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

 

1 . Способ измерения оптического поглощения 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 возбуждающего лазерного излучения, используя данные об обоих световых потоках и физических константах материала, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности, чувствительности и быстродействия, через исследуемую локальную область объекта оба луча пропускают соосно, причем используют монохроматизированное циркулярно-поляризованное из тучение , состоящее из четырех чередующихся левои правоциркулярных потоков, каждый из которых имеет 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 плаi стинку, держатель объекта, враща (Л ющийся поляризационный элемент, объектив и фотодетектор, а также анализирующий блок и возбуждающий лазер, оптически связанный с держателем объекта, отличающееся тем, что, с целью повьшения /точности, чувствительности и быстродействия , оно дополнительно содер00 жит первое и второе эеркала, снабю женные механизмом, обеспечивающим 00 периодическое синхронное пересечеvi ние ими оси полярископа, оптичессо ки связанные с возбуждающим лазером и между собой таким образом, что их общая оптическая осьсовпадает с оптической осью полярископа и проходит через держатель объекта а стационарный поляризахщонный элемент выполнен в виде круговой мозаики из четырех одинаковых секторов с взаимно ортогональными направле- : ниями наибольщего пропускания в соседних секторах, причем эти направления ориентированы диагонально по

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 0 G 01 N 21 62

Ф

< (.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3654089/24-25 (22) 17.10.83 (46) 23.03.86. Бюл, 11 - 11 (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт кристаллографии им. А.В.Шубникова (72) В.С.Чудаков, Г.Г.Праве, Е.И.Кортукова и С.В,Корьппев (53) 585.2(088.8) (56) Дарвойд Т.И. и др. Исследование некоторых свойств кристаллов

КРС в 10-микронной области спектра;

Кв. электроника, 1975, т. 2, 9 4, с, 765-772.

Авторское свидетельство СССР

У 743381, кл. G 01 N 21/02, 1978.

Авторское свидетельство СССР

И I 010940, кл. G 01 N 21/55, 1980. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО

ПОГЛОЩЕНИЯ ВЫСОКОПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ). (57) 1.Способ измерения бптического поглощения 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 возбуждающего лазерного излучения, используя данные об обоих световых потоках и физических константах материала, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности, чувствительности и быстродействия, через исследуемую локальную область объек„„SU„„11 2879 A та оба луча пропускают соосно, причем используют монохроматизирован пое циркулярно-поляризованное излучение, состоящее из четырех чередующихся лево- и правоциркулярных потоков, каждый из которых имеет 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, вращаS ющийся поляризационный элемент, объектив и фотодетектор, а также анализирующий блок и возбуждающий С 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 быст родействия, оно дополнительно содержит первое и второе зеркала, снабженные механизмом, обеспечивающим

I периодическое синхронное пересечение ими оси полярископа оптичесФ 1 РР ки 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 по

1! 82879

20

30 отношению к оптической оси четвертьволновой 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-1 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 образом 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, при котором величины поглощаемой и отводимой sa счет теплопередачи энергии равны. Таким образом в объекте создается аксиальное тепловое поле вия, оно дополнительно содержит первое и второе зеркала, снабженные механизмом периодического синхронного пересечения ими оси полярис> копа, оптически связанные с возбуждающим лазером и между. собой таким образом, что их общая оптическая ось совпадает с оптической осью по, лярископа и проходит через держатель объекта, а четвертьволновая фаэовая пластинка выполнена в виде мозаики, состоящей из четырех одинаковых круговых секторов с ортогональными оптическими осями в соседних секторах, диагонально расположенными по отношению 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 окрестн6сти 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 KCl, NaC1, ZnSe происходит не менее 3 с, в кристаллах

KPC-5 и КРС-6 — 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- 1О ющего и анализирующего лучей, можно испольэовать два варианта защи-ты, а именно спектральный и временной. При спектральной защите необ.— ходимо использовать стационарные на- 15 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 совпадать с 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 эго 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 усилителем до уровня, удобного для регистрации.

Перед началом измерений производят калибровку, которая учитывает вид материала, толщину объекта, его крислинейной части экспозиции и ряд других необходимых параметров. Информация о проведенных исследованиях в зависимости от способа регистрации может отображаться или ввиде графической записи результатов воздействия, что чаще применяется при научных исследованиях, или в виде цифровой индикации в единицах показателя поглощения, в основном применяемой при технологическом контроле объектов.

Для осуществления способа измерения оптического поглощения н высокопрозрачных материалах предлагается устройство (два варианта), схема которого приведена на фиг. 1; на фиг.2.показан стационарный поляризационный

1 элемент по варианту один или аналогичное выполнение четвертьволновой 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 10, объектив 11, фотодетектор

12, возбуждающий лазер 13 с термоловушкой 14, привод 15 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.

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 расположео ны под углом 45 к оптической оси

Для анализа наводимого двупрелом ления 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, время

1182879 четвертьволновой фазовой пластинки 5. Во втором варианте устройства круговой полярископ с вращающимся анализатором содержит обычный поля| ризатор, а четвертьволновая фазовая пластинка совершенно иная: она состоит из четырех равновеликих частей, в виде круговых секторов с ортогональными направлениями оптических осей в соседних секторах. Кроме того каждая из осей располагается

Э о под углом 45 к направлению наибольшего пропускания поляризатора.

Устройство работает следующим образом.

Ф

Фаза перв ая — зеркала 6, 9 перекрывают оптическую ось полярископической системы. Излучение от возбуждающего лазера 13, отразившись от зеркала 9, проходит через исследуемую область объекта 8, возбуждая в этом месте термоупругое двупреломление, и, отразившись от зеркала

6, поглощается термоловушкой 14.

Фаза вторая — зеркала выведены с оптической оси полярископической системы. Излучение лазера поглоща.— ется измерителем 16 мощности, электрический сигнал от которого, пропорциональный величине мощности, поступает в блок 18. Одновременно свет от источника излучения 1 проходит све тофильтр 2, преобретая нужный спектральный состав ° Цилиндрический пу,чок монохроматизированного света после диафрагмы 3, уравнивающей интенсивности четырех потоков, проходит через центр мозаичного поляризационного элемента 4 и становится линейно-поляризованным, каждая четверть которого имеет ортогонально направленную поляризацию. Пройдя через четвертьволновую фазовую пластинку 5, каждая составляющая потока становится циркулярно-поляризованной с чередующимся направлением вращения электрического вектора,. т.е. лево- и правоциркулярно-поля:— ризованной. После прохождения объекта циркулярно-поляризованный свет преобразуется в эллиптически поляризованный, причем степень эллиптичности зависит от величины наводимого двупреломления, а следовательно от величины показателя поглощения °

За счет вращения элемента 10 интенсивность анализируемого потока ста5

10 !

20 новится модулированной по амплитуде с удвоенной. частотой вращения анализатора. Объектив (линза) 11 фокусирует все четыре составляющие светового потока на прнемную площадку фотодетектора, íà выходе которого вырабатывается электрический сигнал, содержащий две компоненты: постоянную и модулированную на частоте 2ю . Модулированная компонента регистрируется блоком 18, в который с привода держателя объекта и измерителя мощности поступает информация о координатах исследуемой точки и мощности излучения. Используя ранее заложенные данные о необходимых физических параметрах объекта и длине волны анализирующего излучения, анализирующий блок преобразует входящую информацию в величину показателя поглощения. После очередной экспозиции объект дискретно переводится в следующую исследуемую точку, и все повторяется сначала, Таким образом, в оперативной памяти блока 18 накапливается информация о распределении показателя поглощения по площади исследуемого объекта, ко30 торая может быть легко воспроизведена на экране дисплея или на графопостроителе. В варианте прибора с мозаичной четвертьволновой фаэовой пластинкой анализирующее излучение после прохождения поляризатора 4 становится однородно линейно-поляризованным, приобретая после прохождения мозаичной фазовой пластинки необходимые мозаичные свойства.

Чувствительность способа измерения слабого оптического поглощения

-3 на уровне I О см и меньше и аппаратуры, его реализующей, зависит от целого ряда параметров, в том чис45 ле от мощности лазерного излучения, возбуждающего термоупругие напряжения, 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, то чувствительность при исследовании монокристалла КС! повышается в

36 раз, следовательно, при использовании анализирующего излучения с круговым сечением диаметром 25мм

))82879 чувствительность возрастает более чем в 100 раз.

Величина погрешностей при реализации предложенного способа зависит и от аппаратурных факторов, и от параметров исследуемого материала, таких как упругие и пьезооптичес-. кие константы, удельные и объемные теплоемкости, коэффициенты линейного расширения. Последняя группа причин обуславливает стабнпьную систематическую ошибку, которая может достигать 1 -15X (а иногда и более) для некоторых материалов.

Следует заметить, что при уровнях поглощейия lб -10 см " 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 диаметр

:анализирующего луча. Чем больше диаметр анализирующего луча, тем меньше вероятная систематическая ошибка,.зависящая от этого параме тра. В данном устройстве для минимизации этой .погрешности использует10 ся регулируемая центрирующая диафрагма и образец со стабильным показателем поглощения, например из фтористого бария, основное поглощение которого в области ИК-спектра

lS 1О мкм определяется собственн цй поглощением кристаллической решетки и, следовательно, зависит только от толщины образцового элемента.

С .помощью диафрагмы при остальных

20 калиброванных параметрах подбирают такой световой диаметр, при котором показания приборасоответствуют показателю поглощенияобразцового элемента.

1182879

ВНИИПИ Заказ 1340/3 Тираж 778, Подписное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4