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 for ensuring the uniformity of measurements. National standard. Standard reference data. Laser crystals (potassium rare-earth tungstates). Elasticity constants. Elasto-optic modules for isotropic diffraction
ОКС 17.020
Дата введения 2018-03-01
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 ТК 180 "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. N 2079-ст
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Март 2019 г.
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 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 - в 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 (www.gost.ru)
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
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий стандарт:
ГОСТ 34100.3/ISO/IEC Guide 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 выпускам 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 ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это 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 ссылку.
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 акустооптического качества (см. таблицу 2), измеренным методом Диксона.
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 Y 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 Y и Z.
Другая система координат, называемая диэлектрической, связана с осями оптической индикатрисы:
4 Механические и акустические свойства кристаллической среды
Упругие характеристики определяют механические и акустические свойства кристаллической среды, 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, акустоэлектронике, 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
при стандартном поиске решения в виде гармонической функции. Решая обратную задачу, по известным скоростям распространения упругих волн в разных направлениях теоретически возможно найти константы жесткости
5 Стандартные справочные данные о коэффициентах упругости, коэффициентах акустооптического качества и фотоупругих модулях
5.1 В таблице 1 приведены стандартные справочные данные о коэффициентах упругости
Абсолютные погрешности приведены в таблице 1. В погрешность определения констант вносят вклад следующие составляющие:
- погрешность измерения скорости
- погрешность вычисления упругих коэффициентов
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. В результате селективной (брэгговской) дифракции света на такой структуре происходит отклонение светового пучка с длиной волны, удовлетворяющей условию Брэгга между длиной волны света
Таблица 1 - Стандартные справочные данные о коэффициентах упругости кристаллов семейства
Константы жесткости | Погрешность, | ||||
кг/(м·с | |||||
184,2 | 181,4 | 187,5 | 189,0 | 0,6 | |
84,65 | 86,3 | 85,7 | 86,1 | 0,6 | |
60,88 | 61,5 | 60,5 | 60,6 | 0,5 | |
-23,68 | -22,4 | -25,7 | -26,3 | 0,4 | |
176,8 | 171,7 | 182,8 | 185,2 | 0,6 | |
67,15 | 67,5 | 68,2 | 67,9 | 0,6 | |
-13,72 | -12,9 | -15,3 | -15,3 | 0,4 | |
148,8 | 135,3 | 165,4 | 168,8 | 0,6 | |
3,95 | 4,8 | 2,7 | 2,8 | 0,1 | |
68,85 | 69,7 | 68,2 | 68,5 | 0,2 | |
-6,81 | -2,5 | -11,6 | -13,4 | 0,1 | |
43,41 | 41,9 | 45,2 | 46,5 | 0,2 | |
34,76 | 39,5 | 29,0 | 26,4 | 0,1 |
5.2 В таблице 2 приведены стандартные справочные данные о коэффициентах акустооптического качества (АО) в кристаллах семейства
Таблица 2 - Стандартные справочные данные о коэффициентах акустооптического качества в кристаллах семейства
Ультразвук | Поляризация света | Акустооптическое качество | Коэффициент АО качества | ||||
Направление | Поляризация | KYW | KGW* | KYbW | KLuW | ||
0,82 | 0,75 | 0,68 | 0,74 | ||||
1,2 | 1,0 | 1,3 | 1,9 | ||||
1,4 | 1,3 | 1,1 | 0,9 | ||||
2,4 | 1,8 | 0,57 | 1,1 | ||||
0,17 | 0,11 | 0,30 | 0,22 | ||||
0,94 | 0,78 | 0,68 | 0,57 | ||||
11 | 6,1 | 8,7 | 7,7 | ||||
11 | 5,9 | 7,4 | 11 | ||||
8,3 | 10,5 | 14 | 10 | ||||
1,3 | 3,0 | 0,70 | 0,77 | ||||
0,36 | 0,54 | 0,01 | 0,10 | ||||
19 | 19 | 15 | 14,0 |
_______________
* Текст документа соответствует оригиналу. - .
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
При анализе введены следующие обозначения
Точность результатов определяется двумя факторами. Погрешность измерения коэффициентов АО качества
По экспериментальным оценкам эта погрешность составляет примерно 20%, что соответствует точности метода Диксона. С учетом того, что
Дополнительная составляющая погрешности может возникать при решении системы уравнений (вычислении фотоупругих модулей
Таким образом, общая погрешность определения упругооптических модулей составляет примерно 10% для наибольших значений
5.3 В таблице 3 приведены стандартные справочные данные о фотоупругих модулях
Таблица 3 - Стандартные справочные данные о фотоупругих модулях кристаллов семейства
Параметр | Фотоупругий модуль | |||
KYW | KGW** | KYbW | KLuW | |
0,12 | 0,11 | 0,10 | 0,10 | |
0,17 | 0,14 | 0,08 | 0,11 | |
0,33 | 0,23 | 0,29 | 0,28 | |
-0,04 | -0,05 | -0,04 | -0,04 | |
0,15 | 0,13 | 0,14 | 0,17 | |
0,05 | 0,04 | 0,05 | 0,05 | |
0,35 | 0,23 | 0,29 | 0,35 | |
-0,02 | -0,03 | -0,02 | -0,03 | |
0,14 | 0,13 | 0,12 | 0,10 | |
0,10 | 0,09 | 0,08 | 0,08 | |
0,27 | 0,28 | 0,33 | 0,30 | |
-0,14 | -0,13 | -0,13 | -0,13 |
_______________
** Текст документа соответствует оригиналу. - .
Результаты также приведены в наших работах [5], [6]. Способ определения упругооптических свойств кристаллов моноклинной сингонии также приведен в методике ГСССД [2] и приложении В.
Приложение А
(справочное)
Углы между осями кристаллов семейства KREW
Вследствие дисперсии значение угла
Рисунок А.1 - Используемые системы координат
Примечание - Вектора a, b и c составляют базис элементарной ячейки, оси X, Y и Z относятся к кристаллофизической системе координат,
Таблица А.1 - Угол между кристаллофизической и диэлектрической осями
Свойство | ||||
17,5°[7] | 21,5°[8], [9] | 18° | 17° | |
6,565 | 7,216°[10] | 7,62±0,02 | 7,686°[11] | |
Приложение Б
(справочное)
Определение скоростей фазоимпульсным методом
Для определения скоростей использовался фазоимпульсный метод, основанный на обратном пьезоэффекте 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
где
Широко используемый метод эхоимпульсов, основанный на обратном пьезоэффекте, был дополнен фазоимпульсной модуляцией исходного сигнала. Временные 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
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).
а - синфазное сложение импульсов; б - противофазное сложение импульсов
Рисунок Б.1 - Схема регистрации разности фаз отраженных импульсов
Первый и второй импульсы (обозначенные разными цветами/оттенками), различающиеся по амплитуде и длительности, показаны в шести разных моментах времени:
Перестраивая частоту звука, регистрируют последовательно чередование сложения импульсов в фазе и в противофазе. С учетом того, что каждая пара чередований соответствует сдвигу фаз на
В качестве буферов используются плоскопараллельные 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 смолу. 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
где
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 фазоимпульсного 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 более 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
где
Если точность измерения плотности намного выше, чем у остальных величин, то 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.
_______________
* Текст документа соответствует оригиналу. - .
Приложение В
(справочное)
Фотоупругие характеристики
Фотоупругие характеристики определяются свойствами кристаллической среды. Они зависят от акустической и оптической анизотропии и в общем случае описываются тензором
Изменение компонент тензора диэлектрической непроницаемости* (описывающего эллипсоид Френеля)
_______________
* Текст документа соответствует оригиналу. - .
при этом упругооптические коэффициенты (модули)
Эти изменения в абсолютном выражении обычно не превышают 10
В справочных материалах удобнее использовать сокращенную (редуцированную) запись упругооптического тензора коэффициентов, которая основана на симметрии тензора
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 пучка с длиной волны, удовлетворяющей условию Брэгга между длиной волны света
где
и выражаемый через эффективное значение фотоупругого модуля
Данный подход известен в акустооптике как метод Диксона. Одной из принципиальных проблем этого метода является то, что коэффициент акустооптического (АО) качества
Знак коэффициентов важен также при пересчете матрицы к другой системе координат. Матрица определяемых фотоупругих коэффициентов
Метод Диксона для определения показателя АО качества
Рисунок В.1 - Принцип измерений АО качества кристаллов по методу Диксона
Обычно используется генератор высокочастотных сигналов, синхронизированный с фотодетектором (см. рисунок В.2), для питания пьезопреобразователя. Для изотропной дифракции частоты ультразвука обычно 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.
Исследуемый образец прикрепляется к буферу с помощью клеевого материала, пропускающего используемые в измерениях ультразвуковые волны, например жидкой эпоксидной смолы для продольной моды или цианокрилатного клея для сдвиговых волн. В качестве источника света в эксперименте следует использовать монохроматический коллимированный источник, например He-Ne-лазер. Акустические волны в буфере должны возбуждаться на частотах, соответствующих дифракции света на них при выбранном угле падения.
Измерения заключаются в регистрации эффекта дифракции светового пучка на акустическом импульсе, возбуждаемом пьезопреобразователем и распространяющемся последовательно в буфере и кристалле. В соответствии с формулой амплитуда сигнала, регистрируемого фотоприемником в +1 или в -1 порядках дифракции, прямо пропорциональна мощности соответствующего ультразвукового импульса и коэффициенту АО качества
_______________
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
где
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-вниз и вправо-влево), необходимо выбрать положение кристалла, при котором интенсивность дифрагированного света наиболее высока. 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 (
_______________
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.
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., Шаскольская М.П. Основы кристаллофизики. М.: Наука, 1979 |
[4] | Гребнер Ю., Ривер С., Петров В., Зорн М., Эрберт Г., Вейерс М., Мэтьюс К., Аджило М., Моссонс Д., Диас Ф. // Экспресс-оптика. 13, с.3465-3470, 2005 |
[5] | Мазур М.М., Великовский Д.Ю., Мазур Л.И., Павлюк А.А., Пожар В.Э., Пустовой В.И. Эластичные и фотоупругие характеристики лазерных кристаллов. Калий-редкоземельные вольфраматы |
[6] | Мазур М.М., Мазур Л.И., Пожар В.Э. Конкретные направления распространения ультразвука в двойных вольфратах калия для модуляции света // Ультраакустика, 2017, т.73, с.231-235. http://dx.doi.org/10.1016/j.ultras.2016.08.008 |
[7] | Каминский А., Константинова А.Ф., Орешкова В.П., Буташин А.В., Клевцова Р.Ф., Павлюк А.А. Оптические и нелинейные лазерные свойства |
[8] | Лойко П.А., Юмашев К.В., Кулешов Н.В., Рачковская Г.Е., Павлюк А.А. Детальная характеристика тензора теплового расширения в моноклинном |
[9] | Пужол М.Ц., Рико М., Залдо Ц., Соле Р., Николов В., Соланс К., Аджило А., Диаз Ф. Кристаллическая структура и оптическая спектроскопия |
[10] | Каминский А.А., Грубер Д.Б., Багев С.Н., Уеда К., Хоммерик У., Сео Д.Т., Темпл Д., Занди Б., Корниенко А.А., Дунина Е.Б., Павлюк А.А., Клевцова Р.М., Кузнецов Ф.А. Оптическая спектроскопия и видимое стимулированное излучение |
[11] | Хонгянг Зао, Джуянг Ванг, Джинг Ли, Янксю Занг, Хьюджин Занг, Минхуа Янг. Ростущие оптические и термические свойства Yb, Tm: |
[12] | Макскимин Х.Д. Методы ультразвукового измерения, применимые к малым твердым образцам // Журнал Акустического общества Америки, 1950, т.22, с.413 |
[13] | Каспоровиц Д., Миелкарек С., Царсковска А., Мажировски А., Михальски Е., Дроздовски М. Упругие свойства |
[14] | Каспровик Д., Брик М.Г., Мажчровский А., Михальский 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.8, N 8, с.205-206 |
[17] | Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах / Пер. с фр. М.: Наука, 1982 |
УДК 534-8:534.221:006.354 | ОКС 17.020 | ||
Ключевые слова: стандартные справочные данные, вещества, материалы, свойства, неопределенность |
Электронный текст документа
и сверен по:
, 2019