Лабораторные работы по электротехнике

Электротехника
Примеры расчета цепей
Лабораторные работы
Переходные процессы в линейных цепях
Вынужденные колебания
Оптика
Определение удельной теплоемкости воздуха
Гироскоп
Теплопроводность тел
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ

Цель работы – исследование поглощения в пленках и подложках на длине волны 10.6 мкм калориметрическим методом.

 ПОГЛОЩЕНИЕ В МАТЕРИАЛАХ ПРОХОДНОЙ ОПТИКИ И ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЯХ.

В справочной литературе[2-5] имеется описание большого коли­чества материалов, используемых в ближней (0,6-2.0 мкм) и средней ИК (2-15 мкм) области спектра. К ним относятся галогениды металлов первой и второй столбцов периодической системы элементов: фториды лантаноидов, тория, сульфиды и селениды металлов, кремний и герма­ний. В зависимости от конкретных применений, материалы, использу­емые в качестве подложек или пленкообразующего вещества должны удовлетворять целому ряду специфических требований. В первую очередь хорошим пропусканием (т.е. малым поглощением) в требуемой области спектра.

Хотя на пленкообразующие материалы накладываются дополни­тельные требования, их число при использовании в ИК-диапазоне спектра значительно превышает число материалов, используемых для изготовления прозрачных подложек. В первую очередь это объясняется тем, что пленки прозрачны в гораздо более широком диапазоне спектра, чем толстые пластины из того же материала, кроме того, требования, накладываемые на механическую прочность пленок значительно ниже, чем на массивные образцы.

Лазерное излучение до определенного уровня интенсивности Inop при взаимодействии с оптическим материалом или покрытием вызывает его нагрев, что приводит к изменению толщины, показате­ля преломления и коэффициента поглощения. В диапазоне интенсивностей, меньших Inop, изменение свойств материалов и покрытий носит обратимый характер. Увеличение плотности энергии вызы­вает вначале локальные разрушения в покрытиях и материалах, а затем приводит к разрушению по всей площади взаимодействия.

Обычно распределение интенсивности лазерного излучения соответствует гауссовом. При диаметре апертуры оптического элемента D основная мощность лазерного излучения сосредо­точена в пятне с размерами порядка D/е. В результате нагре­ва центральной области элемента (например, выходного зерка­ла лазера)происходит его деформация .Кроме того, вследствие наличия зависимости коэффициента преломления от температуры, т.е. dn/dT = О плоскопараллельное окно превращается в двояковыпуклую линзу. По известным значениям мощности излуче­ния Р ,апертуры лазерного луча и окна, его теплопроводности, поглощения А , можно рассчитать искажение фазы вол­нового фронта проходящего излучения .

Реальные плотности мощности излучения на выходных окнах технологических лазеров не превышают 1000-2000 Вт/см2 в непрерывном режиме.

Наиболее распространенным материалом для оптики ИК-диапазона является германий. Кристаллы германия используются в опти­ческих системах лазеров на СО2 из-за очень высокой теплопроводности и сравнительно низкой стоимости. Применение германия в оптике СО2 лазеров ограничено, как правило, лазерами средней мощности. Ограничение применения германия связано с эффектом термического ухода. Коэффициент поглощения полупроводников, к которым принадлежит германии, определяется в основном погло­щением свободных носителей заряда, число которых экспоненциально возрастает с повышением температуры. Начиная с некоторой темпе­ратуры Ткр, количество поглощенного тепла превышает отдаваемое в среду, температура возрастает, возрастает и поглощение. Этот про­цесс нарастает лавинно и, если не принимать специальных мер к снижению подаваемой на образец мощности, происходит его нагрев, что приводит к изменению толщины,показате­ля преломления и коэффициента поглощения. В диапазоне интенсивностей, меньших Inop, изменение свойств материалов и покрытий носит обратимый характер. Увеличение плотности энергии вызы­вает вначале локальные разрушения в покрытиях и материалах, а затем приводит к разрушению по всей площади взаимодействия.

Обычно распределение интенсивности лазерного излучения соответствует гауссовом. При диаметре апертуры оптического элемента D основная мощность лазерного излучения сосредо­точена в пятне с размерами порядка Ь /е.В результате нагре­ва центральной области элемента (например, выходного зерка­ла лазера)происходит его деформация .Кроме того, вследствии наличия зависимости коэффициента преломления от температуры, т.е. dn/dT = О плоскопараллельное окно превращается в двояковыпуклую линзу. По известным значениям мощности излуче­ния Р ,апертуры лазерного луча и окна, его теплопроводности, поглощения А, можно рассчитать искажение фазы вол­нового фронта проходящего излучения .

Наиболее распространенным материалом для оптики ИК диапа­зона является германий. Кристаллы германия используются в опти­ческих системах лазеров на СО2 из-за очень высокой теплопроводности и сравнительно низкой стоимости. Применение германия в оптике СО2 лазеров ограничено, как правило, лазерами средней мощности . Коэффициент поглощения полупроводников, к которым принадлежит германии, определяется в основном погло­щением свободных носителей заряда, число которых экспоненциально возрастает с повышением температуры. Начиная с некоторой темпе­ратуры Ткр, количество поглощенного тепла превышает отдаваемое в среду, температура возрастает, возрастает и поглощение. Этот про­цесс нарастает лавинно и, если не принимать специальных мер к снижению подаваемой на образец мощности ,происходит разрушение образца. Реально, в пересчете на непрерывный режим окна из Ge выдерживают нагрузки в 100-150 Вт/см при дополнительном охлаж­дении водой.

Фторид бария является материалом с самым низким критерием качества. Кристаллы BaF2 прозрачны в спектральном диапазоне от 0,14 до 14 мкм и широко используются в оптике, несмотря на свою относительно малую твердость. Несмотря на относительно высокое поглощение на длине волны 10,6 мкм, в импульсном режиме он вы­держивает 10 Вт/см при длительности импульса 1-2 мкс. Фтористый барий применяется в окнах химических лазеров, так как удачно сочетает высокую химическую устойчивость к агрессив­ным рабочим средам с малым поглощением и высокой лучевой стой­костью в диапазоне длин волн 2-7 мкм. К сожалению, из-за малого значения критерия качества он не выдерживает нагрузок свыше нескольких десятков ватт на см в пересчете на непрерывный режим.

Наиболее пригодными для проходной оптики СО2 лазеров яв­ляются селенид цинка и арсенид галлия. Между этими двумя матери­алами идет конкуренция на пригодность к использованию в лазерах максимальной мощности. С одной стороны GaAs обладает гораздо более высокой твердостью и теплопроводностью, с другой стороны в производстве селенида цинка идет постоянный прогресс в сторону снижения коэффициента объемного поглощения. Если десять лет на­зад лучшие образцы селенида цинка имели поглощение более 0,005см то в настоящее время имеются сообщения о производстве селенида цинка с объемным поглощением менее 0,0001 стандартный селенид цинка рекламируемый рядом фирм в России и за рубежом, имеет объемное погло­щение менее 0,0005 см-1. Лучшие образцы селенида цинка, выпускае­мые Ленинградским заводом оптического стекла имеют поглощение в три-пять раз выше.

Предельные значения лучевой прочности GaAs и ZnSe составляют величину порядка 1,5-2,0 кВт/см при нагрузках свыше одного киловатта. При работе в волноводных СО2 лазерах лучевая прочность этих соединений превышает 10 кВт/см2 при проходной мощности в несколько десятков ватт.

Ни GaAs, ни ZnSe не могут быть использованы в системах с плотностью мощность свыше 1-2 кВт/см и апертурой луча в десятки см2 .По сообщениям периодической печати, материалами, выдерживающими такую плотность мощности, являются кри­сталлы КС1 и NaCl. Их очевидным недостатками являются высокая гигроскопичность и мягкость, требующие использования защитно-просветляющих покрытий с предельно низким поглощением. В ра­боте [3] описаны трехслойные просветляющие покрытия с по­глощением менее 0,02%.Окна из КС1 с такими покрытиями исполь­зовались в лазерах с выходной мощностью более 20 кВт. Однако анализ материалов работы [ 3 ] показывает ,что удельные на­грузки на окна из КС1 не превышали при этом 0,7 кВт/см2, а значения приводимых потерь в покрытиях соответствовало расчет­ному, которое всегда занижено. На наш взгляд, прогресс в изго­товлении селенида цинка с предельно малыми значениями поглоще­ния может вытеснить такие материалы как хлорид калия или нат­рия, единственным достоинством которых будет их невысокая стои­мость .

В заключении этого краткого описания остановимся на алмазе. Некоторые оптические фирмы США рекламируют использование алма­за в качестве оптического материала. Поглощение алмаза на 10,6 мкм достаточно велико -0,01 см-1, но очень высокая его теп­лопроводность ( вчетверо выше,чем у металлического серебра) позволяет пропускать через алмазные окна световые потоки с плотностью до 1 МВт/см2.

Все описанные выше материалы использовались в разное вре­мя и разными авторами в качестве пленкообразующих. Практически невозможно составить список всех материалов, которые использовались в качестве пленкообразующих в ближнем и среднем ИК ди­апазоне 9-11 мкм, т.е. в диапазоне работы С02 лазеров.

Как показал опыт работы, очень ограниченное количество материалов используется в качестве пленкообразующих для оптичес­ких покрытий СО2 лазеров. К ним можно отнести:NaF, ThF4 , BaF2 ,PbF2 , SrF2, ZnS, ZnSe, As2S3 , As2Sе3, Ge и некоторые сложные халькогенидные соединения, например, Ge30As±7Te30Se23. В рамках настоящей работы для изготовления зеркал используются селенид цинка, сульфид сурьмы, фторид бария и фторид стронция.

КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ

Наряду с спекетрофотометрическими методами  при определении малого поглощения в пленках и оптических элементах резонаторов

В качестве источника света в настоящей работе используется СО2 лазер ЛГ-74, генерирующий невидимое глазом излучение на длине волны 10.6 мкм. В силу большой выходной мощности лазер является источником повышенной пожарной опасности, а также опасности для здоровья людей. Во время измерений нужно следить, чтобы посторон­ние предметы и руки не попадали в лазерный пучок, т.к. это мо­жет вызвать их возгорание или ожог. Категорически запрещается включать лазер без разрешения и без присмотра преподавателя.

Показателем поглощения или просто поглощением образца называ­ется поглощаемая образцом доля светового потока, т.е.

ЩА = W / W (2.11)

где W - падающая на образец мощность излучения, a W - поглоща­емая образцом мощность. Поглощенная световая энергия превращается в тепло и нагревает образец. Измерив нагрев образца в лазерном пучке известной мощности таким образом можно найти показатель по­глощения образца. Описываемый метод называется калориметрическим; он позволяет провдить измерения очень малых поглощений (А 0.1%), что невозможно сделать традиционным фотометрическим методом, име­ющим погрешность измерений А > 1%

Для точного измерения поглощения теплоты, а также для исключе­ния неконтролируемых тепловых потоков образец помещается в кало­риметр. Однако, в любом реальном калориметре всегда имеются утеч­ки тепла во внешнюю среду. Поэтому энергия, поглощенная образцом, частично идет на его нагревание и частично рассеивается во внеш­нюю среду. Уравнение теплового баланса поглощающего образца в калориметре записывается следующим образом:

A w dt = С dT + dQ (2.12)

где А - показатель поглощения, w - мощность лазера,  С - тепло­емкость оправки с образцом, dt - промежуток времени, dT - нагрев образца за этот промежуток времени, dQ -утечка тепла во внешнюю среду за этот промежуток времени. Левая часть этого уравнения, как это видно из (1), представляет собой энергию, поглощенную образ­цом за время dt, первое слагаемое в правой части есть теплота, пошедшая на нагревание образца, второе же слагаемое представляет собой потери тепла за счет теплопроводности деталей крепежа и из­лучения нагретого образца. В используемом калориметре оправка с образцом закрепляется при помощи металлической мембраны, имеющей форму кольца с наружным радиусом R и внутренним - R . На вну­тренней части мембраны поддерживается температура нагретого об­разца Т, а на наружной - температура окружающей среды ТO . Утечка тепла через такую мембрану за счет теплопроводности на два порядка превышает потери тепла на излучение. Поэтому величину dQ в уравнении (2.12) можно найти, решив уравнение теплопроводности для тонкой круглой пластины. Считая. Что поглощение А<<1, ре ш е н и е у р а в н е н и я з а пиш ем в виде:

 А= С Umax (2.13)

где C- чувствительность установки, Umax сигнал, пропорциональный разности температур окружающей среды и образца.

Выражения (2) и (3) получены для образца, все точки которого имеют одинаковую температуру, и величина dT отражает нагрев всего образца в целом. При получении асимптотического решения (2.13) мы должны знать, какое время   требуется для получения максимальной темературы. Для используемого калориметра   = 100 с.

Выражение (4) получено без учета теплопроводности самого образца, т.е. в нем не учтено время, за которое тепло доходит от центра образца до оправки. Реальная зависимость T(t) заметно от­личается от написанной лишь при малом времени наблюдения. Для образцов небольшого размера (диаметром до 30 мм) при t - t зависимость (4) становится достаточно точной.

2.3.3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

ВНИМАНИЕ В качестве источника света в настоящей работе используется СО2 лазер ЛГ-74, генерирующий невидимое глазом излучение на длине волны 10.6 мкм. В силу большой выходной мощности лазер является источником повышенной пожарной опасности, а также опасности для здоровья людей. Во время измерений нужно следить, чтобы посторон­ние предметы и руки не попадали в лазерный пучок, т.к. это мо­жет вызвать их возгорание или ожог. Категорически запрещается включать лазер без разрешения и без присмотра преподавателя.

Перед началом работы необходимо ознакомиться с инструкцией по работе с лазером и калориметрическим стендом.

Схема экспериментальной установки схематически изображен на рис.3.1. С источника излучения - лазера ЛГ-74 световой пучок прой­дя через диафрагму попадает на образец, размещенный в калоримет­ре. Мощность пучка измеряется с помощью прибора ИМО-3 до и после основных измерений; во время измерений входной зрачок измерителя мощности лучше закрыть асбестовой заслонкой, чтобы обратный све­товой поток из него не попал снова в калориметр. Диафрагма служит для отсечения бликов от непросветленной поверхности выходного зер­кала лазера. Ее следует располагать не перпендикулярно лучу, а под некоторым углом, чтобы луч, отраженный от образца и попавший на ее поверхность, не был бы снова направлен в калориметр.

  Рис.3.1

лазер, 2- измеритель мощности, 3 - основная головка, 4-вспомогательная головка, 5 - светоделительная пластина, 6- асбестовые заслонки, 7 - калориметр, 8 - диафрагма, 9- микровольтметр, 10,II - блоки питания.

Калориметр (см. инструкцию [9]) размещен на специальном столике, имеющем в закрепленном состоянии три степени свободы, позволяющие добить­ся точного совмещения оси прибора с осью лазерного пучка. Кало­риметр изолирован кожухом из оргстекла от внешних тепловых пото­ков. Корпус калориметра может находиться в рабочем - вертикаль­ном или в удобном для закладки образца - горизонтальном положе­нии. Сменная головка (оправка) крепится к корпусу на металличес­кой круглой пластине (мембране) шестью винтиками. Головка имеет вид круглого медного стакана с прорезями для удобного закладыва­ния пинцетом образца. Элементы измерительной схемы закреплены по два на головке и в месте крепления пластины к корпусу.

Нагрев образца измеряется с помощью мостиковой схемы, одно плечо которой собрано на термосопротивлениях, закрепленных на нагреваемой оправе и на "холодном" корпусе. В другое плечо включен подстроечный резистор для балансировки моста. Питание по­дается между точками *а" и "Ь", сигнал снимается между точками "с" и "d". Подстройка нуля осуществляется ручой "баланс моста" при холодном образце. Сигнал с измерительной схемы подается на милливольтметр. Величина этого сигнала однозначно связана с раз­ностью температур оправки и окружающей среды :

Прежде, чем переходить к описанию макета установки, нужно остановиться на учете неравномерности нагрева образца в узком лазерном пучке. Естественно, что Самую высокую температуру име­ет центр образца, меньшую - края, самую низкую - оправка, на которой как раз и размещены элементы измерительной схемы. Встает вопрос, как связаны показания, снимаемые на оправке с нагревом (температурным полем) всего образца. Этот вопрос удается снять, если вместо прямого измерения проводить сравнение сигналов, сни­маемых в одной и той же точке для образцов, имеющих известное и неизвестное поглощение. При этом величина электрического сигна­ла должна быть однозначно связанной с разностью температур этой точки и окружающей среды. Если два одинаковых образца дают оди­наковые сигналы, то и температурные поля в них одинаковы.

В качестве образца, имеющего известное поглощение, берется имитатор. Это некое тело, геометрически тождественное образцу, внутри которого помещен небольшой резистор. Нагрев имитатора производится пропусканием через этот резистор электрического то­ка. Поскольку имитатор поглощает все выделившееся джоулево тепло, показатель поглощения для него равен 1. Измерив сигнал, соответ­ствующий максимальному разогреву имитатора, и рассчитав выделяющуюся на сопротивлении мощность, по формуле (2.13) можно найти чув­ствительность установки.

Таким образом, процесс измерения показателя поглощения разбивается на две части: измерение чувствительности установки и собственно измерение поглощения. Порядок действий при обоих измерениях одинаков, снимаются одни и те же показания. Поэтому можно сказать, что результат измерения поглощения находится из сравнения двух величин. Такое сравнение можно провести с большой точностью, что позволяет добиться высокой точности и надеж­ности результата.

К недостаткам описанной установки для измерения показателей поглощения нужно отнести уход нуля электрической схемы за время измерений. Причина этого явления состоит в медленном изме­нении температуры окружающего воздуха, связанном с присутствием людей в лаборатории и суточными колебаниями температуры. Если изменение температуры окружающей среды составит 0.40С/час, то связанный с этим дрейф электрической схемы составит за время измерений  составит 0.15мв, что приведёт к ошибке в определении показа­теля поглощения А=0.1%. Для некоторых образцов само поглощение может быть того же порядка, поэтому дрейф нуля электрической схемы нужно скомпенсировать.

Формулы написаны в предположении, что при темпера­туре образца, равной температуре окружающей среды электрическая схема вырабатывает нулевой сигнал. Если же в результате дрейфа это условие нарушается, в эти формулы вместо Um нужно подставлять раз­ность сигналов, получаемых от нагретого и холодного образца, т.е. Um = Uh - Ux. Существенно, что оба эти сигнала должны быть измере­ны в один момент времени, что невозможно, так как один и тот же образец не может быть и нагретым и холодным одновременно. Один из этих сигналов нужно находить интерполированием.

Порядок закладки образца в калориметрСнять кожух из оргстекла, положить калориметр горизонтально, освободить крепежные винты и снять крышку. Специальным ключом отвинтить наружную медную оправку, вынуть медную (или алюминиевую) прокладку, взяв её пальцами за выступающие стерженьки. Пинцетом осторожно положить образец в центр медного стакана. Теми же действиями в обратном порядке закрыть калориметр, установить его вертикально и закрыть кожухом.

Порядок измерения чувствительности установки. Переключив милливольтметр в режим омметра, измерить электричес­кое сопротивление имитатора. Заложить имитатор в калориметр,  следя за тем, чтобы оголенные контакты подводящих проводов не касались металлических деталей калориметра. Провода вывести наружу через лю­бое из имеющихся отверстий и подсоединить к выключенному источнику постоянного тока. Подождать около 10 минут и измерить сигнал U Подать на резистор постоянное напряжение, выбранное с таким расчетом, чтобы выделяющаяся на нем тепловая мощность была того же порядка, что и в образце, поглощающем лазерное излучение, т.е. W = 0.01-0.05 Вт. Через равные промежутки времени t = 8мин измерить сигналы от нагретого U и остывшего и образца.

Порядок измерения пропускания и поглощения образца. Включить лазер и измерительную схему ( выполняет преподаватель) Провести юстировку оптической схемы; необходимо добиться, чтобы ла­зерный луч проходил через середину диафрагмы оправки и входил в центр отверстия головки измерителя мощности. Излучение лазера на длине волны 10,6 мкм является невидимым и может быть обнаружено по зажиганию бумажки, помещенной в пучок. Юстировку калориметра прово­дить при помощи специальных подвижек.

Измерить мощность лазерного излучения W. Для этого подать излучение в измеритель мощности, минуя образец. В этот момент кало­риметр должен находиться в горизонтальном положении со снятой крыш­кой. Если мощность лазера оказывается больше 1 Вт, нужно включить ослабитель (делитель 1/10) излучения. Закрыть асбестовой заслонкой лазерное излучение, заложить образец в калориметр, подать излучение на образец и измерить мощность прошедшего излучения Wt

 ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Перед выполнением работы необходимо ознакомится с инструкцией по работе на стенде для измерения поглощения в образцах.

Задание №1. Измерить поглощение в образце селенида цинка и определить его коэффициент поглощения, используя закон Бугера.

Задание №2. Измерить поглощение в 7-слойном зеркале из четвертьволновых пленок фторида свинца и селенида цинка на подложке из селенида цинка, считая поглощения в пленках одинаковым, определить коэффициент экстинкции пленок к. Поглощением в подложке пренебречь.

Архитектура Зимнего дворца Санкт-Петербурга