ДЕРЖАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА

Полезная модель относится к измерительной технике, применяемой при исследованиях оптических характеристик материалов и покрытий, а именно, к теплоотводящим цанговым держателям и может быть использована в составе установок для измерения стойкости оптического элемента к излучению, его отражательной и поглощательной способности, угла падения, зоны облучения, фактуры поверхности и т.д.
В самых различных областях практики возникают задачи исследования и выбора материалов и покрытий на соответствие тем или иным требованиям. Например, в области энергетической фотометрии актуальными являются задачи исследования стойкости, поглощательной или отражательной способности материалов и покрытий, используемых в приемных элементах калориметрических преобразователей энергии и мощности излучения, их зависимости от фактуры поверхности, технологии ее обработки, места и угла падения излучения на воспринимающую его поверхность, плотности энергии и мощности излучения высокоинтенсивных лазеров, определения критической интенсивности излучения, вызывающей значительные изменения оптических характеристик или разрушение этой поверхности, а также возникновение пробойных явлений и экранирования этой поверхности образующейся плазмой и т.п. Часто подобные исследования проводятся на уже разработанных и изготовленных приборах для определения критических значений тех или иных параметров излучения при различных условиях его воздействия. Однако подобный подход требует изготовления под каждый исследуемый образец полного комплекта входящих в состав прибора деталей, проведения их сборки, монтажа термобатарей и калибровочных электронагревателей и т.д. вне зависимости от пригодности оптического элемента.
Поэтому более рациональным путем решения является использование измерительной установки, включающей в себя лазерный источник излучения, последовательно установленные вдоль оси его пучка: прибор проходного типа на базе контрольного приемника и делителя, длиннофокусный объектив и сам исследуемый оптический элемент в держателе (А.Н. Гвоздев, М.Л. Козаченко. «Аппаратура и методики измерений оптических характеристик материалов и покрытий под воздействием интенсивного лазерного излучения» // Измерительная техника, №12, 2006, С. 19-24). Держатель выполнен в виде теплоотводящего корпуса и закрепленной в нем цанги с прямыми упругими лепестками и фиксирующими зажимами. Недостатками известною устройства являются нестабильность и неопределенность тепловых потерь, обусловленных использованием фиксирующих зажимов, а также сложность и неудобство ввода, позиционирования и закрепления образца.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является держатель оптического элемента, содержащий теплоотводящий корпус и закрепленную в нем цангу, упругие лепестки которой выполнены со ступенчатым угловым изломом так, что пустая цанга имеет минимальный внутренний диаметр на свободном торце (см. патент CN 104797965, кл. G02B 7/02, опубл. 22.07.2015). Основным недостатком известного устройства является его неприспособленность к периодической смене оптического элемента, что усложняет его использование в составе измерительной установки.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание надежного держателя, обеспечивающего возможность проведения высокоточных измерений для различных оптических элементов. Технический результат заключается в упрощении извлечения оптического элемента из держателя. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в держателе оптического элемента, содержащем теплоотводящий корпус и закрепленную в нем цангу, упругие лепестки которой выполнены со ступенчатым угловым изломом так, что пустая цанга имеет минимальный внутренний диаметр на свободном торце, внутри цанги расположена выжимная втулка, снабженная толкателем и выполненная с возможностью взаимодействия с угловыми изломами лепестков для освобождения оптического элемента. Указанный минимальный внутренний диаметр пустой цанги меньше предпочтительно диаметра оптического элемента. Лепестки предпочтительно сформированы из плоских пластин, а их свободные концы параллельны оси цанги. Толкатель предпочтительно выполнен в виде стержня с упорной втулкой, взаимодействующей с рычагом, установленным на оси вращения снаружи корпуса и снабженным фиксатором.
На чертеже представлена схема измерительной установки с предлагаемым держателем.
Измерительная установка для исследования оптического элемента включает в себя лазерный источник излучения 1 и последовательно установленные по ходу его пучка: проходной измеритель энергии излучения на базе контрольного приемника 2 и делителя 3, длиннофокусный объектив 4 и оптический элемент 5 в форме диска (например, образец исследуемого материала) в предлагаемом держателе.
Держатель содержит подвижную выжимную втулку 6 и цангу с упругими и хорошо проводящими тепло лепестками 7, между которыми благодаря их пружинным свойствам зажимается оптический элемент 5. Для улучшения теплового контакта с элементом 5 на смежные с ним поверхности лепестков 7 может быть нанесен тонкий слой пластичного обладающего хорошей теплопроводностью материала. Лепестки 7 цанги сформированы из узких и длинных плоских пластин, образованных полосками, нарезанными на торце тонкостенной цилиндрической обечайки, изготовленной из материала, обладающего хорошей теплопроводностью. Конечные участки лепестков 7 имеют ступенчатый угловой излом в сторону исследуемого элемента 5, образованный двумя угловыми изгибами так, что пустая цанга имеет минимальный внутренний диаметр на свободном торце и свободные концы лепестков 7 параллельны оси цанги. При этом торцы лепестков 7 в свободном состоянии располагаются по окружности, диаметр которой составляет ~(80-85)% диаметра элемента 5.
Противоположный торец цанги находится в тепловом контакте с «горячими» спаями дифференциальной термобатареи 8. Корпус держателя образует полый пассивный термостат 9, в тепловом контакте с которым находятся «холодные» спаи термобатареи 8. Держатель может быть дополнительно снабжен наружным кожухом, обеспечивающим защиту термостата 9 и элемента 5 от внешних тепловых и механических воздействий.
На обращенной к элементу 5 стороне термостата 9 имеется выступ, на котором по ходовой посадке установлена выжимная втулка 6. На ее торцевой поверхности выполнена фаска, взаимодействующая с угловыми изломами лепестков 7 для их разжимания при замене исследуемого элемента 5. Для продольных перемещений выжимной втулки 6 используют стержневой толкатель (толкатели) 10, который закреплен в резьбовом гнезде втулки 6 и свободно перемещается в горизонтальных сквозных каналах пассивного термостата 9. Продольные перемещения втулки 6 с толкателем 10 осуществляют с помощью механизма линейных или винтовых перемещений, например, рычага 11, закрепленного на оси 12 снаружи корпуса. Рычаг 11 имеет форму плоской рукоятки, переходящей в широкую вилку с торцевыми прорезями для захвата упорных штифтов, установленных в поперечных радиальных резьбовых отверстиях упорной втулки 13 для обеспечения их подвижного соединения. Упорная втулка 13 изготовлена из материала, характеризующегося низкой теплопроводностью и высокой прочностью (например, стеклотекстолита) и установлена по ходовой посадке на цилиндрической поверхности выступа, выполненного на заднем торце термостата 9. Втулка 13 имеет резьбовые соединения с пропущенным через ее сквозное отверстие толкателем 10, которое обеспечивается с помощью гайки, охватывающей тело втулки 13 с двух сторон.
Пространственное расположение деталей привода выжимной втулки 6 в заявляемом устройстве таково, что воздушные зазоры, отделяющие в рабочем состоянии ее плоскую поверхность от внутренней поверхности исследуемого элемента 5, а также внешнюю фаску втулки 6 от наклонных участков ступенчатых угловых изломов лепестков 7, имеют равную величину. При этом ход упорной втулки 13 при повороте рычага 11 (от упора до упора) составляет расстояние, превышающую величину указанных зазоров на длину, соответствующую толщине исследуемого образца 5. Благодаря этому, при перемещениях выжимной втулки 6 и ее механическом взаимодействии с элементом 5 и лепестками 7, происходит разжимание последних и одновременное выжиманием элемента 5 из устройства, что значительно упрощает операцию по его замене. При этом выжимная втулка 6 надежно закрепляется в требуемом положении с помощью фиксатора 14.
Для обеспечения широких возможностей изменения условий взаимодействия исследуемого оптического элемента 5 с пучком излучения, измерительную установку снабжают автоматическим блоком 15 линейных и угловых перемещений держателя в заданных направлениях и на заданные расстояния относительно оси пучка излучения лазера 1.
Цанга с лепестками 7 закреплена на образующем термостат 9 корпусе с воздушным зазором с помощью разделяющих их опор 16, выполненных в виде втулок и шайб из теплоизоляционного материала. Опоры 16 отделяют цангу с лепестками 7 как от термостата 9, так и от связывающих их крепежных винтов.
Для проведения исследований оптических характеристик какого-либо покрытия 17, его предварительно наносят на переднюю поверхность элемента 5 в соответствии с предъявляемыми к нему техническими требованиями.
Для калибровки проходного приемника энергии на базе делителя 3 и контрольного приемника 2, в состав измерительной установки включают опорный приемник энергии 18, который по мере необходимости вводят в пучок излучения лазера 1 между объективом 4 (или делителем 3) и оптическим элементом 5.
Предлагаемый держатель работает следующим образом.
Для установки оптического элемента 5 переводят рычаг 11 в заднее положение, при котором выжимная втулка 6 подается вперед и раздвигает лепестки 7, преодолевая их пружинящее сжимающее действие. Затем, между раздвинутыми торцами лепестков 7 приставляют к передней поверхности выдвинутой выжимной втулки 6 исследуемый оптический элемент 5 и, удерживая его, переводят рычаг 11 в переднее положение. При этом освобожденные пружинные лепестки 7 захватывают элемент 5 и надежно удерживают его в этом положении, обеспечивая хороший тепловой контакт между ними.
Для проведения измерений вводят опорный приемник энергии 18 в область пучка излучения лазера между элементом 5 и объективом 4, подают импульс излучения лазера 1 и фиксируют показания контрольного приемника энергии 2. Затем выводят из области пучка опорный приемник энергии 18, а оптический элемент 5 в держателе, позиционируют с помощью блока линейных перемещений 15 в области пучка излучения лазера 1 за объективом 4. Изменение взаимного расположения объектива 4 и элемента 5, путем их удаления или приближения друг к другу, позволяет изменять диаметр проецируемого пучка излучения, а также плотность его энергии и мощности. Затем воздействуют на исследуемый элемент 5 импульсом излучения лазера 1 и фиксируют показание контрольного приемника энергии 2 и отклик термобатареи 8, пропорциональный уровню поглощенной элементом 5 энергии. По полученным результатам рассчитывают исследуемую характеристику элемента 5 (например, коэффициент поглощения).
По аналогичной методике, но после вывода из зоны пучка излучения объектива 4, проводят исследования относительных изменений коэффициента поглощения, вызванных изменениями угла падения пучка излучения на образец, а также размера и места расположения на нем зоны облучения. В зависимости от цели исследований, за критическую плотность энергии может приниматься либо превышение допустимых изменений коэффициента поглощения в конкретном случае применения материала (например, в метрологии), либо резкое его изменение, вызванное разрушением, плавлением, испарением или сублимацией материала, пробойными явлениями у поверхности, экранированием ее плазмой (например, при выборе материала, его состава, отработке технологии его изготовления и обработки, а также различных научных исследованиях).
После завершения исследований извлекают отработанный оптический элемент 5 из держателя, для чего снова переводят рычаг 11 в заднее положение. Выжимной втулкой 6 разжимают лепестки 7 и выталкивают элемент 5 наружу, что значительно облегчает его замену на следующий оптический элемент, подлежащий исследованиям.
Наличие в составе предлагаемого держателя выжимной втулки 5 и описанного механического привода с рычагом 11 значительно уменьшает трудоемкость, сокращает время и предельно упрощает проведение операций по замене оптических элементов 5.
Наличие лепестков 7 обеспечивает увеличение времени прохождения тепловой волны от подвергающейся воздействию излучения зоны на оптическом элементе 5 до «горячих» спаев термобатареи 8, что обеспечивает переход теплового режима работы из стадии иррегулярного в стадию регулярного теплового режима 1-го рода, при котором температурное поле в зоне термобатареи 8 перестает носить отпечаток начального распределения тепловых источников по поверхности элемента 5, а остается подобным самому себе, независимо от характера этого распределения. Реализация регулярного режима позволяет добиться независимости выходного сигнала термобатареи 8 от характера распределения тепловых источников по воспринимающей излучение поверхности оптического элемента 5 и таким образом, благодаря хорошей «зонной» характеристике, понизить неопределенность результатов проводимых исследований относительных изменений оптических характеристик, вызванных измерениями условий его облучения, (например, при изменении диаметра пучка излучения, места его воздействия, угла падения на поверхность, плотности энергии и мощности и др.) при постоянстве уровня энергии.
При этом благодаря упругости лепестков 7 держатель обеспечивает возможность перемещения их торцов в пределах, необходимых для свободной установки исследуемого элемента 5, а также последующее сжатие и удержание с обеспечением хорошего теплового контакта.
Крепление цанги с лепестками 7 на термостате 9 с помощью опор 16, содержащих соединяющие их крепежные винты, а также втулки и шайбы из теплоизоляционного материала, исключающие возможность их прямых контактов, уменьшает интенсивность теплового взаимодействия лепестков 7 с термостатом 9 за время формирования выходного сигнала термобатареи, что особенно важно в случае искусственного увеличения этого времени.
Наличие блока 15 линейных и угловых перемещений образца, обеспечивает возможность точно задавать расстояния при позиционировании пучка излучения лазера 1 на поверхности элемента 5.
Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования высокоточных измерительных технологий в области фотоники (ckp.vniiofi.ru), созданного на базе ФГУП «ВНИИОФИ» и поддержанного Минобрнауки России в рамках выполнения соглашения №14.595.21.0003 от 28.08.2017 г. (уникальный идентификатор RFMEFI59517X0003).