Способ определения оптических параметров твердых веществ

 

Изобретение относится к области технической физики, а именно к физике воздействия лазерного излучения на твердые вещества и физике высоких температур. Цель изобретения - расщирение спектрального диапазона и повыщение точности измерений. Способ одновременного определения показателя преломления п и козффициента поглощения у. твердых веществ в условиях их высокотемпературного нагрева лазерным излучением основан на измерении профиля, образующегося под действием излучения в окрестности искусственногсозданной поверхностной неоднородности, и его сравнении со структурами, образование которых при различных п и эг определяется по наилучшему согласию теоретической и экспериментальной зависимостей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. с (Л 00 4 СО со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СО1.1ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 С О1 М 21 41 вегою

ll л

I ИЬЛН ) ТЕ4" ь

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4006684/24-25 (22) 07.01.86 (46) 07.10.87.Бюл. У 37 (72) N.Â.Âèãàíò, А.А.Ковалев, О.Л.Куликов, Б.И.Макшанцев и Н.Ф.Пилинецкий (53) 525.024 (088.8) (56) Keilmann Е., Bai Y.Н. Periodic

surface stracture frosen into COilaser-meted quartz.- Ар11.Rhys., 1982, ч.29, ser. A, р.Р.9-18.

Базакуца П.В., Масленников В.Л., Прохоров А.М., Сычугов В.А, О возможности использования периодического поверхностного микрорельефа для определения оптических констант вещества в условиях лазерного облучения. — Поверхность, 1985, У 6, с.82-85. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ

„„Я0„„1343311 А1 (57) Изобретение относится к области технической физики, а именно к физике воздействия лазерного излучения на твердые вещества и физике высоких температур. Цель изобретения расширение спектрального диапазона и повышение точности измерений.

Способ одновременного определения показателя преломления и и коэффициента поглощения твердых веществ в условиях их высокотемпературного нагрева лазерньак излучением основан на измерении профиля, образующегося под действием излучения в окрестности искусственно созданной поверхностной неоднородности, и его сравнении со структурами, образование которых при различных и и g определяется по наилучшему согласию теоретйческой н экспериментальной зависимостей.

1 зепе ф лыу 3 иле

1 1343311 2

Изобретение относится к физике, высоких температур и физике воздействия лазерного излучения на вещество и может быть использовано для опреде5 ления показателя преломления и и коэффициента поглощения у среды при высоких температурах.

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона и повышение точности измерений.

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа; на фиг.2 и 3 — экспериментальные данные .

Устройство содержит образец 1 материала с предварительно нанесенной царапиной, лазер 2 с перестраиваемой частотой излучения, профилограф

3 с встроенным в него самописцем и микроскопом и устройство 4 для измерения приповерхностной температуры. Микрорельеф на поверхности образца 1 создается излучением лазера 2, при этом устройство 4 фикси- ?5 рует температуру приповерхностного слоя образца. После окончания действия импульса лазерного излучения на остающийся на поверхности микрорельеф наводится с помощью встроен- 30 ного в него микроскопа профилограф 3, который регистрирует на самописце форму профиля поверхности. Точность такого измерения составляет 5А.

В качестве исследуемого вещества используют пластины иэ плавленного кварца с полированной поверхностью, на которую фокусируется излучение импульсного СО лазера, линейно поляризованное в плоскости падения пер- 40 пендикулярно затравочной царапине.

Затравочная царапина на поверхности образцов создается следующим образом. Алмазным резцом прорезается узкая канавка с воспроизводимой (не хуже 1 OX) . После однократного воздействия с интенсивностью излучения выше порога в окрестности царапины появляются периодические структуры. Их период проявляет слабую 50 зависимость от ширины канавки, если она не превышает 2,5 мкм, поэтому в дальнейших экспериментах ширина составляет 2 мкм.

Наблюдаемый на опыте профиль пред- 55 ставляет гобой суперпозицию началь— ной неровности и ее возмущения вследствие теплового расширения вещества, связанного с неравномерностью выдеможет реализоваться, если учесть процесс испарения вещества, что действительно имеет место.

Лля полупространства, заполненного веществом, профиль поверхности задан функцией Z = (, (x) где (,(х) — искусственно формируемая неоднородность х — координата по оси, перпендикулярной неоднородности.

Из вакуума на эту поверхность падает электромагнитная волна

Е" = Pexp(ikx sin ч + ikZ cos ) где ось Z считается направленной в ваккуум, F. — вектор амплитуды, волновое число, — угол между вектором k 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

<е

F. записано в предположении, что угол между направлением линии неоднородности и плоскостью падения излучения равен 90 .

Задача о нахождении температуры

Т(х,z) в веществе с учетом наличия рельефа поверхности решается для

Т (х,z) = Т,(z)+ Т, (х,z) где Т, (г) - решение задачи об испарении плоской границы; Т, х,z) - тем

f пературная добавка, связанная с образованием микрорельефа.

В системе координат> движущейся с со скоростью V, для поверхностью

Т (z) имеют

d1 Т а г

V ат.

+С,() =0;

) = О, Т,(= То

1 о

V8

=о ления энергии за счет существоаания профиля. Поскольку из эксперимента следует, что область локализации возникающей структуры с течением времени не меняется, естественно предпо-ложить, что мы имеем дело с квазистационарной ситуацией. Такая ситуация

1343311 где = z + Vt; время; температуропроводность среды;

5 коэффициент теплопронодности

2,Г:

Е

М

Е (x) -поправка к полю на плоскоссх ти Е = О, обусловленная

1с неровностью реальной поверхности;

Е" .Е -комплексно сопряженные веса ох - ах личины.

Для Фурье представления

Е,Д (q) = --,- (q) o(q) (5)

a +k sine где D(q) = - ------- 8(q) +

+ (q (q+k 9 1пц) С (q ))

2 1ХЕ

2 Е (С gq) sinц — k qg, I

С G (q) — ik

G(q) а ((q + k sing) +(ik2)) «2

1Т= n+ ig, )7f() I °

$ (q) — Фурье-образ функции ) (x) (х) + f (x), f (x) — искомый профиль деформации плоской поверхности °

В результате из формул (4) и (5)

35 для Т,(х, f) получают

В

Г 1Ч- CI>(a? D (-e?7 (, " )ат)

-ф —, ()= — ((— ? ) (+ g ) 2х 2х . о

Т»

V-=S exp (— ----------- 1 (2)

20 т,(е = о) » М 8 т

R (3) v т (6)

T ()-о)

45 Пользуясь теорией упругости, можно вычислять компоненту вектора деформации по оси (. Дифференцируя результат по х, чтобы исчезли незанисящие смещения, и полагая = О, по" лучают ас ж гам ах = Зсс (1-2а) " X- х

-ф

4 ((1а а) С

3Ti (,»- ° " f "1

-ф -Ф уравнение теплопроводности для

Т, (х, ) имеет вид зт, ит, v ат, 50

+ + 2 8х1 К

+ f,(х, )=О; т,(= — с) = О; т, ? Т» и (---- -- ) = -V>------- т (-o) .

1Т ? (»0 Т2(=07

3T„ с1роиэнс иной ---- пренебрегают ас

» (4) f, (j ) = --7-;-- --,г- ехр (2I. к );

8 knхО и плотность мощности падающего излучения; п и x — - показатель преломления и коэффициент поглощения среды соответственно; — теплота испарения единицы объема вещества.

Скорость испарения V связана с температурой поверхности соотношением где 5 - величина порядка скорости звука в веществе; — нес моля вещества> р — плотность;

R - газовая постоянная.

При сравнительно невысоких температурах нагрева понерхности, когда выполняется неравенство т,(= о)(, и а. иэ формул (1) следует

4иО 1/ " (п". + Х1)д

Для нахождения величины Т (х,z) и соответствующей ей деформации поверхности надо перейти в систему координат, движущуюся со скоростью V.

При условии т

- ---- ---- -т, (= о) «1 т,(= О) что солтисI < твует малости изменения профиля эа счет испарения по сравнению с деформацией понерхности. Это и есть условие существования квазистационара. Функия тепловыделения (х, () = --- ------(Е Е + Г F. ), с (InE) * с с ц- „С„<» а» сс с где u) — частота падающего излучения; — комплексная диэлектрическая проницаемость: где сх — коэффициент объемного расширения; — коэффициент Пуассона.

l3

Полученные 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 ((q) получают алгебраическое уравнение, Разрешая его и делая обратное преобразование Фурье, имеют ах<)) А О(%)+1:! )3 2Г 3 Р()+Л (1! (l1 )+D "(-Е)3 где Р (и) « о I (i ql + г);

o(g1+bg З-4hg

3 (1-26)

Рассмотрим простейшую ситуацию, положив ((х) = 2 zl h < (х), d (х) дельта-функция, h — постоянная величина. Тогда при больших значениях х таких, что klx I» 1, а также при выA IVe.l полнении неравенства ††--- — (4 1

k+l"

Э которое накладывает ограничение на величину О, из приведенного выражения для <(x) получают ((x) = 2 Re t F+(I x I) В (+ х) ° Ф(lx I)! (7)

),2 1 Л К lx I q К) х! 1, где F (Ixl)= e г, (г (--,,; к) х lq j+ !Те (е-n)), /1 ъ 01 qt = k(1+ э 1 ++) функции 8 (у) =1 при у 0 и

e(y) = 0 при у <О;

r ((......)

° °, ° ° ° ) - неполная гамма-функция;

Ч2Е ф()xl)=h ln (ci(y )х I) cos (р) х))+й (OI х>)sin(I Ь!Я> с! (...) и sl (...) функции интегрального косинуса и синуса, /\= 4 kg - -- cosz y --- «1.

)Ь г к

Интерес представляют два предельных случаях. Первый иэ них à > b, 43311 5 где а = Р и b = - .n q, соответствуют существованию поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ!. При выполнении неравенств à k ) х) » 1 и

5

Ь k ) x)«1 находят

h Лl

PeF,(1и1) (477е s n(g,lxlia к)"))Ф 1

+ га ll

sin(g+ lxl+ — )

4 (8) (a k l x I I 3 I

Для обратной ситуации, когда Ь » а, и р и выполнении неравенств Ь k I x I o> 1

1 5 и a k I x I < < 1 получают

//

)г Лkh s n(4)xi+ < (2 к)„) ) ыг

2р Полученные теоретические результаты позволяют объяснить приведенные экспериментальные данные. Прежде всего следует, что фиг.3 и формулы 7,8 образующиеся структуры связаны с воз25 буждением ПЭВ, поскольку период d профиля при малых углах падения отличается от длины волны падающего излучения. При увеличении угла падения картина становится асимметричной .1д относительно начального возмущения что находит свое теоретическое объяснение (формула 7) в наличии функции

8(+ х), при которой сомножителем стоит функция F+(i xl),îñöèëëèðóþùâÿ с разными периодами по разные стороны от затравочного возмущения. Входящая в формулу (7) функция Ф(I x I) не меняет существенно вида структуры, поскольку она является достаточно медленно осциллирующей, слабо затухающей функцией °

Согласно формуле (8 ) периодическая структура пространственно локализуется на расстояниях Ixl = Х е

45 ,поскольку при достаточно

2 kab больших значениях плотности мощнос,1 ти О величина — — — — слабО зависит с) +г от Q (Л<лО, v сл 0 (формулы (3) и (6)). Это объясняет экспериментальную зависимость (фиг.2).

Как следует из проведенного теоретического рассмотрения, в случае

b ) а невозможно возбуждение ПЭВ, однако возможно возникновение структур, период которых определяется только длиной волны и углом падения лазерного излучения.

1343

311

20

30

4+ ----- Х е

2 к!+ + ka

2 kab

На эксперименте с помощью профилогра*а определяют Аункцию ((x) (1

)(x) - 2 Ф: Ix)) и, фиксируя некоторую точку х, проводят сравнение теоретических и экспериментальных результатов, что и позволяет определить искомые параметры и и g...

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

d Х

q,+ a k е 2 kab

Иэ фиг.2 и 3 следует, что при

»= О> d = d1. = 9>6 мкм и Х = — 80 мкм, что дает и = 0,3 и = 3.

Использование предлагаемого способа определения оптических парамет ров и и у обеспечивает по сраннению с известными способами следующие преимущества.

Оптические параметры и и к могут 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 изобретения

I ° Способ определения оптических параметров твердых веществ, как функции частоты падающего излучения при температурах плавления вещества и вьппе, заключающийся в том, что поверхность исследуемого вещества об- 40 лучают плоскополяризованным лазерным излучением длиной волны Я с электрическим вектором, лежащим в плоскости падения, измеряют период

4+ возникающего на поверхности вещества микрорельефа, повторяя последовательность операций на разных частотах лазерного излучения, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью расщирения спектрального диа- 5р 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 1 — 0,2,и облучают лазерным излучением, п.1оекость падения которого 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 („x ) в ( некоторой фиксированной точке х, с теоретической зависимостью (- 1, i к l )) I >I, )+ 4 и 0 ()))- Ь )

21 ((к)=2Re

Г(- —, к) к ) к ) ° 4)>>)a-g) к екр (1q„(l

> ма-функция, i — мнимая единица, е 12 r О, функция Р(а-Ь) = 1 приа оЬи e(a-b) = Опри а Ь, 2))

I k I = --- - модуль волнового

2 вектора электромагнитной волны, где и и х — соответственно показатель преломления и коэффициент поглощения вещества, q < = k(1 + sin v), - угол между нормалью понерхности и направлением, обратным напранлению падения лазерного излучения, индексы + при величине q+ соответствуют знакам аргумента функции В(+ x) >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 юшийся тем, что, с целью определения упомянутых параметров при условии y. 10)1> измеряют расстояние от линии неоднородности Х „ на котором амплитуда профиля спадает в

2,73 раза, и определяют и и z иэ зависимостей

1343311

4 иг 1

d+ (t0 cM ) å (мкм) ioo о о о

1 Н

f0 (g Ц(отн. ей) Sin f

1,0 ю,о

Z,0

Фиг. 2

Риг, 3

S,0

Составитель С.Голубев

Редактор Н.Егорова Техред Л.Сердюкова Корректор M,Пожо

Заказ 4816/44 Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул. Проектная, 4