Способ определения механической прочности покрытия на поверхности оптического элемента и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способам физико-химического анализа, в частности к способам и устройствам для определения прочности твердых тел. Сущность изобретения: по способу определения механической прочности покрытия на поверхности оптического элемента, основанному на истирании поверхности покрытия циклическим перемещением истирающего устройства и регистрации инфракрасного излучения, возникающего в результате трения истирающего устройства по поверхности, покрытия, и определении механической прочности по числу циклических перемещений истирающего устройства, поверхность дополнительно облучают излучением в видимой или(и) инфракрасной области спектра, определяют коэффициенты пропускания оптического элемента с исследуемым покрытием по отношению прошедшего K_пр излучения к облучаемому излучению перед истиранием и в процессе истирания, а механическую прочность определяют по количеству циклов истирающего устройства, при которых в видимой или(и) инфракрасной области спектра изменится на 1% по отношению к K_пр Устройство, реализующее способ, содержит дополнительно источники видимого или(и) инфракрасного излучения, два модулятора, дополнительный регистратор, два оптических элемента, при этом один модулятор оптически сопряжен с источником излучения, с первым входом первого регистратора, второй модулятор сопряжен с источником видимого излучения и первым входом второго регистратора. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам физико-химического анализа, в частности к способам и устройствам для определения прочности твердых тел. Цель изобретения расширение области применения и непрерывный контроль изменения механической прочности покрытия до момента разрушения. На чертеже приведена принципиальная схема устройства для определения механической прочности покрытия на поверхности оптического элемента. Устройство содержит источник 1 ИК-излучения, поворотные зеркала 2-5, оптический элемент 6 с испытуемым покрытием, первый модулятор 7, второй модулятор 8 (или полупрозрачное зеркало), первый регистратор 9 излучения, источник 10 видимого излучения, первый оптический элемент 11, диафрагмы 12, 13, второй регистратор излучения 14, подвижные шторки 15 и 16, истирающее устройство 17, осциллографы 18, 19, самописцы 20, 21, юстировочное зеркало 22, второй оптический элемент 23, первое входное окно 24 первого регистратора, второе входное окно 25 первого регистратора, первое входное окно 26 второго регистратора, второе входное окно 27 второго регистратора. Устройство предназначено для транспортировки излучения в зону истирания испытуемого покрытия оптического элемента, контроля изменения коэффициента пропускания в процессе истирания и непрерывного контроля изменения механической прочности покрытия до момента разрушения. Контроль изменения коэффициента пропускания проводится в видимой или(и) ИК-области спектра излучения в зависимости от рабочей длины волны оптического элемента. При работе оптического элемента в видимой и ИК-области спектра оценка изменения коэффициента пропускания, а по ней определение механической прочности покрытия, проводится одновременно в видимой и ИК-областях спектра. В качестве источников излучения используются в видимой области спектра лазер, генерирующий монохроматическое излучение с длиной волны λ 0,63 мкм, а в ИК-области лазер, генерирующий монохроматическое излучение с длиной волны λ 10,6 мкм. Излучение в ИК-области спектра при помощи поворотных зеркал 2 и 3 направляется на оптический элемент 6 с испытуемым покрытием. На оптическом тракте ИК-луча после зеркала 3 установлен модулятор 7, предназначенный для создания импульсного потока лазерного излучения и расщепления потока. Принцип действия модулятора заключается в том, что под действием электропривода модулятор, установленный под углом, например 45^о к потоку излучения, периодически перемещается вокруг своей оси, оказываясь к потоку излучения либо секториальными окнами, либо вертикальными участками, тем самым попеременно пропуская и отражая излучение и образуя рабочий и опорный лучи. Рабочий луч после прохождения оптического элемента с испытуемым покрытием попадает на первый оптический элемент 11, отражается от него и попадает на второе входное окно 25 первого регистратора 9 излучения. Первый оптический элемент представляет собой подложку с зеркальным покрытием. Опорный луч, после отражения модулятором, направляется на первое входное окно 24 первого регистратора 9 излучения, предназначенного для обеспечения независимости выходных сигналов приемника излучения от колебания направления входного облучающего потока, и позволяет проводить сравнение прошедшего через оптический элемент с исследуемым покрытием излучения с облучающим излучением. В качестве регистратора излучения используется, например, фотометрический шар, на котором установлен пироэлектрический фотоприемник, величина выходного сигнала которого пропорциональна освещенности внутренней поверхности фотометрического шара. Выходные электрические сигналы фотоприемника регистрируются, например, осциллографом 10. Для юстировки ИК-излучения (невидимого) производится визуализация оптического тракта ИК-излучения при помощи видимогоо красного излучения. Для совмещения в процессе юстировки хода лучей видимого и ИК-излучения в оптическую схему введены юстировочное зеркало 22 и две диафрагмы, которые снимают в рабочем режиме установки. Юстировочное зеркало представляет собой подложку с зеркальным покрытием. При измерении в видимом диапазоне излучение, генерируемое источником 10 при помощи поворотных зеркал, направляют на испытуемое покрытие оптического элемента. На оптическом тракте видимого луча после зеркала установлен второй модулятор, аналогичный первому. Вместо второго модулятора может быть использовано полупрозрачное зеркало с коэффициентом пропускания 0,5. Рабочий луч видимого излучения после прохождения оптического элемента 6 с исследуемым покрытием направляется с помощью второго оптического элемента на второе входное окно второго регистратора 14 излучения. В качестве второго регистратора излучения используется фотометрический шар, аналогичный фотометрическому шару, используемому в качестве первого регистратора излучения. Опорный луч после отражения от второго модулятора 8 (или полупрозрачного зеркала) направляется на первое входное окно второго регистратора излучения. Выходные электрические сигналы фотоприемника регистрируются осциллографом 19. Штоки 15 и 16 используют для перекрывания, при необходимости, входных окон 24-27 регистраторов 9 и 14 излучения. При одновременном определении механической прочности покрытия в видимом и ИК-спектрах излучения лучи от видимого и ИК-источников излучения подаются поочередно. Определяют коэффициенты пропускания (начальные) оптического элемента и исследуемым покрытием в видимой и(или) ИК-областях спектра и включают истирающее устройство, совершающее циклические перемещения наконечником вдоль испытуемого покрытия оптического элемента через его центр. Выходные электрические сигналы регистратора излучения 9 и 14, регистрируемые осциллографами 18, 19, подаются на самописец, который наносит их на калибровочный график, отградуированный в коэффициентах пропускания оптического элемента в зависимости от величины электрического сигнала. Механическую прочность покрытия оптического элемента определяют по количеству циклических перемещений истирающего устройства фиксируемое счетчиком, при котором коэффициент пропускания К_пр' в рабочем диапазоне эксплуатации элемента в видимом и(или) ИК-областях спектра изменится на 1% по сравнению с коэффициентом пропускания К_пр, который имел оптический элемент с исследуемым покрытием до начала процесса истирания. При таком изменении коэффициента пропускания в рабочем диапазоне эксплуатации элемента использовать его обычно не представляется возможным, хотя полного разрушения покрытия, как правило, еще не наблюдается. При таком изменении коэффициента пропускания оптического элемента в рабочем диапазоне эксплуатации его необходимо отправлять на реставрацию (например, переполировку) для восстановления коэффициента пропускания. Подача на оптический элемент нагрузки, соответствующей количеству перемещений истирающего устройства, большей, чем та, которая приводит к изменению коэффициента пропускания элемента на 1% но меньше нагрузки, при которой происходит разрушение покрытия, является недопустимой и приводит к преждевременному выходу оптического элемента из строя. П р и м е р. Устанавливают оптический элемент диаметром 50 мм из стекла марки ИСК-25 с просветляющим ахроматическим покрытием 6 " 39И.37И" согласно ОСТЗ-1901-85. Нагружают наконечник истирающего устройства усилием 50 г для прижима наконечника к поверхности испытуемого покрытия оптического элемента. Устанавливают диафрагмы 12, 13 и юстировочное зеркало. Включают источник ИК-излучения (лазер ЛГ-24, ИК-диапазон, λ 10,6 мкм). Включают источник видимого излучения (лазер ЛГ-52-3; видимый диапазон) и юстируют ИК-излучение, совмещая в процессе юстировки ход луча видимого красного излучения лазера ЛГ-52-3 и ход луча ИК-излучения с помощью юстировочного зеркала и диафрагм. После юстировки выключают лазеры ЛГ-52-3 и ЛГ-74 и снимают юстировочное зеркало и диафрагмы. Включают лазер ЛГ-74. Включают первый регистратор излучения, осциллограф, самописец и определяют коэффициент пропускания оптического элемента на длине волны 10,6 мкм по калибровочному графику (коэффициент пропускания составил 59,9%). Включают истирающее устройство и фиксируют изменение коэффициента пропускания на калибровочном графике. При уменьшении коэффициента пропускания до 58,9% определяют механическую прочность испытуемого покрытия по количеству циклических перемещений наконечника вдоль покрытия через его центр, фиксируемых счетчиком (при этом выключают истирающее устройство). Количество циклических перемещений составило 480 при нагрузке на наконечнике 50 г. При этом визуально наблюдаемых следов разрушения покрытия не обнаружено. При определении момента разрушения покрытия включают истирающее устройство и по характеру изменения коэффициента пропускания на калибровочном графике определяют момент разрушения покрытия. Моменту разрушения покрытия соответствуют 555 циклических перемещений истирающего устройства при нагрузке на наконечнике 50 г. То есть, отличие количества перемещений, соответствующего моменту разрушения покрытия, от количества перемещений, соответствующего моменту выхода оптического элемента из строя в результате снижения коэффициента пропускания до нерабочего уровня (на 1%) составляет 16% По ОСТ-3 -1901-85 покрытие относится к III классу механической прочности. Калибровку градуировочного графика проводят следующим образом. На спектрофотометре, например, фирмы "Hitachi" определяют коэффициенты пропускания оптических элементов на длине волны 10,6 мкм, имеющих различные коэффициенты пропускания. Затем устанавливают эти оптические элементы в устройство, представленное на чертеже, поочередно и определяют сигнал (в млВ) в первом регистрирующем устройстве при облучении этих элементов ИК-излучением при заведомо известном коэффициенте пропускания. На основании полученных измерений строят график зависимости сигнала от первого регистратора излучения, поступающего на осциллограф, от коэффициента пропускания. Выключают самописец, осциллограф, первое регистрирующее устройство и лазер ПГ-74. Описанный способ и устройство позволяют проводить непрерывный контроль изменения механической прочности покрытия от начального момента вплоть до момента его разрушения и определять механическую прочность покрытия, не достигая момента его разрушения в ИК-области спектра.

Формула изобретения

1. Способ определения механической прочности покрытия на поверхности оптического элемента, основанный на истирании поверхности покрытия циклическим перемещением истирающего устройства и регистрации инфракрасного излучения, возникающего в результате трения истирающего устройства по поверхности покрытия, и определения механической прочности покрытия по числу циклических перемещений истирающего устройства, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения и непрерывного контроля изменения механической прочности покрытия до момента разрушения, поверхность покрытия дополнительно облучают излучением в видимой или(и) инфракрасной области спектра, определяют коэффициенты пропускания оптического элемента с исследуемым покрытием по отношению прошедшего через него излучения к облучающему излучению перед истиранием К_пр и в процессе истирания K^,_пр, а механическую прочность определяют по количеству циклических перемещений истирающего устройства, при которых коэффициент пропускания K^,_пр в видимой или(и) инфракрасной области спектра изменится на 1% по отношению к К_пр. 2. Устройство для определения механической прочности покрытия на поверхности оптического элемента, содержащее первый регистратор излучения, оптически сопряженный с исследуемым покрытием, и истирающее устройство, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения и непрерывного контроля изменения механической прочности покрытия до момента разрушения, в него введены источники видимого или(и) инфракрасного излучения, первый модулятор, второй модулятор или полупрозрачное зеркало, второй регистратор излучения, первый и второй оптические элементы, при этом первый модулятор установлен по ходу луча инфракрасного излучения под углом к оптической оси с возможностью вращения вокруг своей оси и оптически сопряжен с источником инфракрасного излучения, с первым входом первого регистратора излучения и через оптический элемент с первым оптическим элементом, установленным по ходу луча инфракрасного излучения, и вторым выходом первого регистратора, а второй модулятор, или полупрозрачное зеркало, установлен по ходу луча видимого излучения, под углом к оптической оси, с возможностью вращения вокруг оси и оптически сопряжен с источником видимого излучения, первым входом второго регистратора, с вторым оптическим элементом, установленным по ходу луча видимого излучения, и вторым входом второго регистратора излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1