基于布里渊散射光谱的立方晶系材料弹性常数测量方法

本发明涉及布里渊散射无损检测，尤其涉及一种基于布里渊散射光谱的立方晶系材料弹性常数测量方法。

背景技术：

1、对于单晶体材料，弹性常数是非常重要的参数。例如材料的杨氏模量、剪切模量、体模量和泊松比等性能参数的检测可以用于确定材料力学性能以及推断材料的结构信息。截至目前，国内外测量晶体材料弹性常数的常见方法以拉伸、压缩、弯曲、扭转和剪切等传统力学试验为主，而这一类的方法都必然要进行破坏性实验，且难以获得完整的弹性常数张量。

2、由于力学测试方法的局限性，无损检测技术已经在材料弹性常数的检测领域，逐步地取代传统力学试验方法。其中，布里渊散射光谱技术，就是一种典型的非接触、无损伤的光谱检测方式。布里渊散射研究的是材料中的热声学模所引起的非弹性光散射。利用激光器发射的单色性、方向性与相干性良好的空间光与介质声学声子相互作用，产生非弹性散射效应，通过捕获散射信号形成布里渊散射光谱，再由光谱分析待测材料的性能与结构特征。该方法具备了能够对尺寸较小的材料进行检测的特点；此外，布里渊散射光谱技术所使用的六通道法布里-珀罗干涉仪，分辨率极高(小于0.5ghz),也能够满足实验精度的要求。

3、布里渊散射能够通过检测单晶体材料的声学各向异性，计算其弹性常数，而单晶体材料的实际应用当中，又以立方晶系材料最为广泛。立方晶系材料的弹性常数张量cij可以简化地表示为：

4、

5、对于立方晶系材料，只有三个独立的弹性常数，分别是c11、c12和c44。常规的布里渊散射光谱检测，通常采用后向散射几何配置：入射光聚焦于样品表面，产生散射光，沿着与入射光相同的光路反向收集至干涉仪内部。然而，利用这种方法，缺少完整的布里渊散射光谱信号，无法获得全部的独立弹性常数，且聚焦的实验过程本身就非常繁琐，不利于实际应用。

6、专利文献cn111855614a公开了一种利用原位布里渊散射光谱分析三方晶系材料折射率的方法，通过对散射配置进行改进，改变了入射光与散射光的夹角；运用法布里-珀罗干涉仪，对三方晶系材料样品进行检测；并将检测得到的三方晶系材料样品的光谱图进行分析，从而获得三方晶系材料样品的折射率。然而，该方法虽然将散射几何配置进行了改进，但是仍然无法使用固定外部散射角进行对称散射几何配置的实验，仍需要对入射角和散射角进行多次调整，即每收集一张布里渊光谱，都需要重新确定散射几何配置、聚焦样品和校准法布里-珀罗干涉仪，极大地限制了采集布里渊散射光谱的效率。且该方案只适用于测量折射率，无法满足对弹性常数的检测需求。而对于固体材料，其声学性质中包括折射率和弹性常数两个方面，因此，需要对弹性常数测量进行研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于布里渊散射光谱的立方晶系材料弹性常数测量方法，设计了对称散射几何配置光路，通过固定外部散射角，并改变立式样品台上样品放置的旋转角，直接从千分尺刻度盘上读取角度值，实现无损伤的布里渊散射光谱检测。该方法能够提高检测效率并且测量立方晶系材料完整的弹性常数。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于布里渊散射光谱的立方晶系材料弹性常数检测方法，包括：

4、s1.根据所述立方晶系材料样品围绕表面法线旋转的角度，获得立方晶系材料样品的空间旋转角；

5、s2.根据空间旋转角，获取立方晶系材料样品的布里渊散射光谱图，包含两个布里渊散射特征峰qta与qla；

6、s3.基于布里渊散射光谱特征峰通过洛伦兹拟合获得散射峰的频移δω；

7、s4.计算所述立方晶系材料样品的声学特征曲线的实验值v，公式如下：

8、

9、式中，λ0是入射光的波长，θ*是所述立方晶系材料样品入射光和散射光之间的散射角；

10、s5.拟合立方晶系材料声学特征曲线理论值与实验值，获得立方晶系材料的完整弹性常数张量。

11、进一步，所述步骤s1.根据所述立方晶系材料样品围绕表面法线旋转的角度，获得立方晶系材料样品的空间旋转角，具体包括：

12、s1.1选择立方晶系材料样品：将样品的正反两个表面抛光，并切成(010)取向；

13、s1.2选用样品台：选择光学立式样品台，且该光学立式样品台的工作槽上具有通光孔，供所述样品置入；

14、s1.3选用具有监视功能的显微相机，用于监测入射光在样品内部的焦点亮斑；

15、s1.4构建对称散射几何配置空间光路：确定入射角和散射角，将所有光学元件固定在测试平台上，并确保相对位置不变，将激光通入工作槽一侧的通光孔，经所述样品散射后，从通光孔的另一侧射出；

16、s1.5利用光学立式样品台以样品表面法线为轴旋转，且散射角等于入射角，获得样品的空间旋转角。

17、进一步，所述步骤s2.根据空间旋转角，获取立方晶系材料样品的布里渊散射光谱图，包含两个布里渊散射特征峰qta与qla，具体是利用法布里-珀罗干涉仪分别收集不同空间旋转角相对应频率下的布里渊散射光子信号，获得布里渊散射光谱。

18、进一步，所述步骤s5.拟合立方晶系材料声学特征曲线理论值与实验值，获得立方晶系材料的完整弹性常数张量，公式如下：

19、

20、

21、式中，vqla和vqta分别为两个布里渊散射特征峰qta与qla，χ为空间旋转角的角度，c11、c12和c44为三个完整弹性常数张量。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

23、1)通过固定外部散射角，并改变立式样品台上样品放置的旋转角，直接从千分尺刻度盘上读取角度值，实现无损伤的布里渊散射光谱检测。

24、2)通过对立方晶系材料的布里渊散射光谱检测，获得声学特征曲线，并将实验值用理论函数进行拟合迭代，可获得所述材料的完整弹性常数张量。

25、3)本发明方法操作简单、测量精准、容易搭建，无需进行破坏性试验，无需重复测试，检测效率较高。

技术特征：

1.一种基于布里渊散射光谱的立方晶系材料弹性常数检测方法，包括：

2.根据权利要求1所述的基于布里渊散射光谱的立方晶系材料弹性常数检测方法，所述步骤s1.根据所述立方晶系材料样品围绕表面法线旋转的角度，获得立方晶系材料样品的空间旋转角，具体包括：

3.根据权利要求1所述的基于布里渊散射光谱的立方晶系材料弹性常数检测方法，所述步骤s2.根据空间旋转角，获取立方晶系材料样品的布里渊散射光谱图，包含两个布里渊散射特征峰qta与qla，具体是利用法布里-珀罗干涉仪分别收集不同空间旋转角相对应频率下的布里渊散射光子信号，获得布里渊散射光谱。

4.根据权利要求1所述的基于布里渊散射光谱的立方晶系材料弹性常数检测方法，所述步骤s5.拟合立方晶系材料声学特征曲线理论值与实验值，获得立方晶系材料的完整弹性常数张量，公式如下：

技术总结
一种基于布里渊散射光谱的立方晶系材料弹性常数测量方法，包括：S1.根据所述立方晶系材料样品围绕表面法线旋转的角度，获得立方晶系材料样品的空间旋转角；S2.根据空间旋转角，获取立方晶系材料样品的布里渊散射光谱图，包含两个布里渊散射特征峰；S3.基于布里渊散射光谱特征峰通过洛伦兹拟合获得散射峰的频移；S4.计算所述立方晶系材料样品的声学特征曲线的实验值；S5.拟合立方晶系材料声学特征曲线理论值与实验值，获得立方晶系材料的完整弹性常数张量。本发明能够提高检测效率并对立方晶系材料完整的弹性常数张量实现无损检测。

技术研发人员：吴永全,包正平
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15