allgosts.ru17. МЕТРОЛОГИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ17.020. Метрология и измерения в целом

ГОСТ Р 8.942-2017 Государственная система обеспечения единства измерений. Национальный стандарт. Стандартные справочные данные. Лазерные кристаллы (калиевые вольфраматы редкоземельных элементов). Упругие константы. Упруго-оптические модули для изотропной дифракции

Обозначение:
ГОСТ Р 8.942-2017
Наименование:
Государственная система обеспечения единства измерений. Национальный стандарт. Стандартные справочные данные. Лазерные кристаллы (калиевые вольфраматы редкоземельных элементов). Упругие константы. Упруго-оптические модули для изотропной дифракции
Статус:
Действует
Дата введения:
03/01/2018
Дата отмены:
-
Заменен на:
-
Код ОКС:
17.020

Текст ГОСТ Р 8.942-2017 Государственная система обеспечения единства измерений. Национальный стандарт. Стандартные справочные данные. Лазерные кристаллы (калиевые вольфраматы редкоземельных элементов). Упругие константы. Упруго-оптические модули для изотропной дифракции



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

СТАНДАРТ

РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ГОСТР

8.942—

2017

Государственная система обеспечения единства измерений

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ. СТАНДАРТНЫЕ СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ

Лазерные кристаллы (калиевые вольфраматы редкоземельных элементов).

Упругие константы. Упругооптические модули для изотропной дифракции

Издание официальное

Москва

Стандартинформ

2018

ГОСТ Р 8.942—2017

Предисловие

1    РАЗРАБОТАН Главным научным метрологическим центром «Стандартные справочные данные о физических константах и свойствах веществ и материалов» (ГНМЦ «ССД»), Научно-технологическим центром уникального приборостроения РАН (НТЦ РАН)

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК180 «Стандартные справочные данные о физических константах и свойствах веществ и материалов»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 декабря 2017 г. N9 2079-ст

4    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — е ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет fwvvw.posr.ru)

© Стамдартинформ. 2018

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

II

ГОСТ Р 8.942—2017

Содержание

1    Область применения.................................................................1

2    Нормативные ссылки.................................................................1

3    Общие положения...................................................................1

4    Механические и акустические свойства кристаллической среды .............................2

5    Стандартные справочные данные о коэффициентах упругости, коэффициентах

акустооптического качества и фотоупругих модулях.........................................2

Приложение А (справочное) Углы между осями кристаллов семейства KREW....................6

Приложение Б (справочное) Определение скоростей фаэоимпупьсным методом.................7

Приложение В (справочное) Фотоупругие характеристики ....................................9

Библиография .......................................................................13

ГОСТ Р 8.942—2017

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственная система обеспечения единства измерений

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ.

СТАНДАРТНЫЕ СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ

Лазерные кристаллы (калиевые вольфраматы редкоземельных элементов). Упругие константы. Упругооптические модули для изотропной дифракции

State system Гог ensuring the uniformity of measurements. National standard. Standard reference data. Laser crystals {potassium rare-earth tungstates).

Elasticity constants. Elasto-optic modules for isotropic diffraction

Дата введения — 2018—03—01

1    Область применения

Настоящий стандарт распространяется на упругие константы лазерных кристаллов калиевых вольфраматов редкоземельных элементов и их упругооптические модули для изотропной дифракции.

Основой для составления таблиц стандартных справочных данных явились данные, приведенные в методиках [1] и [2). Кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов KRE(W04>2 (далее — KREW) являются известными лазерными материалами, например кристаллы калий-иттербиевого вольфрамата KYb(W04)2 (кратко: KYbW) используются для получения импульсного излучения при пассивной модуляции мод (1).

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий стандарт:

ГОСТ Р 54500.3/Руководство ИСО/МЭК 98-3:2008 Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпусхам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная осыпка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то эго положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссыпку.

3 Общие положения

Упругие константы (см. таблицу 1) определены путем решения обратной акустической задачи по скоростям распространения упругих волн, экспериментально измеренных фазоимпульсным методом. Упругооптические модули (см. таблицу 3) были определены по коэффициентам акустоолтического качества (см. таблицу 2). измеренным методом Диксона.

Издание официальное

1

ГОСТ Р 8.942—2017

При выборе систем координат для кристаллов моноклинной сингонии были применены общепринятые рекомендации [3]:

1} ось Z направляется вдоль минимального вектора трансляции с элементарной ячейки кристалла. не совпадающей с осью симметрии второго порядка;

2)    ось У ориентирована вдоль оси симметрии второго порядка таким образом, чтобы система координат XYZ была правой;

3)    ось X лежит внутри тупого угла элементарной ячейки и перпендикулярна осям У и Z.

Другая система координат, называемая диэлектрической, связана с осями оптической индикатрисы; Nm. Np и N?. При этом ось Np совпадает с осью симметрии второго порядка кристалла и. соответственно. с осью У. а оси Nm и Np лежат в плоскости XZ и образуют с осями X и У угол и (см. приложение А). Вследствие дисперсии значение угла и зависит от длины вилны света л и может изменяться в видимом диапазоне почти на 2*. величина этого угла и при 632.8 нм для кристаллов семейства KREW, а также плотность материалов приведены в таблице А.1.

4 Механические и акустические свойства кристаллической среды

Упругие характеристики определяют механические и акустические свойства кристаллической сре

ды, описывают реакцию кристалла на механические нагрузки, что прямо или косвенно учитывается при использовании материала в любом качестве. Эти характеристики играют также ключевую роль при использовании материала в качестве основы функциональных элементов и устройств в акустике, акустооптике, акустоэлекгронике, ультразвуковой технике. В кристаллах фазовая скорость звуковой волны зависит как от направления распространения упругой волны, так и от ее поляризации (моды). Полностью эта зависимость определяется тензором упругости материала С^, следовательно. определение скорости звука не сводится только к одному измерению, а представляет собой сложную многоступенчатую процедуру. При упругой деформации Sk! в кристаллической среде возникают напряжения /у. описываемые при малых деформация законом Гука: 1^ - Cl)k/ Sk,. где/.у. k,f- 1.2.3. Коэффициенты Сщ носят название коэффициентов упругости (констант жесткости) и составляют тензор четвертою ранга, имеющий 81 элемент. Благодаря свойству симметрии тензора упругости возможно использовать сокращенную (редуцированную) запись са^. где индексы и. р = 1.....6 получаются попарным сворачи

ванием индексов /, у, к, /. В моноклинных кристаллах редуцированная матрица констант жесткости с„р имеет 13 ненулевых элементов. Далее скорости V собственных мод акустических волн находятся из

вилнивого уравнения

Л/,    <?и

С**'Ау)хА Е,>

(1)

при стандартном поиске решения в виде гармонической функции. Решая обратную задачу, по известным скоростям распространения упругих волн в разных направлениях теоретически возможно найти кинстанты жесткости С^.

5 Стандартные справочные данные о коэффициентах упругости,

коэффициентах акустооптического качества и фотоупругих модулях

5.1 В таблице 1 приведены страндартные справочные данные о коэффициентах упругости сцр кристаллов семейства KRE(W04)2 в кристаллофизической системе координат (X. У и Z).

Абсолютные погрешности приведены в таблице 1. В погрешность определения констант вносят вклад следующие составляющие:

- погрешность измерения скорости SV;

• погрешность вычисления упругих коэффициентов 6С. в том числе погрешность ориентации образцов.

Способ определения упругих констант кристаллов моноклинной сингонии также приведен в [4] и приложении Б.

Изменения показателя преломления, вызванные бегущей в среде ультразвуковой волной, носят периодический по пространству характер, и для распространяющегося светового пучка они играют роль фазовой дифракционной решетки. 8 результате селективной (брэгговской) дифракции света на такой структуре происходит отклонение светового пучка с длиной волны, удовлетворяющей условию Брэгга между длиной волны света X и частотой ультразвука f. Это явление используется для определения

2

ГОСТ Р 8.942—2017

фотоулругих характеристик материала методом Диксона путем сравнения интенсивности дифрагированного (отклоненного) светового потока 1а • М Wac L2 в исследуемой среде и образце из известного материала.

Таблица 1 — Стандартные справочные данные о коэффициентах упругости кристаллов семейства KRE(W04>^

Константы

жесгяости

с,4||х »0». хг/(м с2)

Погрешность, x (О9. кгГ|ы с2)

KVfW04)2

KGd(W04>2

KYb(W04>2

KlotWO^

Си

184.2

181.4

187.5

189.0

0.6

с12

В4.65

86.3

85.7

86.1

0.6

С

60.88

61.5

60.5

60.6

0.5

С

-23.68

-22.4

-25.7

-26.3

0.4

с-а

176.8

171.7

182.8

185.2

0.6

c2i

67.15

67.5

68.2

67.9

0.6

с25

-13.72

-12.9

-15,3

-15.3

0.4

СЗЭ

148.8

135.3

165,4

168.8

0.6

с35

3.95

4.8

2.7

2.8

0.1

С44

68.85

69.7

68.2

68.5

0.2

С

-6.81

-2.5

-11.6

-13.4

0.1

CS5

43.41

41.9

45.2

46.5

0.2

сев

34.76

39.5

29.0

26.4

0.1

5.2 8 таблице 2 приведены страндартные справочные данные о коэффициентах а кустооптического качества (АО) в кристаллах семейства KRE(W04)2.

Таблица 2 — Стандартные справочные данные о коэффициентах акустооптического качества в кристаллах семейства KRE(W04)2

Ультразвук

Поляризация

смта

Асустооптическое качество M x 10**. *3УЧд

Коэффициент АО качества

Направленно

Поляризация

KVW

KG W

KYbW

KLuW

*о*'>

Wi

0.82

0.75

0.68

0.74

Wp(Y)

1.2

1.0

1.3

1.9

K%l9i

W)

1.4

1.3

1.1

0.9

MgJP)

Np(V)

2.4

1.8

0.57

1.1

Wp(V)

0.17

0.11

0.30

0.22

M£(g)

N/Г)

0.94

0.78

0.68

0.57

M%{m)

ЩГ)

NJX)

11

6.1

8.7

7.7

M“m(p)

*p(Y)

11

5.9

7.4

11

M$( m)

NjT)

8.3

10.5

14

10

МЩР)

NJT)

W)

1.3

3.0

0.70

0.77

MeT(P)

WP(Y)

0.36

0.54

0.01

0.10

w9(Z')

19

19

15

14.0

M*%(P>

3

ГОСТ Р 8.942—2017

Определение упругооптических характеристик кристаллов осуществляется в диэлектрической системе координат. Выбор системы отсчета обусловлен прежде всего тем, что при фотоупругом эффекте происходит анализ компонент деформации оптической индикатрисы в ее осях симметрии, т. е. в диэлектрических осях Nm, Np и Л/р. В работе определены фотоупругие модули верхней половины матрицы описывающие так называемую изотропную дифракцию, при которой поляризация сее-та сохраняется. Этому соответствуют коэффициенты рц» с первым индексом, равным 1 (Nm -> Nm), 2 (Wp -♦ Np) или 3 (Wp Wp).

При анализе введены следующие обозначения М$(к) — коэффициент АО качества, измеренный для падающей световой волны, распространяющейся в направлении к. с поляризацией в направлении а и принимающей после АО взаимодействия поляризацию Э при дифракции этой волны на акустической волне, распространяющейся в направлении у со смещением по оси б. при этом оси диэлектрической системы координат обозначаются следующим образом: m соответствует оси Nm, р — оси ЛГр (которая совпадает с У), а с/ — оси Ng.

Точность результатов определяется двумя факторами. Погрешность измерения коэффициентов АО качества М определяется точностью измерений и может быть оценена путем анализа погрешности используемых измерительных инструментов, прежде всего фотодетектора. Можно также определить эту погрешность экспериментально, используя в качестве измеряемого образец с известными упруго-оптическими характеристиками, например образец из того же материала, что и буфер. (В последнем случае отношение коэффициентов М буфера и кристалла должно быть равно 1.)

По экспериментальным оценкам эта погрешность составляет примерно 20 %. что соответствует точности метода Диксона. С учетом того, что р - М'1. относительная погрешность фотоупругих коэффициентов вдвое ниже: bpjp *-1дМ/М и составляет примерно 10 %.

Дополнительная составляющая погрешности может возникать при решении системы уравнений (вычислении фотоупругих модулей рар). Однако при описанном в методике выборе геометрии дифракции акустические волны очень близки к собственным модам, поэтому существенной дополнительной погрешности вычисления не вносят. Погрешность результатов может быть также оценена непосредственно с помощью вариации значений М"/(к), в правых частях уравнений в соответствии с разбросом экспериментальных данных и определения величины соответствующих вариаций вычисляемых значений упругооптических модулей ра$.

Таким образом, общая погрешность определения упругооптических модулей составляет примерно 10 % для наибольших значений pafi. Для остальных модулей, значения р которых могут оказаться близки к нулю, можно считать их абсолютную погрешность той же. что и для наибольших.

5.3 В таблице 3 приведены страндартные справочные данные о фотоупругих модулях рвр* в диэлектрической системе координат (Nm. Np и N^) кристаллов семейства KRE(W04)2.

Таблица 3 — Стандартные справочные данные о фотоупругих модулях кристаллов семейства KRE{W04)2

Параметр

Фотоупругий модуль р^“

KYW

KGW

KYbW

KLuW

0.12

0.11

0,10

0.10

012

0.17

0.14

0,08

0.11

Р\3

0,33

0.23

0,29

0.28

015

-0,04

-0,05

-0.04

-0.04

021

0,15

0.13

0,14

0.17

022

0.05

0.04

0.05

0,05

023

0,35

0.23

0.29

0.35

02»

-0.02

-0.03

-0.02

-0.03

031

0,14

0.13

0.12

0.10

4

ГОСТ Р 8.942—2017

Окончание таблицы 3

Параметр

Фоюупругкй МОЛУ ЛЬ Pyj,'

KYW

KGW

KYbW

KLuW

Р32

0.10

0.09

0.08

0,08

Рзэ

0.27

0.28

0.33

0,30

5

-0,14

-0.13

-0,13

-0.13

Результаты также приведены в наших работах [5]. (6). Способ определения упругооптических свойств кристаллов моноклинной сингонии также приведен в методике ГСССД [2] и приложении В.

5

ГОСТ Р 8.942—2017

Приложение А

(справочное)

Углы между осями кристаллов семейства KREW

Вследствие дисперсии значение угла а зависит от длины волны света ). и может изменяться в видимом диапазоне почти на 2". Величина этого угла а при 632.8 нм для кристаллов семейства KREW, а также плотность материалов приведены на рисунке А.1 и в таблице А.1.

Примечание —Вектора а. 6 и с составляют базис элементарной ячейки. осиХ. У и Z относятся к кристал-лофизичесхой системе координат. Np и — оси оптической индикатрисы. Вектор Ь и оси У, Wp направлены перпендикулярно плоскости рисунка и совпадают между собой. Угол между кристаллографическими осями (i« 94'. Параллелограмм отображает ориентацию граней моноклинного кристалла.

Таблица А.1 — Угол между хрисгаллофизической и диэлектрической осями а и плотность р кристаллов семейства KREW

Свойство

KY(W04>2

KG4(W04)2

KYfr|W04)2

KLu<W04>2

а при 632.8 нм

17.5‘{7]

21.5 [8]. (9)

18

17:1>

р. г/см3

6.565

7.216 (10]

7.62 ± 0.022>

7,686 [11]

1> Углы, использованные в дальнейшем в расчетах, для кристаллов KYbW и KLuW измеряют классическим поляриметрическим методом.

2> Плотность KYbW определяют путем измерения размеров образца, имевшего форму прямоугольного параллелепипеда, и его взвешивания.

б

ГОСТ Р 8.942—2017

Приложение Б

(справочное)

Определение скоростей фазоимпульсным методом

Для определения скоростей использовался фазоимпульсный метод, основанный на обратном пьеэоэффекте и двухимпульсной модуляции исходного сигнала. Основным элементом установки является буфер — кристалл с прикрепленным к нему излучателем ультразвука (рисунок Б.1). Исследуемый образец приводят в контакт с буфером. изготовленным из достаточно твердого материала с малым затуханием ультразвука и известными свойствами (например, плавленого кварца), что позволяет ввести в образец ультразвуковой сигнал через жидкую или твердую склейку. Фазовую скорость распространения определяют интерференционным способом по формуле (Б.1). который основан на том. что набег фазы ультразвуковой волны, прошедшей в прямом и обратном направлениях по исследуемому образцу относительно импульса, отраженного от границы раздела буфер — образец, зависит от частоты ультразвука f

M-2xf{2UV).    (Б.1)

где/ — длина образца. Изменяя частоту и измеряя набег фаз (и зная длину образца/) можно определить скорость распространения упругой волны V.

Широко используемый метод эхоимгтульоов. основанный на обратном пьеэоэффекте. был дополнен фазоимпульсной модуляцией исходного сигнала. Временное задержки при прохождении акустической волны через буфер, изготовленный из известного материала (в описываемой установке, из плавленого кварца), и через кристаллический образец из исследуемого материала, позволяют определять скорость распространения ультразвука. В двухимпульсном методе [12] излучают достаточно короткие импульсы (длительностью много меньше времени пробега через буфер Г^ф и образец Г^), причем второй импульс посылают с такой задержкой чтобы после отражения от границы раздела буфер — образец он перекрывался с первым импульсом, вернувшимся в буфер после двойного прохоздеиия через образец (рисунок Б.1):    *» 27^. Амплитуду второго импульса подбирают

таким образом, чтобы амплитуды складывающихся импульоов оказывались примерно равны, обеспечивая таким образом максимальный размах изменений перекрывающихся частей: практически от нуля до удвоенной амплитуды возвращающихся импульсов.

Регистрацию разности фаз удобно вести визуально по осциллографу: если импульсы складываются в фазе, то в области перекрытия они складываются и наблюдается «всплеск» (рисунок Б.1 а), а если в противофазе, то гасят друг друга и наблюдается «провал» на осциллограмме (рисунок Б.1 б).

Т,—— моыеиты ереыеми

а — синфазное сложение импульсов; 6 — противофазное сложение импульсов Рисунок Б.1 — Схема ретсграции разности фаз отраженных импульсов

7

ГОСТ Р 8.942—2017

Первый и второй импульсы (обозначенные разными цветами/оттвкками), различающиеся по амплитуде и длительности, показаны в шести разных моментах времени:

0. ^ Т€уф, tj - Тбуф + Го6р- ^4 “ Т*ад-^5 “ ^б)*ф + ^^овр “ ^»ая + ^буф’ ^6 ~    + ^^обр'

Перестраивая частоту звука, регистрируют последовательно чередование сложения импульсов в фазе и в противофазе. С учетом того, что каждая пара чередований соответствует сдвигу фаз на 2л. можно определить «шага чередования по частоте: Av = д//л>. где гг? — число шагов. Дf—соответствующий диапазон перестройки по частоте. Окончательно скорость вычисляют по формуле

Л<р » 2я/ - (2i IV).    (Б.2)

В качестве буферов используются плосхолараллельные образцы из плавленого кварца длиной примерно от 30 до 90 мм. на которые нанесены ультразвуковые преобразователи продольной или сдвиговой акустических волн. Измерения выполняются в соответствующем частотном диапазоне порядка 10—150 МГц. Исследуемый образец прижимается к кварцевому буферу через жидкую эпоксидную смопу. Измеряется порядка 100—300 частотных резонансов в зависимости от размеров образца.

Погрешности определения констант определены с помощью следующих шагов:

А. Оценку погрешности измерения и вычисления скоростей рассчитывают по формуле

я

v

■j

7

где а — дисперсии (среднеквадратичные отклонения) соответствующих величин.

При длине образца 10 мм. точности измерения 0,01 мм. диапазоне перестройки 100 МГц и точности измерения 10 кГц относительная точность определения скорости составит примерно 0.1 %. Таким образом, использование фаэоимпульсното метода позволило в 5—10 раз повысить точность определения скорости распространения упругих волн по сравнению с широко используемым методом эхоимпульсов.

При оценке погрешности определения скоростей следует учесть точность ориентации осей образца. При отклонении 3' погрешность составит не болев 0.1 %.

Б. Погрешность расчетов можно определить, варьируя значения измеренных скоростей и регистрируя отклонения в вычисленных эффективных скоростях. Разброс значений наиболее велик для наибольших (диагональных) членов и составляет примерно 0.2 %. что в абсолютных единицах дает порядка 10 м/с.

В. Погрешность определения констант жесткости рассчитывают по формуле

С3 S* р3

(Б.4)

где р — плотность.

Если точность измерения плотности намного выше, чем у остальных ветчин, го окончательно погрешность определения констант жесткости составит примерно 0.2 %. Для некоторых материалов, например KGW. разброс по плотности составляет свыше 2 % [13]. так что для них окончательная погрешность констант жесткости определяется точностью измерения плотности.

8

ГОСТ Р 8.942—2017

Приложение В

(справочное)

Фотоупругие характеристики

Фогоупругие характеристики определяются свойствами кристаллической среды. Они зависят от акустической и оптической анизотропии и в общем случае описываются тензором р^,. Определение фотоупрутих характеристик не может быть сведено к нескольким измерениям, а представляет собой сложную многоступенчатую процедуру.

Изменение компонент тензора диэлектрической непроницаемости (описывающего эллипсоид Френеля) Д прямо пропорционально величине упругой деформации кристалла    [14]. рассчитывают по формуле

(В.1)

при этом упругоолгические коэффициенты (модули) образуют тензор четэертого ранга. Изменения оптической индикатрисы, огмсываемой тензором диэлектрической проницаемости е^, рассчитывают по формуле

(В-2)

Эти изменения в абсолютном выражении обычно не превышает 10-4.

В справочных материалах удобнее использовать сокращенную (редуцированную) запись упругооптиче-скоро тензора коэффициентов, которая основана на симметрии тензора Р^ по первой и второй пэрам индексов (Р^ = Р^, Р^ц = Р^Л). Редуцированная матрица имеет вид р„р. где индексы а. р ■ 1.....6 получаются сворачива

ние*! индексов /,/. к, /4-рангоеого тензора последующему правилу: 11 —* 1; 22 —* 2: 33 -* 3; 12,21 -» 6; 13.31 -* 5; 23.32 -ч 4. В общем случае (е триклинных кристаллах) редуцированная матрица р^ имеет 36 независимых элементов [3]. а в кристаллах моноклинной сингонии — 20 элементов.

Р|5

Pl2

Pi г

0

015

0

Р21

Р22

Рзз

0

Р«

0

Р31

Рзз

Рзз

0

03S

0

0

0

0

Ри

0

046

Р»1

Ри

0

05»

0

0

0

0

Рб4

0

066.

Изменения показателя преломления, вызванные бегущей в среде ультразвуковой волной, носят периодический по пространству характер, так что для распространяющегося светового пучка они играют роль фазовой дифракционной решетки. В результате селективной (брэгговской) дифракции света на такой структуре происходит отклонение светового лучка с длиной вогыы. удовлетворяющей условию Брэгга между длиной волны света >. и частотой ультразвука f. Это явление используют для определения фотоупрутих характеристик материала по интенсивности дифрагированного (отклоненного) светового потока /rf и вычисляют по формуле

td-l,MWKL*    (В.З)

где /, — интенсивность падающего потока света: мощность акустической волны:

£ — длина пути световых лучей в пределах акустического пучка:

М — коэффициент акусгоолгического качества материала, рассчитываемый по формуле

nJn*

^-Р2    (В.4)

pV*

и выражаемый через эффективное значение фотоупрутого модуля рдЯ и другие характеристики материала: плотность р и показатели преломления кристалла п, в также скорости звука V. В общем случае эффективное значение рдй выражается через линейную комбинацию элементов тензора р^ [14]. [15].

9

ГОСТ Р 8.942—2017

Данный подход известен в акустооптже как метод Диксона. Одной из принципиальных проблем этого метода является то. что коэффициент акустоолтического (АО) качества М выражается квадратично через значение фото-упругого модуля Prf, поэтому из значения М нельзя напрямую найти знак соответствующего фотоупругого модуля. В некоторых простых геометриях значение имеет только абсолютная величина фотоупругого коэффициента, но в общем случае знак величины важен, поскольку эффективное значение фотоупругого модуля peff определяется как алгебраическая сумма нескольких коэффициентов рир.

Знак коэффициенте» важен также при пересчете матрицы к другой системе координат. Матрица определяемых фот супруг их коэффициентов р^ относится к крис галлофизической системе координат X. У. Z. Описываемый метод определения фот супруг их характеристик относится к упругооптическим модулям верхней половины матрицы. описывающим так называемую изотропную дифракцию, при которой поляризация света сохраняется. Этому соответствуют коэффициенты с первым индексом, равных! 1 (X -♦ X). 2 (У -♦ У) или 3 (Z -* Z). Метод предполагает проведение основных измерений показателей АО качества М в системе координат, связанной с диэлектрическими осями. При этом используют продольные и сдвиговые акустические моды.

Метод Диксона для определения показателя АО качества М предполагает вычисление коэффициента дифракции света по результатам сравнительных измерений, выполняемых в одинаковых условиях в исследуемом и известном материалах (рисунок В.1). В качестве известного (референтного) материала целесообразно взять всесторонне исследованный материал, например плавленый кварц [14]. Выбор изотропного материала позволяет упростить измерительные процедуры за счет отсутствия сноса акустического пучка в материале. Возбуждение акустической волны 8 образце осуществляется посредством плотного контакта его с крисгаллом-буфером, изготовленным из референтного материала и имеющим прикрепленный акустический излучатель. Для возбуждения разных мод ультразвуха можно использовать два буфера, или один с двумя пьвзопреобраэоватвлями (например, на основе LiNbOj) — для возбуждения продольной и поперечной акустической волны.

06b№o используется генератор высокочастотных сигналов, синхронизированный с фотодетекгором (см. рисунок В.2). для питания пьезопреобразовагеля. Для изотропной дифракции частоты ультразвуха обы'ыо лежат в пределах 25—100 МГц. в зависимости от частоты согласования АО буфера. Для наблюдения анизотропной дифракции. в зависимости от геометрии взаимодействия, необходимые частоты лежат выше 150 МГц.

Иссподуемый образец прикрепляется к буферу с помощью клеевого материала, пропускающего используемые е измерениях ультразвуковые волны, например жидкой эпоксидной смолы для продольной моды нгы циано-крипагного клея для сдвиговых волн. В качестве источника света е эксперименте следует использовать монохрома-

а - осциллограммы, полученные фотодетекторами в дифракционном порядке в буфере и кристалле (взяты для иллюстрации из работы [16]}

б - схеме распространения акустических импульсов и оптических пучков

/( — исходный импульс; >2 — отраженный в буфере импульс. J) — вернувшийся их кристалла импульс; /4 — прошедший в кристалл импульс. fs — отраженный от горца кристалла импульс

Рисунок В.1 — Принцип измерений АО качества кристаллов по методу Диксона

10

ГОСТ Р 8.942—2017

тичесхий коллимированный источник, например He-Ne-лаэер. Акустические волны в буфере должны возбуждаться на частотах, соответствующих дифракции света на них при выбранном уте падения.

Измерения заключаются в регистрации эффекта дифракции светового пучка на акустическом импульсе, возбуждаемом гъеэолреобраэователем и распространяющемся последовательно в буфере и кристалле. В соответствии с формулой амплитуда сигнала, регистрируемого фотолривмдоком в *1 или в -1 порядках дифракции, прямо пропорциональна мощности соответствующего ультразвукового импульса и коэффициенту АО качества М данного кристалла, а зависимость от длины взаимодействия сокращается, т. к. ширина пучка одинакова в буфере и кристалле1*. Экспериментальная схема (рисунок В.2) позволяет пренебречь зависимостью от интенсивности падающего светового пучка, поскольку и буфер, и кристалл освещаются последовательно одним и тем же источником. Различие оптических коэффициентов пропускания для буфера и кристалла в измерительной формуле устранено путем нормировки на интенсивность лазерного излучения, прошедшего через буфер и излучения, прошедшего через кристалл в отсутствие акустических импульсов, что справедливо при небольших углах дифракции света.

' - ВЧсигнал,

— - нч-сигнал:

• - оптическое излучение с длиной волны 632.8 нм Рисунок В.2 — Пример блок-схемы измерительной установки

Акустические потери при распространении звука в кристалле и его прохождении через склейку, а также потери при отражении звуковой волны от свободной грани сокращаются при использовании следующей безразмерной комбинации амплитуд сигналов [17]. рассчитывают по формуле

(В-5)

I 'l '3

где — коэффициент акустоогттического качества референтного кристалла (буфера), который, например, для плавленого кварца составляет = 1.56 -10"15 с3/кт (при дифракции на продольной волне). Нумерация импульсов приведена на рисунке В.1.

Предпочтительнее использовать лазер с круговой поляризацией света, что позволит иметь одинаковую интенсивность падающего на образец света при любой ориентации поляризатора.

Перед проведением измерений следует проводить юстировку кристалла. Сначала исследуемый образец следует установить так. чтобы падение света на его грань было нормальным. Затем, перемещая оптический столик с закрепленным образцом вертикально и горизонтально относительно направления распространения света (вверх-

‘ При размере излучателя -0.5 см и размерах кристаллов до 5 см дифракционная расходимость ультразвука пренебрежимо мала. Следует избегать измерений в направлениях аномально высокой фононной расходимости (дефокусировки), если они есть в кристалле. Также следует юстировать систему таким образом, чтобы акустический пучок не попадал на стенки образца и буфера.

11

ГОСТ Р 8.942—2017

вниз и вправо-влево), необходимо выбрать положение кристалла, при котором интенсивность дифрагированного света наиболее еыоока. Далее наклоном образца относительно горизонтальной оси определяется угол максимальной интенсивности дифракции, т. е. угол Брэгга.

Выбор направления поляризации падающего света по одной из диэлектрических осей (Nm, Np. N^) осуществляется с помощью входного поляризатора. При необходимости1* контролировать поляризацию выходяцего из образца изучения можно с помощью анализатора, установленного параллельно поляризатору {при наблюдении изотропной дифракции).

Длительность акустических импульсов должна быть по меньшей мере в два раза меньше, чем время пробега ультразвука по кристаллу, а период следования серии ультразвуковых импульсов должен быть много больше, чем период полного прохода ультразвука по системе буфер — кристалл.

12

^ Например, для оцемси возможного влияния оптической активности.

ГОСТ Р 8.942—2017

Библиография

(1] Мазур М.М.. Пожар В.Э., Великовский Д.Ю. Методика ГСССД МЭ 214—2013, с. 22

(2] Мазур М.М.. Пожар В.Э., Великовский Д.Ю. Методика ГСССД МЭ 225—2014, с. 28

(3]    Сиротин Ю.И.. Шасхольская М.П. Основы кристаллофизики. М.: Наука. 1979

(4]    Гребнер Ю.. Ривер С., Петров В.. Зори М.. Эрберт Г.. Вейерс М.. Мэтьюс К.. Аджило М., Моссонс Д.. Диас Ф. II Экспресс-оптика. 13, с. 3465—3470. 2005

(5]    Мазур М.М.. Великовский Д.Ю.. Мазур П.И., Паалкж АА.. Пожар 8.Э., Пустовой В.И. Эластичные и фогоупру-гие характеристики лазерных кристаллов. К алий-редкоземельные вольфраматы KRE(W04)2. где RE = У, УЬ. Gd и Lu И Ультраакусгика. 2014, т. 54. Nfl 5. с. 1311—1317.

(6]    Мазур М.М.. Мазур Л.И., Пожар 8.Э. Конкретные направления распространения ультразвука в двойных вольфратах калия для модуляции света // Ультраакустика. 2017, т. 73, с. 231—235. . utlras.2016.08.008

(7]    Каминский А, Константинова А.Ф.. Орешкова В.П.. Буташин А.В.. КлевцоеаРФ.. Паалкж АА. Оптические и нелинейные лазерные свойства х'э*-активной моноклинной ct-KY(W04)2 // Отчеты по кристаллографии, г. 46. выл. 4. с. 665—672, 2001

(8]    Лойко П.А.. Юмашев К.В.. Кулешов Н.В.. Рачковская Г.Е.. Павлюх А.А. Детальная характеристика тензора теплового расширения в моноклинном KRe(W04)z (где Re - Gd. У. Lu. УЬ)// Оптические материалы, т. 34. вып. 1, с. 23—26. 2011.

(9]    Пужол М.Ц.. Рико М.. Заддо Ц.. Соле Р. Нихолов В.. Соланс К.. Аджило А.. Диаз Ф. Кристаллическая структура и оптическая спектроскопия Ег3'‘-легированных KGd(W04)4 одиночных кристаллов // Прикладная физика Б, 1999. Т. 68. вып. 2. с. 187—197

(10]    Каминский А.А.. Грубер Д.Б., Багев С.Н.. Уеда К.. Хоымерик У.. Сео Д.Т.. Темпл Д.. Занди Б.. Корниенко АА.. Дунина Е.Б., Павлюк АА. Клевцоеа РМ.. Кузнецов ФА. Оптическая спектроскопия и видимое стимулированное излучение Оу3' ионов в моноклинных a-KY(W04)2 и a-KGd(W04>2 кристаллах // Физический обзор Б. 2002. т. 65. с. 125108:1-29

(11]    Хонгянг Зао. Джуянг Ванг. Джинг Ли. Янксю Занг. Хыоджин Занг. Минхуа Янг. Растущие оптические и термические свойства Yb. Tm:KLu(W04)2// Журнал роста кристаллов, 2006. т. 293, вып. 1. с. 223—227. . org/10.1016/j.jcrysgro.2006.05.010

(12]    Макскимин Х.Д. Методы ультразвукового измерения, применимые к малым твердым образцам II Журнал Акустического общества Америки. 1950. т. 22. с. 413

(13]    Каспороеиц Д.. Миелкарек С.. Царскоасха А., Мажировски А.. Михальски Е.. Дроэдоаски М. Упругие свойства KGd(W04)2:Ho3* монокристаллы, исследованные методом Бриллюэна II Кристаллические исследования и технологии. 2007, т. 42. вып. 12. с. 1370—1375

(14]    Каслровик Д.. Брик М.Г.. Мажчровский А.. Ми хал ьс кий Е.. Глуховский П. // Журнал сплавов и соединений. 2013. т. 577. с. 687—692

(15]    Най Дж. Физические свойства кристаллов. М.: Мир. 1967

(16]    Диксон Р.В., Кохен М.Г. // Письма прикладной физики. 1966. т. В. № 8. с. 205—206

(17]    Дьелесан Э.. Руайе Д. Упругие волны в твердых телах / Пер. с фр. М.: Наука. 1962

13

ГОСТ Р 8.942—2017

УДК 534*8:534.221:006.354    ОКС 17.020

Ключевые слова: стандартные справочные данные, вещества, материалы, свойства, неопределенность

14

БЗ 3—2016/1

Редактор П.В. Полое Технический редактор В.Н. Прусакова Корректор Е.Р. Ароян Компьютерная верстка П.В. Софвйчук

Сдано а набор 19.02.20t8. Подписано в печать 02.03 2018. Формат бОх&а1/^. Гарнитура Ариал. Уел. поч. л. 2.33. Уч.-иад. л. 2.12. Тирам 25экэ. За». 388.

Подготовлено на основе электронной версии, предоставленной разработчиком стандартов

ИД «Юриспруденция». 115419. Москва, ул. Орджоникидзе. Н. ni y-book@ma<( ru

Издано и отпечатано во ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ». 123001, Москва. Гранатный лер.. 4. info^qoslinfo.ru