ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР С ЦЕНТРАЛЬНО СИММЕТРИЧНО РАСПОЛОЖЕННЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
ELECTRIC CAPACITOR WITH SYMMETRICAL METAL ELECTRODES PLACED IN CENTRE

Изобретение относится к области воздушных конденсаторов с контролируемой емкостью с нестандартным расположением электродов и может быть использовано, в частности, для метода импедансной спектроскопии кристаллов, взаимодействующих с лазерным излучением.
При распространении лазерного излучения в прозрачном диэлектрике происходит его разогрев, обусловленный оптическим поглощением и неупругим рассеянием света. Большинство современных кристаллов, используемых в нелинейной оптике для преобразования лазерного излучения, имеют чрезвычайно малые коэффициенты поглощения света. Однако даже чрезвычайно чистые и совершенные кристаллы разогреваются при прохождении через них лазерного излучения. При увеличении мощности излучения накачки в кристалле может возникнуть дополнительное нелинейное поглощение излучения как на уже существующих примесях и дефектах, так и на новых неоднородностях кристалла, индуцированных мощным излучением. Более того, под действием мощного лазерного излучения происходит неоднородный разогрев кристалла, что приводит к появлению механических напряжений. В итоге это оказывает негативное влияние на процессы преобразования лазерного излучения в нелинейно-оптическом кристалле, так как меняются условия фазового синхронизма для взаимодействующих волн. Кроме этого, в результате сильного разогрева может произойти необратимое разрушение нелинейно-оптического кристалла. Таким образом, при диагностике взаимодействия мощного лазерного излучения с нелинейно-оптическими кристаллами в условиях нелинейного преобразования лазерного излучения температура кристалла является крайне важным параметром. Точное измерение температуры кристалла при прохождении лазерного излучения необходимо в методе лазерной калориметрии, в котором определяют коэффициенты оптического поглощения и теплообмена исследуемого кристалла с окружающей средой [ISO 11551: test method for absorptance of optical laser components / International Organization for Standartization. Geneva Switzerland, 2003].
Для прецизионного измерения температуры нелинейно-оптических кристаллов было предложено использовать метод импедансной спектроскопии [А.В. Коняшкин, А.В. Доронкин, В.А. Тыртышный, О.А. Рябушкин. Радиочастотно-импедансный спектроскоп для исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с кристаллами. Приборы и техника эксперимента, 2009, №6, с. 60-68]. Определение температуры возможно благодаря наличию пьезоэлектрических резонансов в измеряемом спектре электрического импеданса кристалла. Пьезоэлектрические резонансы возбуждаются при совпадении частоты зондирующего электрического поля с частотой собственных акустических мод кристалла. Частоты резонансных акустических мод кристалла зависят от его температуры.
Классический подход при измерении импеданса кристаллов предполагает использование плоского конденсатора, металлические обкладки которого находятся в механическом контакте с кристаллом. Однако при воздействии лазерного излучения на кристалл такая конфигурация будет приводить к его дополнительному разогреву за счет поглощения обкладками конденсатора рассеянного света. Для устранения разогрева электродов возникла необходимость создания иной конструкции конденсатора.
3
Одной из первых работ, в которой измерение температуры кристалла производилось с использованием пьезоэлектрических резонансов кристалла, является [F. Bezancon, J. Mangin, P. Strimer and M. Maglione. Accurate Determination of the Weak Optical Absorption of Piezoelectric Crystals Used as Capacitive Massive Bolometers. IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 37, N 11, NOVEMBER 2001]. В работе исследовался кристалл ниобата лития (LiNbO). Главной целью работы являлось определение коэффициента оптического поглощения кристалла методом лазерной калориметрии. В работе использовался плоский конденсатор, электроды которого были напылены на грани исследуемого кристалла. Данный конденсатор принят за прототип изобретения. Кристалл с напыленными электродами помещался в вакуумную камеру. Измерение температуры кристалла при прохождении лазерного излучения осуществлялось детектированием изменения емкости конденсатора при возбуждении в кристалле механических колебаний вблизи отдельного пьезоэлектрического резонанса радиочастотным электрическим полем обкладок конденсатора. Предложенная авторами методика позволяла детектировать изменение температуры кристалла при разогреве лазерным излучением мощностью всего несколько десятков милливатт. В конфигурации прототипа существенную роль играет поглощение рассеянного излучения электродами конденсатора. Разогрев электродов, не учитываемый авторами работы, вносил существенную погрешность в полученные результаты.
4
В работе [О.A. Ryabushkin, Α.V. Konyashkin, D.V. Myasnikov, V.A. Tyrtyshnyy. Equivalent temperature of nonlinear-optical crystals interacting with laser radiation. Journal of the European Optical Society - Rapid Publications, Vol 6, p. 11032, 2011] было определено, что доля рассеянного света при прохождении лазерного излучения с длиной волны 1 мкм через кристалл титанил фосфата калия - KTiOPO составляет около 3%. При этом доля поглощенной мощности составила всего 0,1%. Данный результат подтверждает большую роль рассеяния при прохождении лазерного излучения через кристалл.
Основным недостатком прототипа является поглощение электродами рассеянного лазерного излучения.
В распространенном случае использования кристаллов в воздушной атмосфере другим недостатком прототипа будет являться неоднородность охлаждения кристалла вследствие неконтролируемых конвективных потоков воздуха вблизи поверхности кристалла. Однородность охлаждения кристалла имеет значение, например, для прецизионного определения коэффициентов оптического поглощения и теплообмена кристалла с окружающей средой методом пьезорезонансной лазерной калориметрии [О.A. Ryabushkin, D.V. Myasnikov, Α.V. Konyashkin, О.I. Vershinin. Kinetics of Equivalent Temperature of Nonlinear-Optical Crystals, Conference on Lasers and Electro-Optics - International Quantum Electronics Conference CLEO/EUROPE-IQEC 2013, Munich Germany, 12-16 May 2013, Conference digest, CE-P.18 TUE]. Коэффициенты определяются из соответствия решения нестационарного уравнения теплопроводности с заданными граничными условиями и экспериментально измеренной кинетики температуры кристалла во время воздействия на него лазерного излучения. Знание коэффициентов оптического поглощения и теплообмена позволяет в широком диапазоне измерять мощность лазерного излучения.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения температуры исследуемого кристалла и улучшение условий охлаждения кристалла. Технический результат достигается тем, что в электрическом конденсаторе с центрально симметрично расположенными металлическими электродами электроды выполнены в виде тонких металлических пластин или напылены на диэлектрические пластины и расположены в радиальных плоскостях оси конденсатора на одинаковом от нее расстоянии. Электрический конденсатор может содержать больше двух электродов, при этом углы между плоскостями, соответствующими соседним электродам каждой обкладки конденсатора, одинаковые. Улучшение однородности охлаждения кристалла достигается использованием большего числа электродов.
Под осью конденсатора понимается ось симметрии второго порядка, направленная вдоль наибольшего измерения используемых в конденсаторе электродов. Радиальной плоскостью является любая плоскость, проходящая через ось конденсатора.
На фиг. 1 представлен вид конденсатора сбоку (приведен случай двухэлектродного конденсатора). В работе использовался кристалл кварца цилиндрической формы (длина L=30 мм, диаметр d=10 мм). Кристалл 1 размещался на двух стойках 2, которые в свою очередь закреплялись в опорной пластине 3. Стойки и пластина выполняются из диэлектрического материала. В нашем случае они были изготовлены из плавленого кварца. Толщина стоек 0,5 мм, высота 30 мм, ширина 20 мм. Габаритные размеры опорной пластины: длина 60 мм, ширина 20 мм, высота 5 мм. На расстоянии 22 мм от торцов пластины сделаны две прорези шириной 0,5 мм и глубиной 2,5 мм, предназначенные для закрепления стоек.
На фиг. 2 представлен вид конденсатора спереди. Большое круглое отверстие в кварцевой стойке 2 предназначено для размещения кристалла 1. Для определения температуры воздуха в фиксированной пространственной области вблизи кристалла использовались два дополнительных терморезонатора 4. Верхнее и нижнее отверстия в стойке предназначены для них. Остальные 18 прямоугольных отверстий служат для крепления металлических электродов 5 (размеры использованных в работе электродов: длина 40 мм, ширина 1 мм, толщина 0.2 мм). Кристалл располагается в центре по отношению к электродам. Переменное напряжение подается на две обкладки конденсатора, которые образованы симметрично расположенными слева и справа группами электродов. В случае необходимости уменьшение толщины электродов может быть реализовано за счет напыления тонких металлических слоев на прозрачные для рассеянного излучения стеклянные подложки (пластины), которые тогда вставляются в отверстия для электродов.
R
R
В нашей работе температура кристалла определялась по изменению частоты пьезоэлектрических резонансов от мощности лазерного излучения, проходящего через кристалл. Такой метод дает возможность измерять изменение температуры кристалла при разогреве лазерным излучением в широком диапазоне мощностей. На фиг. 3 представлена блок-схема экспериментальной установки. Конденсатор с кристаллом 1 размещается в термостате 6. Переменное напряжение от РЧ-генератора 7 через нагрузочное сопротивление 8 подается на конденсатор с исследуемым кристаллом 1. С нагрузочного сопротивления сигнал подается на измерительный вход синхронного детектора 9. На опорный вход синхронного детектора с синхронного выхода генератора подается РЧ-сигнал той же частоты. Для каждого значения частоты f регистрируются амплитуда |U| и фаза φ напряжения U на входе синхронного детектора, что позволяет определять ток в цепи и вычислять комплексный импеданс Z(f) или адмиттанс Y(f) конденсатора с кристаллом.
Конструкция кварцевой стойки 2 позволяет изменять число электродов в конденсаторе, изменяя тем самым как условия охлаждения исследуемого кристалла-диэлектрика, так и однородность радиочастотного (РЧ) поля, создаваемого между обкладками конденсатора в области расположения кристалла. Однородность поля является немаловажным фактором в импедансной спектроскопии кристаллов, поскольку существенно влияет на эффективность возбуждения пьезорезонансов исследуемых кристаллов.
Измерения в эксперименте проводились для трех вариантов конденсатора: 1) 18 электродов - 9 слева и 9 справа с шагом по 15°; 2) 10 электродов - 5 слева и 5 справа с шагом по 30°; 3) 2 электрода - один слева и один справа. Три различные конфигурации расположения электродов обеспечивают различную степень неоднородности электрического поля. Конденсатору с большим количеством электродов соответствует более однородное поле.
На фиг. 4 представлен результат моделирования распределения электрического поля в конденсаторе. Моделирование производилось в программе ELCUT 5.1 Professional. Разными цветами обозначены различные потенциалы поля. Стрелками обозначены векторы электрической напряженности в конкретных точках пространства. Из фигуры видно, что пространственное распределение напряженности поля внутри кристалла в случае конденсатора с 18-ю электродами (а) более однородное, чем в том же кристалле в случае конденсатора с 2-мя электродами (б). Таким образом, численное моделирование подтверждает соответствие большей однородности электрического поля в кристалле большему числу электродов в конденсаторе.
Данный конденсатор обладает следующими достоинствами. Первое: центрально симметричное расположение электродов относительно кристалла, причем электроды расположены вдоль длины кристалла и лежат в плоскостях, образованных радиусами цилиндрического кристалла и его образующей. Данное расположение, малая толщина электродов, выбор хорошо отражающего свет металла минимизируют долю поглощаемого электродами рассеянного излучения. Второе: контролируемая однородность электрического поля в кристалле, достигающаяся симметричным расположением электродов и кристалла относительно друг друга. Степень неоднородности поля можно изменять, устанавливая нужное число электродов в конденсаторе. Большему числу электродов соответствует более однородное поле. Третье: электроды играют роль эффективного радиатора, охлаждающего воздух вблизи кристалла, и тем самым способствуют контролируемому, однородному охлаждению самого кристалла. Лучшие условия охлаждения кристалла достигаются использованием большего числа электродов в конденсаторе. При этом существенно, чтобы длина электродов была не меньше длины исследуемого кристалла.
Таким образом, сконструирован, создан и применен в методе импедансной спектроскопии кристаллов новый тип конденсатора, обладающий рядом преимуществ по сравнению со своим прототипом.