Способ измерения показателя поглощения

)4 С 01 И 21 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(46) 15,03,86. Бюл. У 10. (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт кристаллографии им. А.В, Шубникова(56) Брюшкова Т.И. и др, Измерение малых коэффициентов поглощения стекол калориметрическим методом, Квантовая электроника, т. 3, В 11, 1976, с. 2500 - 2503.Дарвойд Т.И.,и др. Исследование некоторых свойств кристаллов КРС в 10-микронной области спектра,-Квантовая электроника, т, 2, В 4, 1975, с. 765-772.(54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ, включающий лазерный нагрев прозрачных объектов, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повьппения чувствительности при изменении локального поглощения в крисах кубической сингонииперпенди улярно поверхности плоскопаральной пластины, выполненной так, что поверхность пластины параллельна одной из плоскостей симметрии, например (100), например выколотой по плоскости спайности, пропускают возбуждающий термоупругие напряжения лазерный луч и одновременно измеряют линейную часть приращения разности хода с помощью луча монохро матизированного излучения, пропускаемого параллельно возбуждаемому лучу так, что прямая, проходящая через точки пересечения лучей с пластиной, параллельна направлению ( 100) или (110),.и определяют показатель поглощения К по следующей формуле:Гк" -- г13 йЕвс ) Г - линейная часть приращенияразности хода;1 - время нарастания линейнойчасти приращения;- толщина пластины;8 в , мощность лазера;Е - значение модуля Юнга длянаправления прямой, проходящей через оба луча; М. - коэффициент линейного расши"рения;; - удельная объемная теплоемкость; фотоупругая константа, соответствующая комбинации направлений действия напряженийпо прямой, соединяющей лучи,и направления наблюдения,перпендикулярного поверхности;- расстояние между лучами.Изобретение относится к техничес- кой физике. Оно может быть использовано при отработке технологии выращивания совершенных высокопрозрачных кристаллов, при дефектоскопии загото вок и силовых элементов, используемых в лазерной технике, при физических исследованиях, направленных на выяснение различных механизмов слабого объемного поглощения. 1 ОИзвестны способы измерения показателей поглощения К основанные на лазерном нагреве прозрачных объектов. Измерение показателя поглощения осуществляют следующим образом: 15 поток монохроматического излучения лазера попадает на исследуемый образец, изготовленный в виде цилиндра с полированными торцами и установленный так, чтобы ось цилиндра сов" 20 падала с направлением пучка. С помощью датчика контроля разности температур осуществляется отсчет приращения температуры измеряемого образца Относительно образца сравне ния, не подвергающегося воздействию лазерного излучения. Одновременно измеряется мощность лазера, Используя значения приращения температуры, времени воздействия лазера, его мощ ности и табичные константы материала, определяют показатель поглощения.Однако для измерения требуется изготовить специальные образцы, как правило, строгой цилиндрической формы с высококачественной поверхностью, Известные способы позволяют измерять только интегральное значение показателя поглощения. Кроме того, известные способы, в которых используется 40 лазерный нагрев, - это контактные способы, где показания регистраторов в сильной мере зависят от качества контакта датчика с поверхностью образца и степени облученности дат чиков рассеянным лазерным излучением.Наиболее близким по технической сущности к данному способу является способ, включающий лазерный нагрев образцовс50Недостатком известного способа является низкая чувствительность при измерении поглощения в кристаллах кубической сингонии.Целью изобретения является повышение чувствительности при измерении локального поглощения в кристаллах кубической сингонии. 11 оставленная цель достигается тем, что перпендикулярно поверхности плоскопараллельной пластины, выполненной так, что поверхность пластины параллельна одной из плоскостей симметрии, например выколотой по плоскости спайности, в частности (100), пропускают возбуждающий термоупругие напряжения лазерный луч и одновременно измеряют линейную часть приращения разности хода с помощью луча монохроматизированного излучения, пропускаемого параллельно возбуждаемому лучу так, что прямая, проходящая через точки пересечения лучек с пластиной, параллельна направлению (100 ) или 110) , и определяют показатель поглощения к по следующей формуле:г у1 д ЯЕмсгде Г - линейная часть приращенияразности хода;время нарастания линейнойчасти приращения;толщина пластины;8 - мощность лазера;значение модуля Юнга длянаправления прямой, проходящей через оба луча;М. - коэффициент линейного расширения;- удельная объемная теплоемкостьС - Аотоупругая константа, соответствующая комбинации направлений действия напряженийпо прямой, соединяющей лучи,и направления наблюдения, перпендикулярного поверхности;Р - расстояние между лучами.Ланный способ измерения показателя поглощения, включающий лазерный нагрев, основан на эффекте локального наведения оптического анизотропии в плоскспараллельных пластинах кристаллов кубической сингонии при прохождении лазерного излучения мощностью от одного ватта до нескольких десятков ватт, возбуждающего в месте воздействия упругие термонапряжения, величина которых убывает ст места воз 2действия по закону 1/гКомпоненты напряжения, как известно, образуют тензор второго ранга. Они зависят от направления температурного градиента в пластине, в результате которогопластинку, используя условия, оговоренные выше. Линейное приращения по времени несколько секунд и регистрируется автоматически фотоэлектрическим поляризационным устройством, использующим монохроматизированный луч в координатах "приращения двупреломления - время", Один из вариантов такого устройства, описан ниже.Расчет показателя поглощения производят по Формуле: 10(3)15 К 1 а ИЕс" 7 являющейся следствием формул (1) и(2) .На Фиг. 1 изображено устройстводля осуществления предлагаемогоспособа, на Фиг. 2 показана зависимость разности хода Г от времени.Устройство содержит лампу накаливания 1, светофильтр 2, поляризатор3, клин-компенсатор 4, первое плоское зеркало 5, кристалл 6, второе р 5плоское зеркало 7, анализатор 8,. фотодетектор 9, первый катодный повторитель 10 селективный усилитель11, второй катодный повторитель 12,самописец 13 шамотный кирпич 14,полевую диафрагму 15, лазер 16,зеркальную металлическую заслонку 17и калориметр 18.Устройство работает следующимобразом. Тепловое возбуждение крис-.35талла 6 производилось с помощью лазера ЛГлуч которого вводился ивыводился из полярископа плоскимизеркалами 5 и 7. Мощность лазераизмерялась калориметром 18. До ипосле измерения К лазерный луч направлялся зеркальной металлической заслонкой 17. При измерении к луч поглощался кусочком шамотного кирпича 14.Для измерения наводимой разности хо 45да использовали схему фотоэлектрического полярископа с вращающимся анализатором, позволяющим проводить быструю линейную регистрацию небольшихразностей хода. В качестве осветителя применяли лампу накаливания С 1-62,50Светофильтр 2 состоял из пластинкипросветленного германия и пластинкитонкого плексигласа. Такой светофильтримеет максимум пропускания у 1,9 мкм,что позволяет эффективно проводить55измерения кристаллов, которые заметно рассеивают и деполяризуют проходящее излучение поверхностными или объемными дефектами в видимой области спектра. Функции поляризатора 3 и анализатора 8 исполняли инфракрасныедихроичные пленки, Анализатор вращался от синхронного электродвигателя посредством шкивов и резинового пасика. Перестраиваемая четвертьволновая кварцевая пластинка 4, изготовленная по типу компенсатора Солейля была установлена в диагональное положение по отношению к поляризатору, причем оба элемента могли синхронно поворачиваться вокруг оси прибора. Последнее необходимо при исследования напряженных кристаллов. При наличии напряжений в кристалле перестариваемую пластинку устанавливали так, чтобы главные направления, например "быстрые" оси, пластинки и исследуемого места совпадали (при этом разности хода элементов арифметически суммировали). Затем, изменяя разностьхода пластинки, добивались положения,при котором отсутствовала модуляцияизлучения на удвоенной частоте вращения анализатора. При такой настройкеперестариваемая пластинка и кристалл суммарно выполняли роль четвертьволновой Фазовой пластинки. В качествефотодетектора 9 использовали неохлаждаемое сернисто-свинцовое фотосопротивление АНс приемной площадкой 0,6 х 0,4 мм. Полевая диафрагма 15 диаметром 1 мм позволила проводить измерения при достаточно высокой чувствительности, не прибегая к помощи элементов в осветительной и регистрирующей частях полярископа. Измерительная часть полярископа состояла из селективного усилителя У 2-6, настроенного на удвоенную час. -тоту вращения анализатора, и потенциометра КСП(13), а также двух катодных повторителей 10 и 12, согласующих фотодетектор с усилителем и усилитель с самописцем. На описанном устройстве были проведены измерения показателя поглощения в различных кристаллах, отличающихся, как чистотой, так и состоянием1поверхности. Опробованы кристаллыКС 1, ИаС 1, КЕЯ 5, ККЯ 6, АрС 1, ВаГ,Во всех кристаллах измеренные величины превосходили пороговые,На Фиг, 2 изображены кривые ГЯ)Ф полученные при измерении К в двух точках пластинки КС 1 толщиной 9 мм(кривые 1 и 1), и в пластинке ВаРтолщиной 1 мм (кривая 2). Показателипоглощения соответственно были рав- сны 1,5 10 см ; 7 1 О см и 0,08 смПороговые значения К , измеряемыепо данному способу, зависят от нескольких причин, причем как аппаратурных,ых так и обусловленных свойствамикристаллов. Аппаратурными факторамиявляются предельная чувствительностьполярископа и мощность лазера. Паиболее важными кристаллическими константами, влияющихми на чувствительностЬ метода, можно считать константу и коэффициент теплопроводности,Как отмечалось выше, пороговая чувствительность понижается из-за загрязнения поверхности.Измеряемые образцы, как правило,содержат включения. Если размер вклю-,чений много меньше диаметра лазерного пучка, то каждое включение становится локальным поглотителем излучения, отдающим тепло матрице, и одновременно является источником напряжений. Поля напряжений от таких источников практически затухают на расстояниях, меньших 200 мкм, не соизмеримых с расстоянием от места воздействия до места измерения. Кроме того, формирование поля напряжениявокруг включения происходит заочень короткое время и поэтому не5 влияет на измеряемый наклон кривойГ Я). Таким образом, двупреломление,наводимое в высокопрозрачных образцах с малым содержанием включений,на больших расстояниях от места воз 1 О действия лазерного пучка практически не зависит от поля напряжения отдельных включений и определяетсясуммарной мощностью, поглощаемой матрицей и включениями, т.е. э ектив 15 ным значением коэффициента поглощения образца,Данный способ пригоден для контроля качества готовых элементов, при менением также для совершенствованияи уточнения технологии выращиваниякристаллов высокой прозрачности иобработки изделий из них. Способпозволяет существенно повысить надежность работы комплексов, включающих элементы силовой оптики, а такжеизбежать изготовления дорогостоящихспециальных образцов, что существенно удешевляет контрольные операции ЗВ при усовершенствовании технологии1 выращивания и обработки кристаллов.743381 Ю 1 Ч 1; Бутяга Техред З.Па Коррект Тираж 778 Государственного делам изобретений и Москва, Ж, РаущсЗаказ 1165 с ВНИИПИ 3 т у, город, ул. Проектная, 4 Филиал ППП актор О, Кузнец омитета СССРоткрытийая наб д, 4/