RU2575882C1

RU2575882C1 - Electric capacitor with symmetrical metal electrodes placed in centre

Info

Publication number: RU2575882C1
Application number: RU2014143139/07A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Андреевич Алексеев; Алексей Викторович Коняшкин; Олег Алексеевич Рябушкин
Original assignee: Дмитрий Андреевич Алексеев; Алексей Викторович Коняшкин; Олег Алексеевич Рябушкин
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2016-02-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device represents an electric capacitor used for impedance spectroscopy of crystals interacting with laser emission. The capacitor frame is formed by two dielectric racks fixed in dielectric plat of the base. Quartz crystal used for operation is placed in the racks. Metal electrodes are placed along length of the crystal in radial planes of the capacitor axis, symmetrically in the centre in regard to the axis, at equal distance from it. Availability of symmetry provides control of uniformity degree for electric field in the crystal by changing number of electrodes in the capacitor. When number of electrodes is more than two, the angles between planes corresponding to the neighbouring electrodes of each capacitor plate are the same. The above layout configuration, small thickness and usage of light-reflecting metal for electrodes minimize share of emission absorbed or scattered by them. The electrodes play the role of effective radiator promoting controlled and uniform cooling of the crystal. Better conditions for the crystal cooling are obtained by usage of a bigger number of electrodes in the capacitor.

EFFECT: improved accuracy of temperature measurement for the surveyed crystal and improved conditions of the crystal cooling.

2 cl, 4 dwg

Description

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.The invention relates to the field of air capacitors with a controlled capacity with a non-standard arrangement of electrodes and can be used, in particular, for the method of impedance spectroscopy of crystals interacting with laser radiation.

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].During the propagation of laser radiation in a transparent dielectric, it heats up due to optical absorption and inelastic scattering of light. Most modern crystals used in nonlinear optics to convert laser radiation have extremely low light absorption coefficients. However, even extremely pure and perfect crystals are heated when laser radiation passes through them. With an increase in the pump radiation power in the crystal, additional nonlinear absorption of radiation can occur both on existing impurities and defects, as well as on new inhomogeneities of the crystal induced by high-power radiation. Moreover, under the action of powerful laser radiation, inhomogeneous heating of the crystal occurs, which leads to the appearance of mechanical stresses. As a result, this has a negative effect on the processes of conversion of laser radiation in a nonlinear optical crystal, since the phase matching conditions for interacting waves change. In addition, as a result of strong heating, irreversible destruction of the nonlinear optical crystal can occur. Thus, in diagnosing the interaction of high-power laser radiation with nonlinear optical crystals under conditions of nonlinear conversion of laser radiation, the crystal temperature is an extremely important parameter. An accurate measurement of the crystal temperature during the passage of laser radiation is necessary in the laser calorimetry method, which determines the optical absorption and heat transfer coefficients of the crystal under study with the environment [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.For precision temperature measurement of nonlinear optical crystals, it was proposed to use the method of impedance spectroscopy [A.V. Konyashkin, A.V. Doronkin, V.A. Tyrtyshny, O.A. Ryabushkin. Radio-frequency impedance spectroscope for studying the interaction of high-power laser radiation with crystals. Instruments and experimental equipment, 2009, No. 6, p. 60-68]. The determination of temperature is possible due to the presence of piezoelectric resonances in the measured spectrum of the electrical impedance of the crystal. Piezoelectric resonances are excited when the frequency of the probe electric field coincides with the frequency of the natural acoustic modes of the crystal. The frequencies of the resonant acoustic modes of the crystal depend on its temperature.

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.The classical approach to measuring the impedance of crystals involves the use of a flat capacitor, the metal plates of which are in mechanical contact with the crystal. However, under the action of laser radiation on the crystal, such a configuration will lead to its additional heating due to absorption of scattered light by the capacitor plates. To eliminate the heating of the electrodes, it became necessary to create a different design of the capacitor.

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 (LiNbO₃). 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.One of the first works in which the temperature of a crystal was measured using piezoelectric resonances of a crystal is [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, No. 11, NOVEMBER 2001]. A crystal of lithium niobate (LiNbO ₃ ) was studied. The main goal of the work was to determine the coefficient of optical absorption of a crystal by laser calorimetry. A flat capacitor was used in the work, the electrodes of which were deposited on the verge of the crystal under study. This capacitor is taken as a prototype of the invention. A crystal with deposited electrodes was placed in a vacuum chamber. The temperature of the crystal during the passage of laser radiation was measured by detecting a change in the capacitance of the capacitor when mechanical vibrations were excited in the crystal near an individual piezoelectric resonance by the radio-frequency electric field of the capacitor plates. The technique proposed by the authors made it possible to detect a change in the crystal temperature upon heating by laser radiation with a power of only several tens of milliwatts. In the configuration of the prototype a significant role is played by the absorption of scattered radiation by the electrodes of the capacitor. The heating of the electrodes, not taken into account by the authors of the work, introduced a significant error in the results.

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 - KTiOPO₄ составляет около 3%. При этом доля поглощенной мощности составила всего 0,1%. Данный результат подтверждает большую роль рассеяния при прохождении лазерного излучения через кристалл.In the work of [O.A. Ryabushkin, Α.V. Konyashkin, DV Myasnikov, VA Tyrtyshnyy. Equivalent temperature of nonlinear-optical crystals interacting with laser radiation. Journal of the European Optical Society - Rapid Publications, Vol 6, p. 11032, 2011] it was determined that the fraction of scattered light during the passage of laser radiation with a wavelength of 1 μm through a crystal of potassium titanyl phosphate - KTiOPO ₄ is about 3%. The share of absorbed power was only 0.1%. This result confirms the large role of scattering during the passage of laser radiation through the crystal.

Основным недостатком прототипа является поглощение электродами рассеянного лазерного излучения.The main disadvantage of the prototype is the absorption of scattered laser radiation by the electrodes.

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.In the common case of using crystals in an air atmosphere, another disadvantage of the prototype will be the heterogeneity of crystal cooling due to uncontrolled convective air flows near the surface of the crystal. The uniformity of crystal cooling is important, for example, for the precise determination of the coefficients of optical absorption and heat transfer of a crystal with the environment by piezoresonant laser calorimetry [O.A. Ryabushkin, D.V. Myasnikov, Α.V. Konyashkin, O.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]. The coefficients are determined from the correspondence of the solution of the non-stationary heat equation with the given boundary conditions and the experimentally measured kinetics of the crystal temperature during exposure to laser radiation. Knowing the coefficients of optical absorption and heat transfer allows a wide range to measure the power of laser radiation.

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.The technical result of the invention is to improve the accuracy of measuring the temperature of the investigated crystal and improving the cooling conditions of the crystal. The technical result is achieved by the fact that in an electric capacitor with centrally symmetrically arranged metal electrodes, the electrodes are made in the form of thin metal plates or sprayed onto dielectric plates and are located in radial planes of the axis of the capacitor at the same distance from it. An electric capacitor may contain more than two electrodes, while the angles between the planes corresponding to the adjacent electrodes of each capacitor plate are the same. Improving the uniformity of crystal cooling is achieved by using a larger number of electrodes.

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.The axis of the capacitor refers to the second-order axis of symmetry directed along the largest measurement of the electrodes used in the capacitor. A radial plane is any plane passing through the axis of a capacitor.

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.In FIG. 1 shows a side view of the capacitor (the case of a two-electrode capacitor is shown). We used a cylindrical quartz crystal (length L = 30 mm, diameter d = 10 mm). The crystal 1 was placed on two posts 2, which, in turn, were fixed in the support plate 3. The posts and the plate are made of dielectric material. In our case, they were made of fused quartz. The thickness of the racks is 0.5 mm, height 30 mm, width 20 mm. Overall dimensions of the base plate: length 60 mm, width 20 mm, height 5 mm. At a distance of 22 mm from the ends of the plate, two slots were made with a width of 0.5 mm and a depth of 2.5 mm, designed to secure the racks.

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.In FIG. 2 is a front view of a capacitor. The large round hole in the quartz rack 2 is designed to accommodate crystal 1. To determine the air temperature in a fixed spatial region near the crystal, two additional thermal resonators were used 4. The upper and lower holes in the rack are designed for them. The remaining 18 rectangular holes are used for mounting metal electrodes 5 (dimensions of the electrodes used in the work: length 40 mm, width 1 mm, thickness 0.2 mm). The crystal is located in the center with respect to the electrodes. Alternating voltage is applied to two capacitor plates, which are formed by groups of electrodes symmetrically located on the left and right. If necessary, a decrease in the thickness of the electrodes can be realized by spraying thin metal layers onto glass substrates (plates) transparent to scattered radiation, which are then inserted into the holes for the electrodes.

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_R| и фаза φ напряжения U_R на входе синхронного детектора, что позволяет определять ток в цепи и вычислять комплексный импеданс Z(f) или адмиттанс Y(f) конденсатора с кристаллом.In our work, the crystal temperature was determined from the change in the frequency of the piezoelectric resonances as a function of the power of the laser radiation passing through the crystal. Such a method makes it possible to measure the change in the crystal temperature upon heating by laser radiation in a wide power range. In FIG. 3 shows a block diagram of an experimental setup. A capacitor with a crystal 1 is placed in the thermostat 6. An alternating voltage from the RF generator 7 is supplied through the load resistance 8 to a capacitor with the crystal under study 1. A signal is fed from the load resistance to the measuring input of the synchronous detector 9. The reference input of the synchronous detector is fed from the synchronous output of the generator RF signal of the same frequency. For each value of frequency f, the amplitude | U _R | and the phase φ of the voltage U _R at the input of the synchronous detector, which makes it possible to determine the current in the circuit and calculate the complex impedance Z (f) or admittance Y (f) of the capacitor with the crystal.

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.The design of the quartz rack 2 allows you to change the number of electrodes in the capacitor, thereby changing both the cooling conditions of the dielectric crystal under study and the uniformity of the radio frequency (RF) field created between the capacitor plates in the region where the crystal is located. The field homogeneity is an important factor in the impedance spectroscopy of crystals, since it significantly affects the efficiency of the piezoresonance excitation of the crystals under study.

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.The measurements in the experiment were carried out for three capacitor options: 1) 18 electrodes - 9 on the left and 9 on the right with a step of 15 °; 2) 10 electrodes - 5 on the left and 5 on the right with a step of 30 °; 3) 2 electrodes - one on the left and one on the right. Three different electrode configurations provide varying degrees of heterogeneity of the electric field. A capacitor with a large number of electrodes corresponds to a more uniform field.

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.In FIG. 4 shows the result of modeling the distribution of the electric field in the capacitor. Modeling was performed in the program ELCUT 5.1 Professional. Different colors indicate different field potentials. The arrows indicate the vectors of electric tension at specific points in space. The figure shows that the spatial distribution of the field strength inside the crystal in the case of a capacitor with 18 electrodes (a) is more uniform than in the same crystal in the case of a capacitor with 2 electrodes (b). Thus, numerical simulation confirms the correspondence of a greater uniformity of the electric field in the crystal to a larger number of electrodes in the capacitor.

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.This capacitor has the following advantages. First: the centrally symmetric arrangement of the electrodes relative to the crystal, and the electrodes are located along the length of the crystal and lie in planes formed by the radii of the cylindrical crystal and its generatrix. This arrangement, the small thickness of the electrodes, and the choice of a metal that reflects light well minimize the amount of scattered radiation absorbed by the electrodes. Second: controlled uniformity of the electric field in the crystal, achieved by the symmetrical arrangement of the electrodes and the crystal relative to each other. The degree of field heterogeneity can be changed by setting the desired number of electrodes in the capacitor. A larger number of electrodes corresponds to a more uniform field. Third: the electrodes play the role of an effective radiator, cooling the air near the crystal, and thereby contribute to a controlled, uniform cooling of the crystal itself. The best conditions for cooling the crystal are achieved by using a larger number of electrodes in the capacitor. Moreover, it is essential that the length of the electrodes is not less than the length of the crystal under study.

Таким образом, сконструирован, создан и применен в методе импедансной спектроскопии кристаллов новый тип конденсатора, обладающий рядом преимуществ по сравнению со своим прототипом.Thus, a new type of capacitor is designed, created and applied in the method of impedance spectroscopy of crystals, which has several advantages compared to its prototype.

Claims

1. An electric capacitor with centrally symmetrically arranged metal electrodes, characterized in that the electrodes are made in the form of thin metal plates or sprayed onto dielectric plates and are located in the radial planes of the axis of the capacitor at the same distance from it.

2. The electric capacitor according to claim 1, characterized in that it contains more than two electrodes, while the angles between the planes corresponding to the adjacent electrodes of each capacitor plate are the same.