RU2811747C1 - Способ измерения коэффициента оптического поглощения в объекте из прозрачного материала, устройство и система для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной калориметрии с применением обратной связи при измерении коэффициента оптического поглощения (КОП) объекта. КОП измеряют двумя способами по потоку тепла в средней части объекта за вычетом разогрева рассеянным излучением при установившемся и неустановившемся тепловом потоке и при утилизации тепла, вызванного разогревом граней на входе/выходе. Технический результат состоит в достижении корректности и точности измерения коэффициента оптического поглощения в диапазоне 10^-6 - 10^-2 см^-1. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 20 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной калориметрии с применением обратной связи при измерении коэффициент оптического поглощения.

Уровень техники

Оптические материалы, которые используют в лазерной технике интересны как с точки зрения своего функционального назначения, оптической однородности, нелинейности, так и, конечно, прозрачности. Современные оптические материалы, включая кристаллы, поликристаллы, стекла и керамику в основном имеют коэффициент оптического поглощения (КОП) α 10^-6-10^-2 см^-1. Точное измерение КОП чрезвычайно важно для производства оптических устройств и достижения предельно малых его значений для конкретного материала в процессе его технологического формирования. Кроме этого точность измерений позволяет решать не только прикладные технологические задачи, но и открывает путь к фундаментальным исследованиям свойств материала во взаимодействии с лазерным излучением.

Известен калориметрический способ RU 2650713 С1 измерения малых коэффициентов оптического поглощения нелинейно-оптических кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, основанный на нестационарном измерении начального участка роста температуры объекта, о которой судят по смещению параметров пьезоэлектрического резонанса под воздействием лазерного излучения и радиочастотного поля. Предварительно проводят калибровку зависимости резонансных параметров от температуры кристалла при однородном распределении температуры под воздействием лазерного излучения заданной мощности на кристалл, причем температуру кристалла в области луча и за его пределами заменяют на эквивалентную температуру на начальном линейном участке роста температуры. Перед воздействием лазерного излучения измеряют форму линии выбранного резонанса, аппроксимируют форму линии резонансной кривой аналитической функцией, выбирают фиксированную частоту внешнего радиочастотного поля, после начала воздействия на кристалл лазерного излучения измеряют зависимость выбранного резонансного параметра от времени, определяют, применяя многозначную функцию, обратную исходной, и калибровку, зависимость температуры кристалла от времени, и, используя аппроксимацию начального участка данной зависимости, определяют коэффициент оптического поглощения кристалла. Недостаток способа в его сложной технической реализации, непредсказуемости резонансных температурных эталонных сигналов от крепления образца. Невозможность разделения тепловых потоков внутри образца под действием поглощенного лазерного излучения на входе/выходе и в объеме кристалла, и разогрева рассеянным лазерным излучением со входа/выхода луча в кристалл. Метод применим только для узкого класса кристаллов - пьезоэлектриков.

Стандартный метод определения КОП в лазерных материалах, ISO/CD 11551:2018(E) - Optics and photonics - Lasers and laser-related equipment - Test method for absorptance of optical laser components, основан на использовании лазерной калориметрии в ее нестационарном варианте, когда по кинетике нарастания температуры датчика судят об экспоненциальном нарастании теплового фронта, который достигает датчика температуры. Требует предварительного знания кинетических коэффициентов конкретного образца. Рекомендуемая схема измерений содержит: лазер, два зеркала, два блокирующих поглотителя, причем, один из них поглощает прошедшее через объект лазерное излучение после отражения на двух зеркалах, а мощность лазерного излучения определяется не на выходе из объекта после поглощения, а на его входе и только косвенно по прохождению частично прозрачного зеркала, которое направляет излучение на объект в камере, а сам объект расположен поперек к лазерному излучению, т.е. луч проходит не вдоль длинной оси объекта, а через его середину поперек, причем датчик температуры находится на максимальном удалении от лазерного луча на краю объекта по одну стороны по длинной оси, другая же вместо датчика температуры опирается на упор. Недостатки такой схемы измерения присутствуют в избыточном количестве элементов, и в их некорректном расположении. Во первых, неизвестна мощность излучения на выходе из объекта, по величине которой необходимо рассчитать мощность внутри объекта для определения КОП. Косвенное измерение входной мощности излучения после прохождения полупрозрачного зеркала несет дополнительную погрешность, поскольку далее на пути луч испытывает неконтролируемое отражение и рассеяние на входной грани объекта, да еще после потерь на диафрагме. Во вторых, выбранная поперечная к лучу ориентация объекта приводит к тому, что тепловые фронты со входа/выхода и из объема достигают удаленного на полудлине объекта датчика температуры примерно в одно и тоже время, что не позволяет их разделить на составляющие. В третьих методика не учитывает разогрев датчика температуры в контакте с объектом рассеянным излучением, которое имеет место на входе/выходе луча в объекте.

Помимо нестационарных методов, аппроксимирующих результат расчета КОП на начальном экспоненциальном участке роста температуры с привлечением знания кинетических коэффициентов конкретного исследуемого материала, существует стационарный способ измерения КОП объекта, не требующий предварительных знаний его термодинамических параметров в условиях установившихся тепловых потоков. При этом КОП рассчитывают по формуле

где Р - поглощенная часть мощности в объеме объекта на длине L, P_V - мощность лазерного излучения в внутри объема объекта.

Однако измерить корректно Р на фоне поглощения и рассеяния лазерного излучения на входной и выходной гранях объекта, из-за наличия микродефектов поверхности, не представляется возможным. Как следствие результат может превышать в 5-10 раз действительную величину КОП при измерении малых КОП в диапазоне 10^-5-10^-6 см^-1.

Настоящее изобретение лишено указанных выше недостатков и позволяет корректно провести измерение КОП и значительно повысить точность измерений КОП с разделением тепловых потоков в объеме, со входа/выхода и разогрева объекта излучением.

Раскрытие изобретения.

В изобретении предложен новый способ измерения коэффициента оптического поглощения в прозрачных оптических материалах лазерной оптики на основе лазерной калориметрии. Эти материалы не отличаются высокой теплопроводностью и в лучшем случае имеют теплопроводность в несколько единиц Вт/(мК), поэтому возможно изготовить калориметр с теплопроводностью много большей, чем у объекта исследования и обеспечить эффективный теплоотвод и утилизацию тепла. В свою очередь, в сочетании с предложенной методикой измерения это позволяет обеспечить требуемый диапазон и корректное измерение КОП с повышенной точностью около 10% в протяженных объектах с соотношением длины и ширины более, чем 7:1. Для этого необходимо утилизировать тепловые потоки порождаемые разогревом концов объекта, ввиду наличия структурных дефектов, по входу и выходу лазерного луча, корректно измерить тепловые потоки в средней части объекта, которые обусловлены наличием фонового рассеянного лазерного излучения и искомого поглощения. Способ реализован как в устройстве, так и в лазерной системе. Диапазон измерения КОП лежит в пределах от 10^-6 до 10^-2 см^-1 и определятся чувствительностью приемника мощности теплового потока и мощностью лазера. Для этого достаточно иметь лазерное излучение мощностью до 10 Вт с лазерным лучом, не выходящее за пределы апертуры исследуемого объекта и достигающим измеритель мощности после поглощения объектом.

Известно, что на входной и выходной гранях, даже самого прозрачного, кристалла выделяется тепло при засветке лазерным лучом, которое сопровождается рассеянием на структурных дефектах граней. Эти два нежелательных краевых эффекта завышают данные измерения искомого тепла, которое выделяется в объеме кристалла, что приводит к значительной погрешности искомого поглощения в несколько раз в диапазоне 10^-5-10^-6 см^-1. Предложенное изобретение решает эту проблему. Технический результат состоит в достижении корректности и точности измерения коэффициента оптического поглощения в диапазоне 10^-6 - 10^-2 см^-1. Достигается за счет выделения из принимаемого суммарного теплового потока, потоков его составляющих - тепла от входной и выходной грани и сопутствующего фона рассеянного лазерного излучения при минимизации неконтролируемых тепловых потерь в окружающую среду благодаря использованию особого активного режима работы приемника теплового потока на основе термоэлектрического конвертера (ТЭК) с элементами Пельтье, включенного в схему усилителя с токовой обратной связью - так называемый активный режим, в противоположность пассивному усилению напряжения на обкладках ТЭК. Виду этого не происходит разогрева контактирующей с объектом поверхности приемника, все поступающее тепло перекачивается таким тепловым насосом в радиатор и утилизируется, а поскольку объект испытывает меньший разогрев поверхности, то уменьшаются и неконтролируемые тепловые потери в окружающую среду, что ведет к повышению корректности и точности определения КОП. Излишнее тепло на входе и выходе из кристалла утилизируется в радиаторе из цветного металла, непосредственно контактирующего с концами объекта и/или через металлические прокладки, ложементы, и/или через ТЭК в активном режиме, и/или через ряд активных ТЭК.

Суть изобретения выражает первый способ измерения коэффициента оптического поглощения в протяженном объекте из оптически прозрачного материала методом лазерной калориметрии, основанный на регистрации отношения поглощенной доли мощности лазерного излучения, выделяемой в объекте в виде тепла на единице длины, к мощности лазерного луча в объекте, отличающийся тем, что тепло, выделяемое на входной и выходной гранях объекта, утилизируют в радиаторе через концевые части по меньшей мере одной боковой грани объекта, а тепло из средней зоны объекта регистрируют по меньшей мере одним приемником теплового потока, причем в одном положении он имеет контакт с объектом и принимает суммарную мощность теплового потока из средней зоны объекта, а в другом - отделен от объекта пространственным промежутком в виде зазора и принимает только поток рассеянного лазерного излучения из этой же средней зоны объекта, тогда коэффициент оптического поглощения определяют из разности мощностей теплового потока при контакте и рассеянного лазерного излучения без контакта с приемником тепла, по отношению к мощности лазерного луча в объекте и к длине средней зоны объекта.

Также суть изобретения выражает второй способ измерения коэффициента оптического поглощения в протяженном объекте из оптически прозрачного материала методом лазерной калориметрии, основанный на регистрации отношения поглощенной доли мощности лазерного излучения, выделяемой в объекте в виде тепла на единице длины, к мощности лазерного луча в объекте, отличающийся тем, что тепло, выделяемое на входной и выходной гранях объекта, утилизируют в радиаторе через концевые части

по меньшей мере одной боковой грани объекта, а тепло из средней зоны объекта регистрируют по меньшей мере двумя приемниками тепловых потоков, причем один из них имеет контакт с объектом и принимает суммарную мощность теплового потока из средней зоны объекта, а другой отделен от объекта пространственным промежутком в виде зазора и принимает только поток рассеянного лазерного излучения из этой же средней

зоны объекта, тогда коэффициент оптического поглощения определяют из разности мощностей тепловых потоков этих приемников по отношению к мощности лазерного луча в объекте и к длине средней части объекта.

Суть устройства выражает лазерный калориметр для измерения коэффициента оптического поглощения объекта из оптически прозрачного материала, содержащий:

- металлический радиатор, монтируемый на платформе;

- экранирующий электромагнитный, в том числе инфракрасный, фон экран, прикрывающий радиатор и снабженный оптическими окнами по входу и выходу;

- площадку радиатора для установки объекта и утилизации части тепла с его концов в радиаторе непосредственно и/или через высоко теплопроводящую прокладку,

и/или через термоэлектрический конвертер (ТЭК);

- по меньшей мере один ТЭК в качестве приемника мощности теплового потока в средней зоне площадки радиатора и известной калибровочной характеристикой, и с выходным пассивным сигналом в виде термо-электрического напряжения или тока, или с активной обратной связью по току для компенсации разогрева приемной площадки ТЭК;

Суть системы выражает лазерная калориметрическая система для измерения

коэффициента оптического поглощения объекта из оптически прозрачного материала на оптическом столе с механизмами пространственной юстировки оптических устройств на нем установленных, а именно содержащая:

- управляемый лазер по средней мощности излучения и времени

включения/выключения, с волоконным излучателем коллимированного луча на выходе;

- металлический радиатор, монтируемый на платформе;

- экранирующий электромагнитный, в том числе инфракрасный, фон экран, прикрывающий радиатор и снабженный оптическими окнами по входу и выходу;

- площадку радиатора для установки объекта и утилизации части тепла с его концов в радиаторе непосредственно и/или через высоко теплопроводящую прокладку, и/или через термоэлектрический конвертер (ТЭК);

- по меньшей мере один ТЭК в качестве приемника мощности теплового потока в средней зоне площадки радиатора с известной калибровочной характеристикой, и с выходным пассивным сигналом в виде термо-электрического напряжения или тока, или с активной обратной связью для компенсации разогрева приемной площадки ТЭК;

- измеритель мощности прошедшего лазерного излучения за пределами экрана;

- на платформе снаружи экрана или отдельно расположенный электронный модуль контроллера для связи с приемниками тепловых потоков, усиления их сигналов, обеспечения пассивного или активного режимов измерения ТЭК и управления лазером в процессе измерений, для обработки цифровых данных с учетом данных измерителя мощности лазерного излучения и визуализации результатов на мониторе компьютера.

Другие отличительные и существенные признаки изобретения будут раскрыты ниже и проиллюстрированы на чертежах и в подробном его описании и на примерах осуществления.

Описание чертежей.

Фиг. 1. Схема ТЭК на основе элементов Пельтье и его включение в пассивном и активном режимах измерения мощности теплового потока.

Фиг. 2. Схема лазерного калориметра с одним подвижным по оси Y ТЭК.

Фиг. 3. Схема лазерного калориметра с одним неподвижным ТЭК, но с изменяемым

уровнем по оси Y площадки радиатора.

Фиг. 4. Схема лазерного калориметра с двумя ТЭК на площадке радиатора.

Фиг. 5. Схема лазерного калориметра с тремя ТЭК, с прокладками.

Фиг. 6. Схема лазерного калориметра с одним контактным ТЭК и двумя бесконтактными.

Фиг. 7. Схема лазерного калориметра с двумя ТЭК по разные стороны объекта.

Фиг. 8. Схема лазерного калориметра с шестью ТЭК в симметричном расположении.

Фиг. 9. Схема лазерного калориметра с пятью ТЭК в контакте с объектом и одним без контакта.

Фиг. 10. Схема лазерного калориметра с шестью ТЭК и оптическим фильтром.

Фиг.11. Схема бокового расположения бесконтактного ТЭК.

Фиг. 12. Схема бокового расположения контактного ТЭК.

Фиг. 13. Схема верхнего расположения бесконтактного ТЭК.

Фиг. 14. Схема бокового расположения бесконтактного ТЭК за оптическим фильтром.

Фиг. 15. Схема верхнего расположения бесконтактного ТЭК за оптическим фильтром с цилиндрическим объектом в ложементе. Фиг. 16. Блок-схема лазерной калориметрической системы.

Фиг. 17. Суммарная мощность разогрева объекта лазерным лучом в активном и пассивном режимах работы ТЭК.

Фиг. 18. Суммарная мощность разогрева объекта лазерным лучом и мощность рассеянного излучения в активном и пассивном режимах работы ТЭК.

Фиг. 19. Прием мощности теплового потока ТЭК в активном режиме по схеме фиг.4.

Фиг. 20. Прием мощности теплового потока ТЭК в пассивном режиме по схеме фиг.4.

Описание и осуществление изобретения

Для материала радиатора лучше всего из-за высокой теплопроводности подходят цветные металлы: медь - теплопроводность 401 Вт/ (м⋅К), серебро - 430 Вт/ (м⋅К), золото -317 Вт/ (м⋅К), и даже алюминий - 237 Вт/ (м⋅К). Но на практике оптимальным выбором является медь. Благодаря утилизации тепла с концевых частей объекта в радиаторе, тепло со входа и выхода протяженного объекта (соотношения длины к ширине более, чем 7:1, а лучше 10:1) практически не доходит до средней части объекта, где расположен один приемник тепла с изменяемым уровнем приемной площадки для обеспечения либо контакта, либо зазора с гранью объекта. Другой случай - два стационарных приемника -один в контакте, а другой без контакта с объектом. В качестве объекта предпочтительно иметь призматический или цилиндрический объект. Бесконтактный приемник отделен пространственным промежутком в виде зазора и принимает фоновое рассеянное лазерное излучение из объекта, такое же как и контактный. Воздух является хорошим теплоизолятором если пренебречь или отсечь теплоперенос конвекционными потоками. Для этого можно использовать и другой газ, например азот или аргон, или смесь газов, если это необходимо для работы с гигроскопичным объектом. Разность измеренных тепловых потоков контактным приемником и бесконтактным - есть искомая мощность тепловых потерь Р для определения коэффициента оптического поглощения по формуле (1). Удобно работать с призматическим объектом квадратного или прямоугольного сечения, тогда как для цилиндра потребуется ложемент для увеличения контакта соприкосновения с приемной площадкой. Пригодна и теплопроводящая паста или гель, но они могут загрязнять объект и не всегда его можно отмыть. Также желательно, чтобы призма имела полированные боковые грани, а не матовые, для предотвращения вторичного поглощения с неконтролируемым выделением тепла. Для измерения КОП порядка 10^-6 см^-1 (1 ррм см^-1) с погрешностью 10% необходимо измерять приемником теплового излучения мощность на уровне 10^-7 Вт.Для этой цели подходит приемник на основе Элементов Пельтье в конструктиве термоэлектрического конвертера 1 - ТЭК (фиг.1) с известной калибровочной характеристикой. Его обычно используют в технике как холодильник, в термодинамике называют тепловым насосом, широкое применение получил для охлаждения микропроцессоров. ТЭК имеет приемную охлаждаемую керамическую площадку 2 и разогревающуюся площадку 3 с которой тепло утилизируют в радиатор при определенном направлении электрического тока, при смене направления тока происходит обратное тепловыделение. При нагреве площадки 1, в результате приема теплового потока, на разомкнутых электродах ТЭК возникает напряжение (или ток), которое можно усилить усилителем 4 и измерить, причем амплитуда сигнала пропорциональна мощности принимаемого теплового потока Ро. Это так называемый пассивный режим работы ТЭК. Определим такое включение ТЭК как - ТЭК в пассивном режиме работы и обозначим его как режим "u" с усилителем 4 напряжения: ключ 5 К разомкнут.Если ТЭК в активном режиме работы, то обозначим его как "i" усилитель 4 включен с обратной связью по току: ключ К замкнут, резистор R 6 обратной связи подключен, через него течет ток равный U / R, где11- напряжение на выходе усилителя, пропорциональное мощности принимаемого теплового потока. В активном режиме с токовой обратной связью разогрев принимающей тепло площадки 2 не происходит, поскольку ток вырабатываемый обратной связью не дает разогреться площадке 2 ТЭК (напряжение на его электродах всегда остается неизменным), а значит и грани объекта в контакте с ним. Сигнал напряжения обратной связи U на выходе усилителя 5 пропорциональный мощности теплового потока поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (а.ц.п.) контроллера 7 для цифровой обработки.

Перед измерением мощности теплового потока в пассивном и активном режимах работы ТЭК необходимо провести его калибровку по эталонному источнику тепла. Для этого удобно использовать плоский керамический резистор для поверхностного монтажа, который устанавливают на ТЭК и подключают к источнику напряжения или тока. В резисторе выделяется тепловая мощность (Джоулевое тепло) и тем самым, сопоставляя ее с сигналом усиленного напряжения на ТЭК, на входе а.ц.п. контроллера 7, в режимах "i" и "u", определяют крутизны Ki и Ku, соответственно, его характеристик в единицах [Вт/бит], где бит - это единица разрядности а.ц.п. (совсем не обязательно крутизну выражать в [Вт/В], это только нагружает процесс вычисления).

Отсутствие разогрева контакта объекта и ТЭК с обратной связью по току - это важный фактор, благодаря ему устанавливаются фиксированные граничные условия для распространения теплового потока от лазерного луча из объема объекта до границы с ТЭК, фиксируется градиент температуры, и баланс тепловых потоков достигается раньше, чем в пассивном режиме. Например для ТЭК размером 5×5 мм², этот момент баланса может наступить раньше на 6 - 15 с в зависимости от размера объекта и площади контакта с радиатором. Кроме того, при отсутствии разогрева объекта отсутствуют тепловые потери в окружающую среду, тепловой насос работает как идеальный инструмент. Но это в идеале, поскольку ТЭК имеет контакт не по всей поверхности объекта, то разогрев в других местах все же происходит, и следовательно, потери имеют место быть. Для сравнения можно указать, что для призмы плавленого кварца 20 × 3,4 × 3 мм³ при установке на площадку радиатора с тремя указанными выше ТЭК тепловые потери составляют 10 и 13% в режимах "i" и "u", соответственно.

Таким образом существенно, что в устройстве для измерения КОП и в способе используют приемник с известной калибровочной характеристикой для измерения мощности теплового потока на основе термо-электрического конвертера (ТЭК) с элементами Пельтье и с выходным пассивным сигналом в виде термо-электрического напряжения или тока, или с активной обратной связью по току для компенсации разогрева контакта объекта с приемной площадкой ТЭК.

Важным условием проведения измерений установившихся тепловых потоков в калориметре как до начала засветки лазером объекта так и в следующие моменты является отсутствие дрейфа принимаемого сигнала, а если он есть, то дрейф учитывают при обработке сигнала. Что касается нагрева объекта, то для определения КОП важно, чтобы объект разогрелся до уровня баланса поглощенной мощности и переданной окружающим телам, это так называемый стационарный режим измерения тепловых потоков. Имея переходную характеристику нарастания мощности на ТЭК во времени, можно выделить два характерных экспоненциальных участка: 1 - отклик длительностью, например, 20-25 сек вначале разогрева, это реакция на тепловой фронт, дошедший от оси лазерного луча до приемника - расстояние равно половине ширины объекта; 2 - отклик длительностью от 25 с до насыщения сигнала, связан с приходом тепловых фронтов от входа и выхода луча в объекте - расстояние равно половине длины объекта. Поэтому, утилизируя тепло на входной и выходной гранях объекта, до средней его части, где происходит измерение это тепло не доходит. Имея разностный сигнал Po-Pf в области насыщения, можно вычислить и КОП. Также можно вычислить КОП по этой разности на участке экспоненциального роста до того, как придет фронт возможно неутилизированного в радиаторе тепла со входа/выхода луча, однако для достижения точности потребуется экстраполяция этого участка в область насыщения для определения амплитуды насыщения и вычисления разности Po-Pf, равной искомой мощности Р (1).

Поэтому существенно, что в способе измерение разности тепловых потоков двух приемников проводят в установившихся во времени тепловых потоках - до включения, в момент выключения лазера и по окончании охлаждения или не дожидаясь завершения разогрева, когда измеряют разность тепловых потоков двух приемников спустя промежуток времени после включения лазера, который меньше, чем время распространения теплового фронта со входа или выхода луча к приемнику суммарного тепла.

На фиг.2 представлен лазерный калориметр для измерения коэффициента оптического поглощения объекта 8 из оптически прозрачного материала, содержащий:

- металлический радиатор 9, монтируемый на платформе 10;

- экранирующий электромагнитный, в том числе инфракрасный, фон экран 11, прикрывающий радиатор и снабженный оптическими окнами 12 и 13, по входу и выходу, соответственно, для прохождения лазерного луча 14;

- площадку радиатора для установки объекта 8 и утилизации части тепла с его концов в радиаторе непосредственно и/или через высоко теплопроводящую прокладку 15 и/или через термоэлектрический конвертер;

- по меньшей мере один ТЭК 1 в качестве приемника мощности теплового потока в средней зоне площадки радиатора, с известной калибровочной характеристикой и с выходным пассивным сигналом в виде термо-электрического напряжения, или с активной обратной связью по току для компенсации разогрева приемной площадки ТЭК. ТЭК 1 неподвижен относительно радиатора и с помощью прокладки 15 можно приподнять над ним объект и провести бесконтактное измерение мощности теплового потока Pf, дополнительно к контактному случаю, когда измеряют суммарную мощность теплового потока Ро из средней части объекта. Типичный зазор 0,5-1 мм, его достаточно для приема излучения в той же апертуре ТЭК из средней части объекта. Однако, требуется дважды нагреть объект лазерным лучом с переустановкой объекта на другой уровень.

На фиг.3 ТЭК установлен на подвижную по оси Y часть 17 радиатора 9 и имеет возможность контактировать с объектом, либо нет. Не требуется переустановка объекта. Необходимо провести два измерения мощности принимаемого теплового сигнала от объекта без контакта - Pf и в контакте - Ро с ТЭК. Измерение КОП можно выполнить и за один нагрев, если вначале ТЭК не контактирует и принимает только фоновое лазерное излучение Pf, а затем контактирует и принимает суммарный тепловой поток Ро. Разогрев ТЭК бесконтактно происходит за -25 с, что в несколько раз меньше времени установления теплового потока в контактном случае от 60 с и более.

Наличие двух ТЭК, один из которых бесконтактный, упрощает процесс измерения разности сигналов ТЭК Po-Pf и она может быть найдена за один разогрев объекта лазерным лучом. На фиг.4 представлена схема лазерного калориметра с двумя неподвижными по одну сторону объекта ТЭК, расположенными в средней зоне приемной площадки радиатора, что позволяет провести измерение КОП за один нагрев объекта лазерным лучом, определив разность показаний контактного и бесконтактного ТЭК.

Существенно, что в лазерном калориметре в средней зоне площадки радиатора содержится по меньшей мере два ТЭК в качестве приемников мощности теплового потока, причем один из них имеет общий уровень с площадкой, а другой находится либо ниже ее уровня, либо сбоку, либо над ней, причем радиатор изготовлен из цветного металла с теплопроводностью более 200 Вт/ (м К), а экран содержит окна, просветленные на длине волны лазерного излучения.

На фигурах 5-10 показаны варианты расположения приемников ТЭК в контакте и без контакта с односторонним и двухсторонним расположением. В случае фиг.5 в объекте 8 фиксируется полная поглощенная суммарная мощность без утилизации в радиаторе. Такое измерение дает понять на сколько качественная полировка входной/выходной грани объекта по величине выделяемой тепловой мощности в сравнении со случаем фиг.6, когда есть утилизация тепла в радиатор. Схемы фиг.6 и 8 удобно использовать в силу симметрии два бесконтактных ТЭК для одного контактного, когда вычисляют средний фон Pf и сравнивают фоны лазерного излучения слева P_fL и справа P_fR, по которым судят о качестве объекта по входу и выходу луча. Другие варианты расположения ТЭК представлены на фигурах 9 и 10 (схематичная связь 18 - тепловая), а также в поперечном сечении радиатора на фигурах 11 -15 с использованием оптического фильтра 19 в зазоре с ТЭК 1. При установке объекта на площадку радиатора и на контактный ТЭК может быть использована высоко теплопроводящая прокладка для увеличения площади соприкосновения и теплового потока отводимого от объекта в виде плоской пластины 15 или ложемента 20 (фиг.15 - положение цилиндрического объекта в ложементе), а также высоко теплопроводящая паста, в частности КПТ-8, КПТ- 19 и друге подобные.

Существенно, что в лазерном калориметре используют высоко теплопроводящую прокладку 15 в виде плоского или имеющего кривизну поверхности ложемента 20.

Существенно для способа, что радиатор 9 утилизирует тепло со стороны любой боковой грани объекта следующим способом: непосредственно через контакт с радиатором, и/или через высоко теплопроводящую прокладку 15, и/или через ТЭК 1, и/или через теплопроводящую пасту, и/или гель, причем приемные площадки тепловых потоков находятся в параллельных плоскостях снизу (фиг.4) и/или сверху (фиг.7-10), и/или в ортогональных (фиг.11, 12).

Следует отметить, что на фигурах 10, 14, 15 в зазоре 16 используют оптический фильтр прозрачный для лазерного излучения и препятствующий влиянию конвекционных потоков на бесконтактные приемники тепла. Зазор 16 может быть воздушным, или заполнен азотом, или аргоном, у которого в 2 раза ниже теплопроводность. Это важно как с целю минимизации тепловых потерь в окружающую газовую среду, так и обеспечение условий измерений КОП в гигроскопичных объектах.

В качестве оптических фильтров могут быть использован тот, который пропускает лазерное излучение из следующего ряда: кристаллы - калий бромистый - KBr, Натрий хлористый - NaCl, Калий хлористый - KCl, йодид цезия- CsI, кальций фтористый -CaF2, барий фтористый - BaF2, литий фтористый - LiF, магний фтористый - MgF2, селенид цинка - ZnSe, лейкосапфир - Al2O3, кремний - Si, германий - Ge. а также стекло оптическое бесцветное (К8, ЛК5, ТФ10 и др.), кварцевое стекло (КУ-1, КУ-2, KB, КИ).

Существенно, что в лазерном калориметре на входе одного из приемников имеется оптический фильтр, прозрачный на длине волны лазерного излучения и препятствующий проникновению конвекционных потоков к приемнику.

В случае контакта ТЭК с объектом, будет принят суммарный тепловой поток Ро из объема объекта, тогда как при отсутствии контакта, при наличии, например воздушного зазора, будет принят только тепловой сигнал в виде фонового рассеянного лазерного

излучения Pf. Баланс установившихся тепловых потоков можно записать как

где Р - искомая мощность теплового потока как результат поглощения лазерного излучения в объеме объекта, х - неутилизированная часть принятой мощность теплового потока X на входной и выходной гранях объекта. Назначение радиатора состоит не только в отводе тепла от ТЭК, но и, главное, в утилизации X, вплоть до нуля х = 0. Тогда из (2) определяется разность тепловых потоков Р = Ро - Pf при двух положениях ТЭК - контактном и бесконтактном в процессе нагрева и вычисляется КОП по формуле (1). Конечно, обнулить х можно только в теории, но на практике через некоторое время тепловой фронт все же достигнет середины объекта, однако если малая часть X дойдет до приемника тепла в виде х до ею можно пренебречь если величина х/ Р < 0,1 - не превосходит погрешность измерений. Кроме того есть возможность не дожидаясь момента прихода фронта тепла от концов произвести вычисление КОП на начальном участке экспоненциального роста Р за вычетом значения фоновой составляющей Pf до прихода фронта, о чем будет указано ниже.

Таким образом существенно, что в предложенном с способе измерение разности тепловых потоков двух приемников проводят в установившихся во времени тепловых потоках - до включения, в момент выключения лазера и по окончании охлаждения или не дожидаясь завершения разогрева, когда измеряют разность тепловых потоков двух приемников спустя промежуток времени после включения лазера, который меньше, чем время распространения теплового фронта со входа или выхода луча к приемнику суммарного тепла.

Для того, чтобы оценить мощность X со входа и выхода объекта, которая присутствует в принимаемом суммарном тепловом потоке Ро достаточно провести измерения по схеме фиг.5, например, с тремя ТЭК с прокладками 15 и без них - в контакте концов объекта с радиатором. Разность полученных суммарных мощностей примерно равна X. Традиционное измерение КОП в лазерном калориметре по схеме фиг.5, как по суммарному тепловому сигналу, ведет к значительной погрешности, погрешность может превышать реальный КОП до 10 раз. Наличие утилизации тепла на концах объекта существенно уменьшает X в 50 - 100 раз, и погрешность определения КОП может быть в пределах 10%.

На фиг.16 представлена блок-схема лазерной калориметрической системы для измерения коэффициента оптического поглощения объекта 8 из оптически прозрачного материала на оптическом столе 21 с механизмами пространственной юстировки устройств на нем установленных, а именно содержащая:

- управляемый лазер 22 по средней мощности излучения и времени включения/выключения, с волоконным выводом 24 излучения и излучателем коллимированного луча 23 на выходе;

- металлический радиатор 9, монтируемый на платформе 10;

- экранирующий электромагнитный, в том числе инфракрасный, фон экран И, прикрывающий радиатор и снабженный оптическими окнами по входу и выходу (13, 14, фиг.2);

- площадку радиатора для установки объекта и утилизации части тепла с его концов в радиаторе непосредственно и/или через высоко теплопроводящую прокладку 15, и/или через термоэлектрический конвертер 1 (ТЭК);

- по меньшей мере один ТЭК в качестве приемника мощности теплового потока в средней зоне площадки радиатора и известной калибровочной характеристикой, и с выходным пассивным сигналом в виде термо-электрического напряжения или тока, или с активной обратной связью по току для компенсации разогрева приемной площадки ТЭК;

- измеритель мощности 25 лазерного излучения за пределами экрана 11;

- на платформе снаружи экрана или отдельно расположенный электронный модуль контроллера 26 для связи 27 с приемниками тепловых потоков, усиления их сигналов, обеспечения пассивного или активного режимов измерения ТЭК и управления 28 лазером в процессе измерений, для обработки цифровых данных с учетом данных 29 измерителя мощности лазерного излучения и визуализации результатов 30 на мониторе компьютера 31.

В качестве примера осуществления изобретения изготовлен лазерная калориметрическая система, фиг 16. Медный радиатор - в виде фиг.10. Такая конструкция более, чем достаточна для проведения измерений в различных конфигурациях, например фиг.5 и 6. В качестве ТЭК использован термоэлектрический модуль ТВ-18-0.45-1.3 (изготовитель: КРИОТЕРМ 197348, Россия, Санкт-Петербург, Аэродромная л. 6, Email: [email protected]. Экран имел просветленные кварцевые окна на длине волны волоконного лазера 1,06 мкм, лазер с управляемой мощностью до 10 Вт (изготовитель: ООО НТО «ИРЭ-Полюс, г. Фрязино, РФ». Контроллер выполнен на основе микроконтроллера C8051F350 с восемью 24-битными дельта-сигма а.ц.п. и девятым - внутренним для контроля температуры. Усилитель 4 напряжения/тока фиг.1 выполнен на основе микросхемы AD620A, R =2 кОм, ключ К - электронный. Каждый ТЭК прокалиброван по эталонному резистору и мощности Джоулевых потерь около 600 мкВт, использован резистор для поверхностного монтажа с нихомовыми подводящими проводами диаметром 100 мкм. Измеритель мощности Newport (США), модель 1918-R. Программное обеспечение полностью автоматизировало процесс измерения и вывод на экран монитора в реальном времени шести а.ц.п. и результатов обработки разностных сигналов контактного и бесконтактного ТЭК. Если использовались 2 бесконтактных ТЭК, то результат усреднялся, фиг.6.

Проведены измерения в объекте плавленого кварца в виде квадратной призмы 30×4×4 мм длиной 30 мм, с полированными гранями без просветления, коэффициент отражения k=0,035. Измерения КОП проводились в 2-х режимах "i" и "u" для их сравнения.

Сначала выполнена схема измерений фиг.5 и найдена мощность суммарная Ро в режимах "i" 100 и "u" 200 (фиг.17), выделяемая во всем объекте и принятая тремя ТЭК. Цель показать к какой ошибочной величине можно прийти при расчете КОП, если пользоваться традиционным подходом без учета составляющих теплового потока: собственного поглощения в объеме, поглощения на входе/выходе и фонового рассеянного лазерного излучения. Расчетная формула КОП а

Где P_L - мощность лазерного излучения на измерителе мощности Newport, L - длина на которой выделяется принятая мощность Ро.

Что и следовало ожидать - во первых, наличие обратной связи по току не дает разогреться контактной грани ТЭК (значит градиент температуры не уменьшается, следовательно поток тепла не уменьшается по закону Фурье), а также уменьшает тепловые потери в воздух, во вторых, КОП значительно завышен примерно в 5 раз, что будет показано ниже с использованием изобретения.

Далее применена схема фиг.6 - объект установлен на площадку радиатора, концы и средняя часть в контакте, два ТЭК бесконтактные измеряют фон рассеянного лазерного излучения из объема кварца. Результаты измерений мощности тепловых потоков Ро и Pf представлены на фиг.18 в режимах "i" 100 и "u" 100, 101 и 200, 201, соответственно. Вычисления за вычетом фона по формуле

на длине принятого теплового фронта L = 1,5 см дают

Что и следовало ожидать - во первых, наличие обратной связи по току не дает разогреться контактной грани ТЭК и уменьшает тепловые потери в воздух, и во вторых видно, что в сравнении с результатом определения КОП в предыдущем традиционном измерении, завышение составляет примерно в 5 раз, формула (3).

Определим КОП по способу, когда для расчета используют экспоненциальный участок роста Ро за время, кода тепловые фронты со входа или выхода не успели дойти то середины объекта, где расположен приемник (фигуры 19, 20).

Фиг. 19 - активный режим ТЭК "i". Видно, что на интервале t = 0-25 с аппроксимация кривой 104 как Е1 = 750000 * (1 - ехр (0,10 - t / 12)) совпадает с ростом Ро, (амплитуда Е1) = 750000 нВт. 102 и 103 - мощность фонового излучения слева и справа от середины P_fL и P_fR, соответственно, в расчете КОП α (4) используют их среднее значение и вместо Ро подставляем амплитуду Е1.

Фиг. 20 - пассивный режим ТЭК "u". Видно, что на интервале t = 0-25 с аппроксимация кривой как Е2 = 645000 * (1 - ехр (0,11 - t / 12)) совпадает с ростом Ро, (амплитуда Е2) = 645000 нВт. 202 и 203 - мощность фонового излучения слева и справа от середины P_fL и P_fR, соответственно, в расчете КОП α (4) используют их среднее значение и вместо Ро подставляем амплитуду Е2.

Тогда вычисления а за вычетом фона по формуле (4) на длине принятого теплового фронта L=1,5 см дают

Здесь аналогичная картина - в активном режиме, при наличии обратной связи по току, ТЭК не дает разогреться контактной грани и уменьшает тепловые потери в воздух, результат можно считать более достоверным, чем просто измерение напряжения в пассивном режиме. Отметим, что разность Ро - Е1 на конечном участке нагрева на 124 с (фиг.19) равна принятой мощности контактным ТЭК за счет ограниченной (не полной) утилизации тепла на радиаторе и равна х = 15 мкВт. Можно оценить долю этого неутилизированного тепла радиатором в активном режиме работы ТЭК, дошедшую до середине объекта:

х/(565 мкВт Ро(фиг.17) - 90 мкВт Ро(фиг.18))*100% = 3,2% - такая доля тепла дошла до приемника тепла со входа и выхода луча в объекте.

Вывод: таким образом вычисление КОП для объекта из плавленого кварца на участке экспоненциального роста Ро до момента прихода теплового фронта от входной /выходной грани дает величину

тогда как в установившемся во времени тепловом потоке Ро присутствует конечное значение неутилизированной мощности х=15 мкВт и

необходимо непосредственно увеличить площадь соприкосновения с радиатором для более полной утилизации тепла, которое выделяется на входной/выходной грани данного объекта при поглощении лазерного излучения, или увеличить длину объекта.

Изобретение открывает возможность корректного и более точного вычисления КОП в прозрачных материалах и может быть использовано для разработки нового стандарта измерения КОП.

Для специалистов в данной области техники должно быть очевидным, что изобретение не ограничено вариантами осуществления, представленными выше, и что в него могут быть включены изменения в пределах объема притязаний формулы изобретения. Отличительные особенности, представленные в описании совместно с другими отличительными особенностями, в случае необходимости, могут также быть использованы отдельно друг от друга.

Claims (21)

1. Способ измерения коэффициента оптического поглощения в протяженном объекте из оптически прозрачного материала методом лазерной калориметрии, основанный на регистрации отношения поглощенной доли мощности лазерного излучения, выделяемой в объекте в виде тепла на единице длины, к мощности лазерного луча в объекте, отличающийся тем, что тепло, выделяемое на входной и выходной гранях объекта, утилизируют в радиаторе через концевые части по меньшей мере одной боковой грани объекта, а тепло из средней зоны объекта регистрируют по меньшей мере одним приемником теплового потока, причем в одном положении он имеет контакт с объектом и принимает суммарную мощность теплового потока из средней зоны объекта, а в другом - отделен от объекта пространственным промежутком в виде зазора и принимает только поток рассеянного лазерного излучения из этой же средней зоны объекта, тогда коэффициент оптического поглощения определяют из разности мощностей теплового потока при контакте и рассеянного лазерного излучения без контакта с приемником тепла, по отношению к мощности лазерного луча в объекте и к длине средней зоны объекта.

2. Способ измерения коэффициента оптического поглощения в протяженном объекте из оптически прозрачного материала методом лазерной калориметрии, основанный на регистрации отношения поглощенной доли мощности лазерного излучения, выделяемой в объекте в виде тепла на единице длины, к мощности лазерного луча в объекте, отличающийся тем, что тепло, выделяемое на входной и выходной гранях объекта, утилизируют в радиаторе через концевые части по меньшей мере одной боковой грани объекта, а тепло из средней зоны объекта регистрируют по меньшей мере двумя приемниками тепловых потоков, причем один из них имеет контакт с объектом и принимает суммарную мощность теплового потока из средней зоны объекта, а другой отделен от объекта пространственным промежутком в виде зазора и принимает только поток рассеянного лазерного излучения из этой же средней зоны объекта, тогда коэффициент оптического поглощения определяют из разности мощностей тепловых потоков этих приемников по отношению к мощности лазерного луча в объекте и к длине средней части объекта.

3. Способ по п. 2, в котором используют приемник с известной калибровочной характеристикой для измерения мощности теплового потока на основе термоэлектрического конвертера (ТЭК) с элементами Пельтье и с выходным пассивным сигналом в виде термо-электрического напряжения или тока, или с активной обратной связью по току для компенсации разогрева контакта объекта с приемной площадкой ТЭК.

4. Способ по п. 2, в котором измерение разности тепловых потоков двух приемников проводят в установившихся во времени тепловых потоках - до включения, в момент выключения лазера и по окончании охлаждения или не дожидаясь завершения разогрева, когда измеряют разность тепловых потоков двух приемников спустя промежуток времени после включения лазера, который меньше, чем время распространения теплового фронта со входа или выхода луча к приемнику суммарного тепла.

5. Способ по п. 2, в котором радиатор утилизирует тепло со стороны любой боковой грани объекта следующим способом: непосредственно через контакт с радиатором, и/или через высокотеплопроводящую прокладку, и/или через ТЭК, и/или через теплопроводящую пасту, и/или гель, причем приемные площадки тепловых потоков находятся в параллельных плоскостях снизу и/или сверху, и/или в ортогональных.

6. Лазерный калориметр для измерения коэффициента оптического поглощения объекта из оптически прозрачного материала, содержащий:

- металлический радиатор, монтируемый на платформе;

- экранирующий электромагнитный, в том числе инфракрасный, фон экран, прикрывающий радиатор и снабженный оптическими окнами по входу и выходу;

- площадку радиатора для установки объекта и утилизации части тепла с его концов в радиаторе непосредственно и/или через высокотеплопроводящую прокладку, и/или через термоэлектрический конвертер (ТЭК);

- по меньшей мере один ТЭК в качестве приемника мощности теплового потока в средней зоне площадки радиатора и известной калибровочной характеристикой, и с выходным пассивным сигналом в виде термо-электрического напряжения или тока, или с активной обратной связью по току для компенсации разогрева приемной площадки ТЭК.

7. Лазерный калориметр по п. 6, в котором в средней зоне площадки радиатора содержится по меньшей мере два ТЭК в качестве приемников мощности теплового потока, причем один из них имеет общий уровень с площадкой, а другой находится либо ниже ее уровня, либо сбоку, либо над ней, причем радиатор изготовлен из цветного металла с теплопроводностью более 200 Вт/(м⋅К), а экран содержит окна, просветленные на длине волны лазерного излучения.

8. Лазерный калориметр по п. 7, в котором используют высокотеплопроводящую прокладку в виде плоского или имеющего кривизну поверхности ложемента.

9. Лазерный калориметр по п. 7, в котором на входе одного из приемников имеется оптический фильтр, прозрачный на длине волны лазерного излучения и препятствующий проникновению конвекционных потоков к приемнику.

10. Лазерная калориметрическая система для измерения коэффициента оптического поглощения объекта из оптически прозрачного материала на оптическом столе с механизмами пространственной юстировки оптических устройств, на нем установленных, а именно содержащая:

- управляемый лазер по средней мощности излучения и времени включения/выключения, с волоконным излучателем коллимированного луча на выходе;

- металлический радиатор, монтируемый на платформе;

- экранирующий электромагнитный, в том числе инфракрасный, фон экран, прикрывающий радиатор и снабженный оптическими окнами по входу и выходу;

- площадку радиатора для установки объекта и утилизации части тепла с его концов в радиаторе непосредственно и/или через высокотеплопроводящую прокладку, и/или через термоэлектрический конвертер (ТЭК);

- по меньшей мере один ТЭК в качестве приемника мощности теплового потока в средней зоне площадки радиатора с известной калибровочной характеристикой, и с выходным пассивным сигналом в виде термо-электрического напряжения или тока, или с активной обратной связью для компенсации разогрева приемной площадки ТЭК;

- измеритель мощности прошедшего лазерного излучения за пределами экрана;

- на платформе снаружи экрана или отдельно расположенный электронный модуль контроллера для связи с приемниками тепловых потоков, усиления их сигналов, обеспечения пассивного или активного режимов измерения ТЭК и управления лазером в процессе измерений, для обработки цифровых данных с учетом данных измерителя мощности лазерного излучения и визуализации результатов на мониторе компьютера.

Images