РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Такие оптические характеристики, как коэффициенты поглощения и рассеяния ИК излучения, величина лучевой прочности кристаллических материалов, применяемых в силовой оптике, являются одними из основных параметров, характеризующих оптический элемент, т.к. в значительной степени определяют эффективность и ресурс работы технологических лазеров. Поэтому совершенствованию методов измерения этих оптических параметров уделяется в настоящее время существенное внимание.
В данном разделе описаны разработанные оригинальные установки и методики для раздельного измерения коэффициентов поглощения и рассеяния ИК излучения в тонких образцах кристаллических материалов. Разработан модифицированный калориметрический метод измерения, позволяющий про-водить исследования температурной зависимости малых оптических потерь в кристаллических материалах в широком интервале температур и, в том числе, в образцах материалов с низкой теплопроводностью, имеющих форму тонких дисков. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими расчетами по определению распределения температуры в тон-ких дисках, изготовленных из материалов с различной теплопроводностью, находящихся под воздействием ИК излучения.
Разработаны оригинальная автоматизированная технологическая уста-новка и методики, обеспечивающие: 1) возможность детального исследования "in situ" кинетики процессов термического и фототермического окисления полупроводниковых кристаллов, а также 2) контролируемое получение на их поверхности нано- и микрокристаллических оксидных пленок заданной тол-щины. Описана модифицированная методика измерения электро-оптических параметров гексагональных монокристаллов.
Коротко описаны применявшиеся стандартные методики исследования cостава, структурных и механических свойств кристаллов.
2.1. Экспериментальные установки для измерения оптических характеристик инфракрасных оптических материалов
2.1.1. Автоматизированная установка для измерения коэффициентов поглощения и рассеяния ИК излучения. На основе анализа экспериментальных данных об оптических свойствах (поглощение, рассеяние) инфракрасных оптических материалов нами [161] была разработана и изготовлена измерительная установка, которая обеспечивает возможность раздельного измерения коэффициентов поглощения и раcсеяния ИК излучения, а также автоматизированное накопление, хранение и анализ измеренных величин, характеризующих образцы кристаллов, выращенных при различных технологических режимах роста и имеющих различный примесный состав, различные концентрации дефектов структуры и т.д. Разработанная установка, блок-схема которой приведена на рис.2.1, изготовлена на основе базовой схемы термоэлектрического калориметра [21,162].
При помощи базовой схемы калориметра можно с высокой чувстви-тельностью (10-6 ?10-7 см-1) [13,14] определить величину коэффициента поглощения ? и погрешность измерения, анализируя зависимость изменения температуры образца под воздействием лазерного излучения, однако погрешность оценки коэффициента рассеяния ? остается недопустимо высокой, поскольку начальный период измерения, когда уровень полезного сигнала выше уровня помех, но не превышает амплитуды фона, не удается зафиксировать с достаточной для определения коэффициента рассеяния ИК-излучения точностью. Кроме того, необходимость выравнивания температур теплоизолирующей камеры, исследуемого и эталонного образцов с тем-пературой окружающей среды перед проведением очередного измерения увеличивает длительность измерительного цикла.
Рис. 2.1. Блок-схема лазерной калориметрической установки для измерения коэффициентов поглощения и рассеяния ИК излучения в оптических материалах.
Блоки и элементы, входящие в базовую схему калориметра:
1 - непрерывный СО2-лазер ;
2 - механический затвор для прерывания ИК-излучения;
3 - светоделительная пластинка;
4 - термоизолирующая камера;
5 - исследуемый образец;
6 - эталонный образец;
7 - дифференциальная термопара;
8,9- измерители мощности лазерного излучения;
10 - аналого-цифровой преобразователь;
11 - вольтметр;
12 - вычислительное устройство;
13 - таймер;
14 - графопостроитель;
15 - управляющее реле механического затвора.
Блоки и элементы, введенные при модернизации калориметра:
16 - блок управления;
17 - вольтметр;
18 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь;
19 - блок управления частотой квантования сигнала второй термопары;
20 - вторая дифференциальная термопара;
21 - фотопреобразователь;
22 - формирователь импульсов;
23, 24 - металлические полированные пластинки;
25 - светодиод;
26 - фотопреобразователь.
Использование термоизолирующей камеры с черненной внутренней поверхностью [13], применение дополнительных электронных элементов (аналого-цифровых преобразователей, блоков управления, вспомогательных измерителей мощности) [20] не позволяет существенно уменьшить указанные недостатки. Разработанная оригинальная автоматизированная установка для раздельного измерения коэффициентов поглощения и рассеяния ИК-излучения в оптических материалах [161] в значительной мере эти недостатки устраняет.
Установка разработана на основе базовой схемы термоэлектрического лазерного калориметра (см. рис 2.1), оснащенного вычислительным блоком (12) и таймером (13) и выполняет две функции автоматизации: определение момента начала измерений и управление частотой квантования выходного сигнала. Техническое обеспечение этих функций реализовано в виде двух дополнительных каналов. Измерительная установка содержит СО2 - лазер типа ИЛГН-704 (мощность оптического излучения в непрерывном режиме генерации Р = 40 Вт, диаметр пятна излучения 2,5 мм), измерители мощности ИМО-2Н, нановольтметры Ф-136, графопостроитель Н-307, вычислительное устройство типа IBM-PC/XT.