Способ измерения локальных коэффициентов оптического поглощения и температуры оптических элементов
METHOD FOR MEASURING LOCAL OPTICAL ABSORPTION COEFFICIENTS AND TEMPERATURE OF OPTICAL ELEMENTS

Изобретение относится к оптике, в частности к калориметрическим методам измерения малых локальных коэффициентов поглощения оптических элементов.
С увеличением мощности лазерных источников возрастают требования к оптической стойкости используемых оптических элементов. В случае прохождения мощного оптического излучения даже малые коэффициенты оптического поглощения могут привести к сильному неоднородному разогреву, что в свою очередь может привести к нежелательным эффектам, например, отклонению лазерного пучка из-за эффекта термолинзы, деградации оптического элемента или даже к полному его разрушению. Поэтому актуальна задача определения коэффициентов оптического поглощения, а также измерение и контроль локальной температуры оптических элементов в условиях взаимодействия с лазерным излучением.
-4
-6
-1
В рабочей спектральной области используемые в лазерной физике кристаллы и стекла обладают малыми коэффициентами оптического поглощения порядка 10 - 10 см. Для определения малых коэффициентов поглощения разработаны различные способы измерения, например, метод лазерной калориметрии, фотоакустический метод, фототермическая однолучевая интерферометрия.
Метод лазерной калориметрии является стандартизированной методикой измерения малых коэффициентов поглощения [ISO 11551: Test method for absorptance of optical laser components, Int. Org. For Standartization. Geneva, Switzerland, 2003.]. Сущность метода состоит в том, что экспериментально измеренная кинетика температуры образца сравнивается с решением нестационарного уравнения теплопроводности при соответствующих граничных условиях. Изменение температуры обычно измеряется с помощью внешних датчиков, таких как терморезисторы или термопары и может быть отождествлено с кинетикой изменения температуры образца лишь с некоторой долей условности - измеряется кинетика температуры воздуха в месте расположения термодатчика. Также показания таких датчиков могут быть искажены влиянием рассеянного излучения. Использование внешних традиционных датчиков является принципиальным недостатком метода лазерной калориметрии.
Устранить этот недостаток удается в методе пьезорезонансной лазерной калориметрии [О.А. Ryabushkin, A.V. Konyashkin, D.V. Myasnikov, V.A. Tyrtyshnyy and O.I. Vershinin, "Piezoelectric resonance calorimetry of nonlinear-optical crystals under laser irradiation" // Proc. Of SPIE 8847, Photonic Fiber and Crystal Devices: Advances in Materials and Innovations in Device Applications VII (San-Diego California, USA, 25-29 August 2013), 88470Q (2013)]. Все используемые для нелинейно-оптического преобразования частоты кристаллы обладают пьезоэлектрическими свойствами, в силу отсутствия в их элементарной ячейке центра инверсии. Это позволяет возбуждать в них механические колебания приложением радиочастотного (РЧ) электрического поля. При совпадении частоты поля с частотой одной из собственных мод образца наблюдается пьезоэлектрический резонанс. Частоты пьезоэлектрических резонансов образца чувствительны к температуре, в первом приближении:
,
0
0
prt
где Rƒ(T), Rƒ(T) - резонансная частота при температуре Τ и Т соответственно, K пьезорезонансный термический коэффициент. По сдвигу резонасной частоты, на основе (1), можно ввести так называемую эквивалентную температуру кристалла, разогреваемого лазерным излучением [О.А. Ryabushkin, D.V. Myasnikov, A.V. Konyashkin, V.A. Tyrtyshnyy, "Equivalent temperature of nonlinear-optical crystals interacting with laser radiation" // J. Of European Opt. Soc. - Rapid Publications, Vol.6, 11032 (1-8) (2011)]:
,
где ΔRƒ(P) - сдвиг резонансной частоты образца под воздействием лазерного излучения мощностью Р. Истинное распределение температуры кристалла дается формулой:
,
где δT(x,y,z,P) обозначает неоднородный разогрев. В большинстве практически значимых
случаев этой неоднородностью можно пренебречь в силу высокой теплопроводности нелинейно-оптических кристаллов. Тогда термодинамическая температура кристалла, разогреваемого лазерным излучением, может быть охарактеризована эквивалентной температурой:
.
R
Измерение кинетики эквивалентной температуры кристалла (по измерению кинетики сдвига частоты пьезоэлектрического резонанса) позволяет вычислять коэффициенты поглощения и теплообмена для исследуемого образца при его облучении. На фиг.1 представлен вариант экспериментальной установки в методе пьезорезонансной лазерной калориметрии, где 1 -синхронный детектор, 2 - радиочастотный генератор, 3 - нагрузочное сопротивление, 4 -электроды, 5 - исследуемый образец. Методом синхронного детектирования измеряется фаза ϕ и амплитуда |U| на нагрузочном резисторе R. В спектре измеренного сигнала определяются частоты резонансов. По их изменению регистрируется результат взаимодействия образца с лазерным излучением. После включения лазерного излучения частота генератора изменяется на некоторую величину Δƒ, начиная от значения, соответствующего резонансной частоте выбранной моды образца. С разогревом кристалла резонансная частота изменяется, и момент ее совпадения с частотой генератора фиксируется по достижении минимума фазы измеряемого сигнала. Процесс перестройки частоты генератора продолжается до достижения стационарного состояния. Измерение кинетики резонансной частоты, особенно при малых значениях коэффициента поглощения, до установления теплового равновесия в образце может занимать существенное время (несколько десятков минут). Время измерений может быть сокращенно, если использовать только начальный участок кинетики разогрева [Пигарев А.В., Коняшкин А.В., Рябушкин О.А. Способ измерения малых коэффициентов оптического поглощения нелинейно-оптических кристаллов - патент RU 2650713 C1]. Сначала, измеряется формы линии некоторого резонанса, которая аппроксимируется некоторой функцией, например, функцией Лоренца:
.
Затем, включается излучение и при фиксированной частоте генератора, отстроенной от резонансной, производится наблюдение за временной зависимостью фазы напряжения, измеряемого синхронным детектором. С помощью функции, обратной (5), временная зависимость фазы ϕ(t) преобразуется во временную зависимость резонансной частоты Rƒ(t). Из аппроксимации полученной зависимости Rƒ(t) прямой, с коэффициентом наклона η, определяется коэффициент оптического поглощения по формуле:
,
cr
где m - масса кристалла, c - его удельная теплоемкость,  - длина кристалла. Данный метод измерения коэффициента оптического поглощения принят за прототип изобретения.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и скорости измерений, значительное упрощение экспериментальной установки, возможность локального измерения температуры.
Для достижения технического результата в способе измерения локальных коэффициентов оптического поглощения и температуры оптических элементов, включающем возбуждение пьезоэлектрического резонанса в пьезоэлектрическом кристалле, измерение резонансной частоты, проведение калибровки зависимости резонансной частоты пьезоэлектрического кристалла от температуры при однородном разогреве, измерение зависимости резонансной частоты кристалла от температуры, пьезоэлектрический кристалл помещают между обкладок конденсатора, включенного в цепь обратной связи инвертирующего усилителя, образуя автогенератор, и приводят в тепловой контакт с исследуемым оптическим элементом, через который пропускают оптическое лазерное излучение. По изменению частоты генерируемых колебаний автогенератора определяют изменение резонансной частоты пьезоэлектрического кристалла. На основании предварительной калибровки зависимости резонансной частоты пьезоэлектрического кристалла от температуры рассчитывается увеличение локальной температуры оптического элемента и коэффициент оптического поглощения элемента.
Для реализации способа используется устройство, содержащее пару электродов, формирующих конденсатор, между которыми помещен нелинейно-оптический кристалл (микрорезонатор), который приводится в тепловой контакт с исследуемым оптическим элементом. Конструкция электродов подбирается специально, чтобы минимизировать их разогрев рассеянным излучением. Конструктивная схема устройства приведена на фиг. 2, где 6 - лазерное излучение, 7 - исследуемый оптический элемент, 8 - микрорезонатор, 9 - пара электродов. Конденсатор с кристаллом включается в цепь обратной связи автогенератора с помощью соединительных проводов. Измеряется частота выходного сигнала, по которой можно судить о температуре исследуемого оптического элемента в точке, в которой находится микрорезонатор. Микрорезонатор может иметь малые размеры (например, субмиллиметровые), что позволяет повысить локальность измерений. С использованием нескольких микрорезонаторов возможно измерение распределения температуры в оптическом элементе, что особенно важно в случае измерения коэффициента поглощения оптических элементов, выполненных из материалов, не обладающих высокой теплопроводностью (например, стекол) или в случае оптических элементов, предназначенных для работы с излучением высокой мощности. Если оптический элемент выполнен из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, возможно его непосредственное включение в цепь обратной связи усилителя. Повышение точности измерений достигается за счет непосредственного измерения резонансной частоты кристалла; упрощение экспериментальной установки обеспечивается за счет использования широкодоступных электронных компонентов вместо дорогостоящего оборудования, такого как синхронный детектор и перестраиваемый генератор.
3
На фиг. 3 представлена схема реализации устройства (в качестве резонатора используется нелинейно-оптический кристалл, коэффициент поглощения которого измеряется). Схема состоит из логического инвертора 10, между входом и выходом которого включена цепь обратной связи, состоящая из пары электродов 11 с помещенным между ними нелинейно-оптическим кристаллом 12 и конденсаторов 13 и 14, а также резистор 15, служащий для смещения инвертора в линейный режим. Часть схемы 16 представляет собой инвертирующий усилитель, 17 - цепь обратной связи. В эксперименте исследовался кристалл ниобата лития (LN) в форме прямоугольного параллелепипеда размерами 3×5×17 мм. Предварительная температурная калибровка была выполнена в условиях однородного разогрева кристалла, помещенного в термостат с контролируемой температурой. Результаты представлены на фиг.4. Лазерное излучение было включено через 4 секунды после начала эксперимента. Зависимость частоты от времени (после момента включения излучения) с хорошей точностью может быть аппроксимирована линейной функцией. Величина пьезорезонансного термического коэффициента составила  Затем, образец подвергался воздействию лазерного излучения иттербиевого волоконного лазера с длиной волны 1070 нм и мощностью 10 Вт. Изменение эквивалентной температуры рассчитывалось по изменению частоты генерации по формуле:
.
а
a
-2
-1
-2
-1
Коэффициент оптического поглощения определялся по начальному участку кинетики разогрева, график которого приведен на фиг. 5, с помощью формулы (6). Полученное значение =(1,63±0.04)⋅10 см. Для сравнения, коэффициент поглощения определялся по методике, описанной в прототипе, полученное таким образом значение составляет =(l.6±0,1)⋅10 см.
Таким образом, предложенный способ дает то же значение коэффициента оптического поглощения, что и метод пьезорезонансной лазерной калориметрии, причем с большей точностью.