположении, что уголмежду направлением линии неоднородности и плоскостью падения излучения равен 90.Задача о нахождении температуры Т(х,г) в веществе с учетом наличия рельефа поверхности решается для Т (х,г) = Т (г)+ Т, (х,г) где Т,(г) - рещение задачи об испарении плоской границы; Тх,г) - тем/пературная добавка, связанная с образованием микрорельефа. В системе координат движущейся ссо скоростью Ч, для поверхностьюТ (г) имеютТаг=о ления энергии за счет существоаанияпрофиля. Поскольку из экспериментаследует, что область локализации возникающей структуры с течением времени не меняется, естественно предпо-.ложить, что мы имеем дело с квазистационарной ситуацией. Такая ситуация3433 где= г+1(1;время;температуропроводность среды;5коэффициент теплопронодности 10 2,Г:ЕГеЕ (х) -поправка к полю на плоскос 1 Хти= О, обусловленнаянеровностью реальной поверхностиЕф .Е -комплексно сопряженные векОХ 1 Хличины.Для Фурье представления)Т= п + 1 с 1 Я/ ъ)И) - Фурье-образ функции(х)Е (х) + (х), (х) - искомый профиль деформации плоской поверхности.В результате из формул (4) и (5) З 5 для Т,(х, ) получаютфМх 11- Р(12 (.1) Р(1Г (х 1):. Й 1 рИ т (:о)45 Пользуясь теорией упругости, можно вычислять компоненту вектора деформации по оси. Дифференцируярезультат по х, чтобы исчезли незанисящие смещения, и полагая= О, по" лучаютаж ым 1, , 1 "ах = Зт 11 (1-ЗЬ)Х- Х(4) г, () = -;,- ехр (2. к);8 )спхОоплотность мощности падающего излучения;и и х - показатель преломления икоэффициент поглощения среды соответственно;- теплота испарения единицыобъема вещества.Скорость испарения Ч связана с температурой поверхности соотноше- нием где 5 - величина порядка скорости звука в веществе;- нес моля вещества;- плотность;К - газовая постоянная.При сравнительно невысоких температурах нагрева понерхности, когда выполняется неравенство т,( = О) д,йиэ формул (1) следует 4 пОЧ "- (и" + Х 1)3Для нахождения величины Тд(х,к) и соответствующей ей деформации поверхности надо перейти в систему координат, движущуюся со скоростью Ч. При условиит- т,( = О)т,(= О) что соот 11 е 1 етвует малости изменения профиля эа счет испарения по сравнению с деформацией понерхности. Это и есть условие существования квази- стационара. Функия тепловыделения13Полученные в рамках теории упругости результаты, остаются справедливыми и в том случае, если имеют дело с тепловым расширением не твердого тела, а жидкости. При этом образование необратимого рельефа поверхности может быть связано с изменением вязкости вещества. К обеим сторонам приведенного интегрального уравнения применяют преобразование Фурье.В результате для величины(С 1) получают алгебраическое уравнение, Разрешая его и делая обратное преобразование Фурье, имеютх- ЛГО+ЭМЦГ 2 н 1 1 Р+Л Э+Э"(-)3где Р( -1 х 1(1 с)1 +1аЬ3 (1-26)Рассмотрим простейшую ситуацию,положив(х) = 2Ь с(х), с (х) дельта-функция, й - постоянная величина. Тогда при больших значениях х таких, что 1 с 1 х 1 1, а также при выЛ)1 е полнении неравенства в в- (х.11 с+гх которое накладывает ограничение на величину О, из приведенного выражения для (х) получают(7) 1 ЬЛ К 1 Х 1 К х 112 где Р (х):- Ех Ф г хг(,1 Кх)2 )+ 4176(е-п)1,+ = (, - =.,).,фУнкции В (У) =1 пРи УО иВ(У) = О пР У сО 1Г( ф ) - неполная гамма-фунция;12 Еф(1 х 1)=Ь 1 Гс(ф ) со 5 (р 1 х)+51 (9)х 1)51 п(х)11с ( ) и 51 ( ) функции интегральногокосинуса исинуса,В= 4 1 с к - соэ ч(с 1,1 ьг ф кИнтерес представляют два предельных случаях. 11 ервый иэ них а) Ь,43311 6где а = Реи Ь = .1, соответствуют существованию поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ). При выполнении неравенств а 1 ) х 1 м) 1 иг5Ь сх(х 1 находятЬ ЛКа -гКхаЬ1 хеС+(х 1): (477 Е 51 п(,х 1+а Кх 1)- +10 х51 ь ( +х 1+ - )4(ьк)х 1)20 Полученные теоретические результаты позволяют объяснить приведенныеэкспериментальные данные. Прежде всего следует, что фиг.3 и формулы 7,8образующиеся структуры связаны с воз буждением ПЭВ, поскольку период спрофиля при малых углах падения отличается от длины волны падающего излучения. При увеличении угла падения картина становится асимметричной ,10 относительно начального возмущениячто находит свое теоретическое объяснение (формула 7) в наличии функции8( + х), при которой сомножителем стоит функция Р+(х 1),осциллирующая сразными периодами по разные стороныот затравочного возмущения. Входящая в формулу (7) функция ф( 1 х 1) неменяет существенно вида структуры,поскольку она является достаточномедленно осциллирующей, слабо затухающей функцией.Согласно формуле (8 ) периодическая структура пространственно локализуется на расстояниях 1 х = ХР 45,поскольку при достаточно2 МаЬбольших значениях плотности мощносЛти О величина ---- слабО зависитс)+ +гот ( (ЛслО,сэ П (формулы (3) и(6. Это объясняет экспериментальную зависимость (фиг.2).Как следует из проведенного теоретического рассмотрения, в случаеЬ ) а невозможно возбуждение ПЭВ,однако возможно возникновениеструктур, период которых определяется только длиной волны и угломпадения лазерного излучения.13437На эксперименте с помощью профилограа определяют Аункцию(х)(1(х) - 2 Ф ) х) и, фиксируя некоторую точку х , проводят сравнение теоретических и экспериментальных результатов, что и позволяет определить искомые параметры и и к .Определяют значения и и х иэ по" лученных экспериментальных данных.Как следует нэ эксперимента, имеет место воэбуждение ПЭВ. Поэтому согласно формул (7) и (8)27 1Д е Хф 1,+ а)се 2 1 хаЬ15 31 составляет с направлением линии неоднородности угол Ы = 90, после прекращения воздействия лазерного излучения определяют обраэовавшийся профиль поверхности исследуемого вещества при удалении от неоднородности в перпендикулярном к ней направлении по оси Х как функцию координаты Х и сравнивают отношение экспериментального профиля(х) к амплитуде этого профиля х,) в( некоторой фиксированной точке х, с теоретической зависимостью2 1 аЬ Иэ фиг.2 и 3 следует, что при =0 д = с) = 9 бмкм иХ= - 80 мкм, что дает и = 0,3 и х = 3.Использование предлагаемого способа определения оптических парамет ров и и у обеспечивает по сраннению с известными способами следующие преимущества.Оптические параметры и имогут быть определены в более широкой спектральной области, в частности там, где образование поверхностных структур не связано с возбуждением ПЭВ, а параметры и и у определяются в рамках одной методики с более высокой точностью,Формула изобретения1. Способ определения оптических параметров твердых веществ, как функции частоты падающего излучения при температурах плавления вещества и выше, заключающийся в том, что поверхность исследуемого вещества об лучают плоскополяризованным лазерным излучением длиной волны 4 с электрическим вектором, лежащим в плоскости падения, измеряют период о, возникающего на поверхности вещества микрорельефа, повторяя последовательность операций на разных частотах лазерного излучения, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целЬю расширения спектрального диа О пазона и повышения точности измерений, перед облучением исследуемого вещества на его поверхности формируют неоднородность устойчивую к воздействию температуры в виде прямой линии с поперечным размером 1, удовлетворяющим соотношению- 0,2,и облучают лазерным излучением, плоскость падения которого Г (-1 1 и)х) )+4 Кю 0(б-Ь) , (к)=2 КеГ( - ,к //)4 ф(а.) х екр 1 а, х)-)х,+51х)-)х,0 (. х ) где Г( М 1 х 1( - неполная гам 2ма-функция, 1 - мнимая единица,- модуль волнового2 -вектора электромагнитной волны, где и и х - соответственно показатель преломления и коэффициент поглощения вещества, Ц 2 = )х( + з 1 и )- угол между нормалью понерхности и направлением, обратным напранлению падения лазерного излучения, индексы ф при величине ц+ соответствуют знакам аргумента функции В( + х) которые в свою очередь соответствуют случаям положительной или отрицательной проекции волнового вектора К на ось Х и по наилучшему согласованию экспериментального профиля поверхности с теоретическим определяют упомянутые параметры вещества, причем в момент воздействия лазерного излучения определяют температуру.2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью определения упомянутых параметров при условии у10 измеряют расстояние от линии неоднородности Хе на котором амплитуда профиля спадает в 2,73 раза, и определяют и и у иэ зависимостей(у Ц(отн, ей)г,о Фиг. гСоставитель С.Голубев Редактор Н.Егорова Техред Л.Сердюкова Корректор М.Пожо Заказ 4816/44 Тираж 776 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул. Проектная, 4