RU2650713C1 - Method of measuring small factors of optical absorption of nonlinear optic crystals - Google Patents

Method of measuring small factors of optical absorption of nonlinear optic crystals Download PDF

Info

Publication number
RU2650713C1
RU2650713C1 RU2017103700A RU2017103700A RU2650713C1 RU 2650713 C1 RU2650713 C1 RU 2650713C1 RU 2017103700 A RU2017103700 A RU 2017103700A RU 2017103700 A RU2017103700 A RU 2017103700A RU 2650713 C1 RU2650713 C1 RU 2650713C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
crystal
temperature
optical absorption
laser radiation
frequency
Prior art date
Application number
RU2017103700A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Викторович Пигарев
Алексей Викторович Коняшкин
Олег Алексеевич Рябушкин
Original Assignee
Алексей Викторович Пигарев
Алексей Викторович Коняшкин
Олег Алексеевич Рябушкин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Алексей Викторович Пигарев, Алексей Викторович Коняшкин, Олег Алексеевич Рябушкин filed Critical Алексей Викторович Пигарев
Priority to RU2017103700A priority Critical patent/RU2650713C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2650713C1 publication Critical patent/RU2650713C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/22—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects
    • G01K11/26—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects of resonant frequencies

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: method relates to optics, in particular to calorimetric methods for measuring small optical absorption coefficients of crystals. Method of measuring small optical absorption coefficients of nonlinear optical crystals possessing piezoelectric properties, is based on measuring the initial portion of the kinetics of the temperature-calibrated piezoelectric resonance parameter under the action of laser radiation. Calibration is performed under conditions of uniform heating of the crystal. Optical absorption coefficient is determined from the kinetics of crystal heating by laser radiation, taking into account the replacement of the thermodynamic temperature of the crystal by an equivalent temperature. More over it is used only the initial linear portion of the kinetics of the equivalent temperature determined from the kinetics of one of the resonance parameters.
EFFECT: technical result is in reducing the measurement time of the optical absorption coefficient by several orders of magnitude, which leads to an accuracy in determining the optical absorption coefficients; in its turn, the minimum value and accuracy depend on the quality factor and the sensitivity to the temperature of the corresponding parameters of the resonances used.
3 cl, 7 dwg

Description

Способ относится к оптике, в частности к калориметрическим методам измерения малых коэффициентов оптического поглощения кристаллов.The method relates to optics, in particular to calorimetric methods for measuring small optical absorption coefficients of crystals.

Современные кристаллы, используемые в нелинейной оптике для преобразования лазерного излучения, имеют чрезвычайно малые коэффициенты поглощения света. Тем не менее, даже самые чистые и совершенные кристаллы разогреваются лазерным излучением. Одно из важных следствий воздействия мощного лазерного излучения на нелинейно-оптическое преобразование - это неоднородный разогрев кристалла, который оказывает сильное влияние на процессы преобразования частоты лазерного излучения в кристалле. Разогрев кристалла приводит к изменению условия фазового синхронизма, что вызывает ухудшение эффективности преобразования. Увеличение мощности излучения накачки может приводить к дополнительному нелинейному поглощению света накачки и преобразованного излучения как уже на существующих примесях и дефектах, так и на новых неоднородностях кристалла, индуцированных излучением. Более того, под действием мощного лазерного излучения может произойти необратимое разрушение нелинейно-оптического кристалла.Modern crystals used in nonlinear optics to convert laser radiation have extremely low light absorption coefficients. Nevertheless, even the purest and most perfect crystals are heated by laser radiation. One of the important consequences of the effect of high-power laser radiation on the nonlinear optical conversion is the nonuniform heating of the crystal, which has a strong influence on the processes of frequency conversion of laser radiation in the crystal. The heating of the crystal leads to a change in the phase-matching condition, which causes a decrease in the conversion efficiency. An increase in the power of the pump radiation can lead to additional nonlinear absorption of the pump light and the converted radiation both on existing impurities and defects, and on new inhomogeneities of the crystal induced by radiation. Moreover, under the influence of powerful laser radiation, irreversible destruction of a nonlinear optical crystal can occur.

Современные кристаллы, используемые в нелинейной оптике, в основном имеют коэффициенты оптического поглощения от 10-6 до 10-2 см-1. Точное измерение этих коэффициентов позволяет достоверно определять оптическое качество кристаллических образцов, поэтому является важной как научной, так и практической задачей.Modern crystals used in nonlinear optics mainly have optical absorption coefficients from 10 -6 to 10 -2 cm -1 . An accurate measurement of these coefficients allows one to reliably determine the optical quality of crystalline samples; therefore, it is an important both scientific and practical task.

Стандартизованный метод определения коэффициентов оптического поглощения - лазерная калориметрия [ISO 11551: Test method for absorptance of optical laser components, Int. Org. for Standartization. Geneva Switzerland, 2003.]. Основа данного метода состоит в поиске соответствия между решением нестационарного уравнения теплопроводности и экспериментально измеренного кинетикой разогрева исследуемого образца лазерным излучением заданной мощности. При этом чаще всего используют следующие приближения:A standardized method for determining optical absorption coefficients is laser calorimetry [ISO 11551: Test method for absorptance of optical laser components, Int. Org. for standartization. Geneva Switzerland, 2003.]. The basis of this method is to find a correspondence between the solution of the non-stationary heat equation and the kinetics of heating of the test sample experimentally measured by laser radiation of a given power. In this case, the following approximations are most often used:

- Разогрев кристалла мал по сравнению с температурой окружающей среды, что позволяет пользоваться линейной аппроксимацией оптических потерь в образце.- The heating of the crystal is small compared to the ambient temperature, which makes it possible to use a linear approximation of the optical loss in the sample.

- Температура кристалла однородна, что эквивалентно предположению бесконечной теплопроводности образца.- The crystal temperature is uniform, which is equivalent to the assumption of infinite thermal conductivity of the sample.

- В начальный момент времени кристалл находится в тепловом равновесии с окружающей средой.- At the initial moment of time, the crystal is in thermal equilibrium with the environment.

Данные приближения позволяют определять коэффициенты оптического поглощения α(λ), где λ длина волны оптического излучения, и теплообмена кристалла с окружающим воздухом hT на основе аппроксимации экспериментально измеренной кинетики температуры образца Т экспоненциальной функцией вида:These approximations make it possible to determine the optical absorption coefficients α (λ), where λ is the wavelength of optical radiation and the heat transfer of the crystal with ambient air h T based on the approximation of the experimentally measured kinetics of the sample temperature T by an exponential function of the form:

Figure 00000001
Figure 00000001

где t1 - время начала взаимодействия с лазерным излучением, t2 - время выключения излучения, Р - мощность лазерного излучения на длине волны λ, m - масса образца,

Figure 00000002
- длина образца, csp - теплоемкость кристалла, γ=(hTS)/(mcsp) - коэффициент температурных потерь, S - площадь поверхности.where t 1 is the time of the beginning of interaction with laser radiation, t 2 is the time to turn off the radiation, P is the power of laser radiation at a wavelength λ, m is the mass of the sample,
Figure 00000002
is the length of the sample, c sp is the heat capacity of the crystal, γ = (h T S) / (mc sp ) is the temperature loss coefficient, S is the surface area.

В методе лазерной калориметрии температура образца обычно измеряется с помощью внешних термодатчиков. Основной недостаток такого подхода заключается в том, что в большинстве случаев измеряется не температура исследуемого кристалла, а температура окружающего его воздуха или температура термодатчика, приведенного в контакт с кристаллом. К тому же точность эксперимента зависит от правильного учета потерь тепла, обусловленных теплопроводностью окружающих кристалл элементов. При воздействии лазерного излучения сравнительно большой мощности особенно существенное влияние на дополнительный разогрев измерителя температуры и окружающих кристалл элементов оказывает рассеянное излучение, которое поглощается датчиком и окружением, приводя к дополнительному разогреву.In laser calorimetry, the temperature of a sample is usually measured using external temperature sensors. The main disadvantage of this approach is that in most cases it is not the temperature of the crystal under investigation that is measured, but the temperature of the surrounding air or the temperature of the temperature sensor brought into contact with the crystal. In addition, the accuracy of the experiment depends on the correct accounting of heat losses due to the thermal conductivity of the elements surrounding the crystal. Under the influence of laser radiation of relatively high power, the scattered radiation, which is absorbed by the sensor and the environment, leads to additional heating, has a particularly significant effect on the additional heating of the temperature meter and the elements surrounding the crystal.

Другой метод измерения малых коэффициентов оптического поглощения основан на фотоакустическом эффекте. Поглощение импульсного оптического излучения сопровождается генерацией акустических волн. Величина коэффициента оптического поглощения определяется по амплитуде регистрируемого акустического отклика. Вследствие чрезвычайно малой доли преобразования оптической энергии в акустическую для измерения малых коэффициентов оптического поглощения, как правило, требуются мощные источники излучения. Из-за наличия рассеяния света увеличение мощности воздействующего излучения приводит к возрастанию шумов при детектировании акустического сигнала и приводит к снижению чувствительности метода.Another method for measuring small optical absorption coefficients is based on the photoacoustic effect. The absorption of pulsed optical radiation is accompanied by the generation of acoustic waves. The optical absorption coefficient is determined by the amplitude of the recorded acoustic response. Due to the extremely small fraction of the conversion of optical energy into acoustic energy, powerful radiation sources are usually required to measure low optical absorption coefficients. Due to the presence of light scattering, an increase in the power of the acting radiation leads to an increase in noise during the detection of an acoustic signal and leads to a decrease in the sensitivity of the method.

Разработанный метод пьезорезонансной лазерной калориметрии, основанный на понятии эквивалентной температуры кристалла, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, свободен от основных недостатков классической лазерной калориметрии и является весьма перспективным для измерения малых коэффициентов поглощения оптических материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами [О.A. Ryabushkin, А.V. Konyashkin, D.V. Myasnikov, V.A. Tyrtyshnyy and О.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)]. Эквивалентная температура кристалла, разогреваемого лазерным излучением, определяется напрямую по измерению сдвига частоты, калиброванного по температуре пьезоэлеткрического резонанса кристалла [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)]. Пьезоэлектрический резонанс возбуждается в образце при совпадении частоты внешнего зондирующего радиочастотного поля с частотой одной из его собственных мод. Известно, что частоты возбуждаемых пьезоэлектрических резонансов могут сильно изменяться с температурой. В условиях однородного разогрева частоты резонансов в первом приближении линейно зависят от температуры:

Figure 00000003
, где
Figure 00000004
- пьезорезонансный термический коэффициент, а частота Rƒn(T0) соответствует начальной температуре Т0, n - индекс моды. При воздействии лазерного излучения мощности Р эквивалентная температура разогрева кристалла определяется выражением:The developed method of piezoresonant laser calorimetry, based on the concept of equivalent temperature of a crystal having piezoelectric properties, is free from the main disadvantages of classical laser calorimetry and is very promising for measuring small absorption coefficients of optical materials with piezoelectric properties [O.A. Ryabushkin, A.V. Konyashkin, DV Myasnikov, VA 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)]. The equivalent temperature of a crystal heated by laser radiation is directly determined by measuring the frequency shift calibrated by the temperature of the piezoelectric resonance of the crystal [O.A. Ryabushkin, DV Myasnikov, AV Konyashkin, VA Tyrtyshnyy, "Equivalent temperature of nonlinear-optical crystals interacting with laser radiation" // J. of European Opt. Soc. - Rapid Publications, Vol. 6, 11032 (1-8) (2011)]. Piezoelectric resonance is excited in the sample when the frequency of the external sounding radio frequency field coincides with the frequency of one of its eigenmodes. It is known that the frequencies of excited piezoelectric resonances can vary greatly with temperature. Under conditions of uniform heating, the resonance frequencies in a first approximation linearly depend on temperature:
Figure 00000003
where
Figure 00000004
is the piezoresonant thermal coefficient, and the frequency Rƒ n (T0) corresponds to the initial temperature T0, n is the mode index. When exposed to laser radiation of power P, the equivalent crystal heating temperature is determined by the expression:

Figure 00000005
Figure 00000005

При этом величина Θeq(Р) в первом приближении не зависит от выбора моды. Истинное распределение температуры кристалла, разогреваемого лазерным излучением:In this case, the quantity q eq (P), to a first approximation, does not depend on the choice of mode. The true temperature distribution of a crystal heated by laser radiation:

Figure 00000006
Figure 00000006

где x, y, z - пространственные координаты. Здесь последний член отвечает за неоднородный разогрев. На практике за счет сравнительно большого значения теплопроводности кристаллов выполняется условие:where x, y, z are spatial coordinates. Here, the last term is responsible for non-uniform heating. In practice, due to the relatively large value of the thermal conductivity of the crystals, the condition is satisfied:

Figure 00000007
Figure 00000007

тогда термодинамическая температура кристалла, разогреваемого лазерным излучением, может характеризоваться эквивалентной температурой:then the thermodynamic temperature of a crystal heated by laser radiation can be characterized by an equivalent temperature:

Figure 00000008
Figure 00000008

Таким образом, измеряя при разогреве исследуемого образца лазерным излучением заданной мощности и последующем охлаждении после выключения лазерного излучения кинетику частоты какого-либо пьезоэлектрического резонанса, калиброванного по температуре при однородном разогреве, определяется кинетика эквивалентной температуры образца в соответствии с выражением (2). Коэффициенты оптического поглощения α(λ) и теплообмена hT определяются из решения системы (1) путем замены термодинамической температуры T на эквивалентную Θeq.Thus, measuring the kinetics of the frequency of a piezoelectric resonance calibrated by temperature with uniform heating when the sample under investigation is heated by laser radiation of a given power and then cooled after the laser radiation is turned off, the kinetics of the equivalent temperature of the sample is determined in accordance with expression (2). The coefficients of optical absorption α (λ) and heat transfer h T are determined from the solution of system (1) by replacing the thermodynamic temperature T with an equivalent Θ eq .

На фиг. 1 представлен вариант блок-схемы экспериментальной установки, где 1 - исследуемый кристалл, 2 - стойки конденсатора, 3 - радиочастотный (РЧ) генератор, 4 - синхронный детектор, 5 - нагрузочное сопротивление, 6 - металлические электроды, 7 - вакуумная камера, 8 - кристаллические терморезонаторы, 9 - пластина основания для крепления стоек конденсатора. Конденсатор, образованный металлическими электродами 6, с кристаллом 1 размещается в специальной камере 7, которая после откачки воздуха может быть заполнена каким-либо инертным газом с заданной концентрацией и давлением. Переменное напряжение от РЧ-генератора 3 через нагрузочное сопротивление 5 подается на конденсатор с исследуемым кристаллом 1. С нагрузочного сопротивления 5 сигнал подается на измерительный вход синхронного детектора 4. На опорный вход синхронного детектора 4 с синхронного выхода генератора 3 подается сигнал той же частоты. Для каждого значения частоты ƒ регистрируются амплитуда |UR| и фаза ϕ напряжения UR на входе синхронного детектора, что позволяет определять ток в цепи и вычислять комплексный импеданс Z(ƒ) или адмиттанс Y(ƒ) конденсатора с кристаллом.In FIG. 1 is a variant of a block diagram of an experimental setup, where 1 is a crystal under study, 2 are capacitor racks, 3 is a radio frequency (RF) generator, 4 is a synchronous detector, 5 is a load resistance, 6 is a metal electrode, 7 is a vacuum chamber, 8 is crystalline thermoresonators, 9 - base plate for attaching capacitor racks. A capacitor formed by metal electrodes 6 with a crystal 1 is placed in a special chamber 7, which after pumping air can be filled with some inert gas with a given concentration and pressure. An alternating voltage from the RF generator 3 is supplied through the load resistance 5 to the capacitor with the crystal under study 1. From the load resistance 5, the signal is fed to the measuring input of the synchronous detector 4. A signal of the same frequency is fed to the reference input of the synchronous detector 4 from the synchronous output of the generator 3. For each value of frequency ƒ, 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 (ƒ) or admittance Y (ƒ) of the capacitor with the crystal.

Сначала в широком диапазоне частот проводятся измерения отклика исследуемого кристалла 1 и дополнительных терморезонаторов 8 на воздействие РЧ поля. Затем проводится температурная калибровка частот пьезоэлектрических резонансов кристалла 1 и терморезонаторов 8 при однородном разогреве в отсутствии лазерного излучения. Для исследований лазерного воздействия на кристалл выбираются один из добротных резонансов с наибольшим значением пьезорезонансного термического коэффициента. Терморезонаторы 8 прозрачны для излучения на длине волны λ и располагаются от кристалла 1 на заданном расстоянии и используются для измерения температуры окружающего исследуемый образец (кристалл) газа. Наиболее предпочтительным является использование конденсатора [Патент РФ №2575882, Д.А. Алексеев, А.В. Коняшкин, О.А. Рябушкин, «Электрический конденсатор с центрально симметрично расположенными электродами»], который за счет радиально-симметричного (кругового в поперечном сечении) расположения электродов относительно лазерного излучения, распространяющегося через кристалл, позволяет минимизировать долю рассеянного излучения, поглощаемого электродами, и одновременно обеспечивает хорошую однородность электромагнитного поля, благодаря наличию аксиальной симметрии электродов, кристалла, а также терморезонаторов.First, in a wide range of frequencies, the response of the investigated crystal 1 and additional thermoresonators 8 to the influence of the RF field is measured. Then, the temperature calibration of the frequencies of the piezoelectric resonances of the crystal 1 and thermoresonators 8 is carried out with uniform heating in the absence of laser radiation. To study the laser action on the crystal, one of the sound resonances with the highest value of the piezoresonant thermal coefficient is selected. Thermoresonators 8 are transparent to radiation at a wavelength λ and are located from crystal 1 at a given distance and are used to measure the temperature of the gas surrounding the sample (crystal). The most preferred is the use of a capacitor [RF Patent No. 2575882, D.A. Alekseev, A.V. Konyashkin, O.A. Ryabushkin, “An electric capacitor with centrally symmetrically arranged electrodes”], which, due to the radially symmetric (circular in cross section) arrangement of the electrodes relative to the laser radiation propagating through the crystal, minimizes the fraction of scattered radiation absorbed by the electrodes and at the same time ensures good uniformity of the electromagnetic fields, due to the presence of axial symmetry of the electrodes, the crystal, as well as thermal resonators.

Характерный вид спектральной зависимости измеряемых сигналов вблизи пьезоэлектрического резонанса представлен на фиг. 2. Резонансная частота Rƒ соответствует минимальному значению фазы отклика.A typical view of the spectral dependence of the measured signals near the piezoelectric resonance is shown in FIG. 2. The resonant frequency Rƒ corresponds to the minimum value of the response phase.

При воздействии лазерного излучения заданной мощности Р кинетика эквивалентной температуры измеряется напрямую из сдвига частоты ΔRƒ выбранного пьезоэлектрического резонанса в зависимости от времени t. Мощность РЧ поля, воздействующего на кристалл, существенно меньше поглощаемой мощности лазерного излучения (порядка 100 мкВт, при Р=10 Вт и

Figure 00000009
), составляет величину порядка 10 мкВт, следовательно, поглощение энергии РЧ поля практически не приводит к изменению как температуры кристалла, так и его оптических свойств. В то же время частота регистрируемого радиочастотного сигнала на много порядков меньше частоты лазерного излучения, что позволяет беспрепятственно измерять резонансные сигналы в РЧ диапазоне при воздействии лазерного излучения большой мощности.Under the influence of laser radiation of a given power P, the kinetics of the equivalent temperature is measured directly from the frequency shift ΔRƒ of the selected piezoelectric resonance depending on time t. The power of the RF field acting on the crystal is significantly less than the absorbed power of the laser radiation (of the order of 100 μW, at P = 10 W and
Figure 00000009
), is of the order of 10 μW; therefore, the absorption of the RF field energy practically does not lead to a change in both the temperature of the crystal and its optical properties. At the same time, the frequency of the recorded RF signal is many orders of magnitude lower than the frequency of the laser radiation, which allows unhindered measurement of resonant signals in the RF range when exposed to high-power laser radiation.

Основные особенности классической методики измерения кинетики резонансной частоты проиллюстрированы на фиг. 3. Температура стенок термокамеры 7 фиксирована. Сначала измеряется зависимость фазы отклика от частоты ƒ вблизи выбранного резонанса. Частота генератора отстраивается на величину Δƒ0 от резонансной частоты Rƒ(0), которая соответствует минимуму сигнала фазы. Лазерное излучение включается в момент времени t=0. Мощность излучения Р фиксирована. Кристалл начинает разогреваться, и синхронно с изменением температуры кристалла изменяется частота резонанса Rƒ(t). При этом происходит уменьшение фазы ϕ измеряемого детектором сигнала, что соответствует приближению резонансной частоты к частоте генератора Rƒ(0)+Δƒi. Когда резонансная частота в точности совпадает с частотой генератора (момент времени ti), измеряемый сигнал фазы достигает минимума. Затем происходит возрастание сигнала, что соответствует удалению резонансной частоты от частоты генератора. На этой стадии производится следующее переключение частоты генератора, и процесс измерения повторяется. В результате в каждом интервале Δti определяются моменты времени ti, в которые частота резонанса совпадает с установленной частотой генератора. Кинетика резонансной частоты при охлаждении кристалла после выключения лазерного излучения измеряется аналогично. В этом случае изменяется знак шага Δƒi.The main features of the classical technique for measuring the kinetics of the resonant frequency are illustrated in FIG. 3. The temperature of the walls of the heat chamber 7 is fixed. First, the dependence of the response phase on the frequency ƒ is measured near the selected resonance. The generator frequency is tuned by Δƒ 0 from the resonant frequency Rƒ (0), which corresponds to the minimum of the phase signal. Laser radiation is turned on at time t = 0. The radiation power P is fixed. The crystal begins to warm up, and the resonance frequency Rƒ (t) changes simultaneously with the change in the crystal temperature. In this case, the phase ϕ decreases in the signal measured by the detector, which corresponds to the approximation of the resonance frequency to the generator frequency R генератора (0) + Δƒ i . When the resonant frequency exactly coincides with the frequency of the generator (time t i ), the measured phase signal reaches a minimum. Then there is an increase in the signal, which corresponds to the removal of the resonant frequency from the frequency of the generator. At this stage, the next switching of the generator frequency is made, and the measurement process is repeated. As a result, in each interval Δt i determined moments of time t i in which the resonance frequency coincides with a fixed oscillator frequency. The kinetics of the resonant frequency during cooling of the crystal after turning off the laser radiation is measured similarly. In this case, the step sign Δƒ i changes.

При разогреве кристалла лазерным излучением характерную постоянную времени τ определяют, используя интерполирующую функцию:When a crystal is heated by laser radiation, the characteristic time constant τ is determined using the interpolating function:

Figure 00000010
Figure 00000010

Здесь ΔRƒP=Rƒ(0)-RƒP и RƒP соответствует значению резонансной частоты после достижения стационарного состояния температуры кристалла, разогреваемого излучением мощностью Р(λ), с окружающим газом. Постоянная времени кинетики эквивалентной температуры соответствует постоянной времени кинетики резонансной частоты. Кинетику разогрева окружающего кристалл 1 газа измеряют из кинетики резонансных частот терморезонаторов 8. Коэффициенты оптического поглощения α(λ) и теплообмена hТ могут быть получены заменой термодинамической температуры кристалла на эквивалентную в соответствии с выражением (5). Данный способ измерения коэффициента оптического поглощения принят за прототип изобретения.Here ΔRƒ P = Rƒ (0) -Rƒ P and Rƒ P corresponds to the resonance frequency after reaching a stationary state of the temperature of the crystal, heated by radiation with a power of P (λ), with the surrounding gas. The time constant of the kinetics of the equivalent temperature corresponds to the time constant of the kinetics of the resonant frequency. The kinetics of heating the gas surrounding the crystal 1 are measured from the kinetics of the resonant frequencies of the thermoresonators 8. The optical absorption coefficients α (λ) and heat transfer h T can be obtained by replacing the thermodynamic temperature of the crystal with an equivalent temperature in accordance with expression (5). This method of measuring the coefficient of optical absorption is taken as a prototype of the invention.

Существенным недостатком прототипа является то, что на практике при малых значениях коэффициентов оптического поглощения измерение кинетики разогрева кристалла лазерным излучением вплоть до достижения термодинамического равновесия может быть достаточно протяженным (>103 с).A significant disadvantage of the prototype is that, in practice, at small values of the optical absorption coefficients, the measurement of the kinetics of crystal heating by laser radiation until the thermodynamic equilibrium is reached can be quite extended (> 10 3 s).

Однако, исходя из вида зависимости (1), на начальном участке экспоненту можно разложить в ряд Тейлора с учетом малости экспоненциального показателя. В итоге получаем, что на начальном участке температура разогрева кристалла должна линейно зависеть от времени с наклоном, прямо пропорциональным коэффициенту оптического поглощения и мощности, воздействующего излученияHowever, based on the type of dependence (1), in the initial section, the exponent can be expanded in a Taylor series taking into account the smallness of the exponential indicator. As a result, we find that in the initial section the temperature of the crystal heating should linearly depend on time with a slope directly proportional to the coefficient of optical absorption and power, the radiation

Figure 00000011
Figure 00000011

Техническим результатом изобретения является снижение времени измерения коэффициента поглощения на несколько порядков (до ≈10 с). Технический результат достигается за счет использования только начального участка кинетики эквивалентной температуры кристалла.The technical result of the invention is to reduce the measurement time of the absorption coefficient by several orders of magnitude (up to ≈10 s). The technical result is achieved by using only the initial kinetics of the equivalent crystal temperature.

Устройство для реализации способа по изобретению полностью совпадает с устройством, используемым в прототипе. Аналогично прототипу сначала в широком диапазоне частот проводятся измерения отклика исследуемого кристалла на воздействие РЧ поля, а затем проводится температурная калибровка частот пьезоэлектрических резонансов кристалла при однородном разогреве в отсутствие лазерного излучения для нахождения

Figure 00000012
.A device for implementing the method according to the invention fully coincides with the device used in the prototype. Similarly to the prototype, first, in a wide frequency range, measurements are made of the response of the crystal under study to the influence of the RF field, and then the temperature calibration of the frequencies of the piezoelectric resonances of the crystal is carried out with uniform heating in the absence of laser radiation to find
Figure 00000012
.

Для измерения начального участка кинетики разогрева лазерным излучением сначала измеряется форма линии выбранного резонанса и аппроксимируется какой-либо функцией, например, Лоренца (в случае использования зависимости фазы от частоты):To measure the initial portion of the kinetics of heating by laser radiation, the line shape of the selected resonance is first measured and approximated by some function, for example, Lorentz (in the case of using the phase dependence of frequency):

Figure 00000013
Figure 00000013

Определяются четыре параметра аппроксимации ϕ0, A, Rƒ, w. Затем включается лазерное излучение и на заданной частоте ƒs РЧ-генератора 3, отстроенной от резонансной при нулевой мощности и соответствующей участку с отличным от нуля значением производной dϕ/dƒ, измеряется сигнал на входе синхронного детектора в зависимости от времени. Для обработки измеренной зависимости ϕ(t) и нахождения зависимости Rƒ(t) применяется многозначная функция, обратная исходной. В случае использования (8):Four approximation parameters ϕ 0 , A, Rƒ, w are determined. Then the laser radiation is turned on, and at a given frequency ƒ s of the RF generator 3, tuned from the resonant at zero power and corresponding to a section with a non-zero derivative dϕ / dƒ, the signal at the input of the synchronous detector is measured as a function of time. To process the measured dependence ϕ (t) and find the dependence Rƒ (t), a multivalued function is used that is inverse to the original one. In case of using (8):

Figure 00000014
Figure 00000014

Из аппроксимации найденной зависимости Rƒ(t) прямой с наклоном k, на основе (7), (2) определяется коэффициент оптического поглощения:From the approximation of the found dependence Rƒ (t) of a straight line with slope k, based on (7), (2), the optical absorption coefficient is determined:

Figure 00000015
Figure 00000015

Необходимо отметить, что корректность такого подхода предполагает, что в процессе разогрева происходит только изменение частоты пьезоэлектрического резонанса, в то время как его форма линии не изменяется. Можно считать, что при малых значениях коэффициента оптического поглощения (10-6-10-2 см-1) на временах в несколько десятков секунд - это условие всегда выполняется.It should be noted that the correctness of this approach assumes that during the heating process only a change in the frequency of the piezoelectric resonance occurs, while its line shape does not change. We can assume that for small values of the optical absorption coefficient (10 -6 -10 -2 cm -1 ) at times of several tens of seconds, this condition is always fulfilled.

Для измерений коэффициентов оптического поглощения предложенным способом можно использовать любую зависящую от температуры резонансную зависимость измеряемого отклика кристалла (амплитуда, фаза и др.).To measure the optical absorption coefficients by the proposed method, any temperature-dependent resonance dependence of the measured crystal response (amplitude, phase, etc.) can be used.

Ниже описана реализация предложенного способа определения коэффициентов оптического поглощения на примере кристалла трибората лития (LBO). Кристалл в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами 3×3,3×20 мм3 (x, y, z), масса кристалла m≈0,5 г, удельная теплоемкость сsp=1060 Дж/(кг*К) [Nikogosyan D.N. Nonlinear optical crystals: a complete survey. - Springer Science & Business Media, 2006], все грани полированные. В диапазоне частот ƒ=900÷2000 кГц при фиксированной температуре термостата Т=300 K синхронным детектором был измерен отклик кристаллов на воздействие РЧ поля. Характерные зависимости амплитуды UR и фазы ϕ напряжения на входе синхронного детектора для кристаллов LBO представлены на Фиг. 4.The implementation of the proposed method for determining the optical absorption coefficients is described below on the example of a crystal of lithium triborate (LBO). Crystal in the shape of a rectangular parallelepiped with dimensions 3 × 3.3 × 20 mm 3 (x, y, z), crystal mass m≈0.5 g, specific heat with sp = 1060 J / (kg * K) [Nikogosyan DN Nonlinear optical crystals: a complete survey. - Springer Science & Business Media, 2006], all facets are polished. In the frequency range ƒ = 900–2000 kHz at a fixed thermostat temperature T = 300 K, the crystal response to the influence of the RF field was measured by a synchronous detector. Typical dependences of the amplitude U R and the phase ϕ of the voltage at the input of a synchronous detector for LBO crystals are presented in FIG. four.

Для измерений был выбран резонанс кристалла вблизи частоты Rƒ=1247 кГц. Спектральные зависимости этого пьезоэлектрического резонанса при нескольких различных температурах в условиях однородного разогрева представлены на Фиг. 5.For measurements, a crystal resonance near the frequency Rƒ = 1247 kHz was chosen. The spectral dependences of this piezoelectric resonance at several different temperatures under conditions of uniform heating are shown in FIG. 5.

Частота резонанса Rƒ соответствует минимуму фазы. При каждом значении температуры определяется значение Rƒ и из аппроксимации прямой определяется пьезорезонансный термический коэффициент. Для данного резонанса Kprt=-595 Гц/K.The resonance frequency Rƒ corresponds to the minimum phase. For each temperature value, the value of Rƒ is determined and the piezoresonance thermal coefficient is determined from the approximation of the straight line. For a given resonance, K prt = -595 Hz / K.

Измерения кинетики лазерного разогрева проводились с использованием непрерывного одномодового волоконного лазера. Длина волны излучения λ=1064 нм, ширина линии 1,5 нм. Выходная мощность до 25 Вт. Экстинкция 20 дБ. Пучок фокусировался в перетяжку диаметром 30 мкм. Параметр качества пучка М2=1,1. Лазерное излучение распространялось вдоль оси z. Пример аппроксимацией функцией Лоренца вида (8) формы линии пьезоэлектрического резонанса кристалла LBO представлена на Фиг. 6.The kinetics of laser heating were measured using a cw single-mode fiber laser. The radiation wavelength is λ = 1064 nm, the line width is 1.5 nm. Output power up to 25 watts. Extinction 20 dB. The beam was focused into a constriction with a diameter of 30 μm. The beam quality parameter M 2 = 1.1. Laser radiation propagated along the z axis. An example of approximating the Lorentz function of the form (8) of the line shape of the piezoelectric resonance of an LBO crystal is shown in FIG. 6.

На Фиг. 7 представлена характерная зависимость начального участка кинетики резонансной частоты Rƒ кристалла, при воздействии излучения мощностью Р=24,8 Вт (t=0 - момент включения лазерного излучения). Для измерения кинетики частота генератора отстраивалась от резонансной на 30 Гц в область с большим значением dϕ/dƒ и производилось непрерывное считывание значения фазы ϕ с синхронного детектора. Значение резонансной частоты в каждый момент времени рассчитывалось с использованием (9). Начальный участок измеренной кинетики аппроксимировался прямой. Величина коэффициента оптического поглощения, рассчитанного по формуле (10), составила α=4,5⋅10-5 см-1 на длине волны λ=1064 нм.In FIG. Figure 7 shows the characteristic dependence of the initial kinetics of the resonant frequency Rƒ of a crystal when exposed to radiation with a power of P = 24.8 W (t = 0 is the moment of laser radiation on). To measure the kinetics, the generator frequency was tuned from the resonance at 30 Hz to the region with a large value of dϕ / dƒ and the phase ϕ was continuously read from the synchronous detector. The value of the resonant frequency at each moment of time was calculated using (9). The initial section of the measured kinetics was approximated by a straight line. The optical absorption coefficient calculated by the formula (10) was α = 4.5 × 10 −5 cm −1 at a wavelength of λ = 1064 nm.

Минимальные значения коэффициентов оптического поглощения и точность их определения предложенным методом, прежде всего, определяются добротностью и чувствительностью к температуре возбуждаемых пьезоэлектрических резонансов. Теоретические расчеты, проведенные с учетом различных типов теплообмена между кристаллом и окружающей средой, подтверждают, что коэффициенты оптического поглощения, определенные из начального участка кинетики эквивалентной температуры кристалла, разогреваемого лазерным излучением, с использованием упрощенной модели (1) и разложения (7), меньше чем на 10% отличаются от коэффициентов поглощения, полученных из численного решения нестационарного уравнения теплопроводности.The minimum values of the optical absorption coefficients and the accuracy of their determination by the proposed method are, first of all, determined by the quality factor and temperature sensitivity of the excited piezoelectric resonances. Theoretical calculations, taking into account various types of heat transfer between the crystal and the environment, confirm that the optical absorption coefficients determined from the initial kinetics of the equivalent temperature of the crystal heated by laser radiation using the simplified model (1) and decomposition (7) are less than 10% differ from the absorption coefficients obtained from the numerical solution of the unsteady heat equation.

Таким образом, представлен и применен на практике новый способ измерения малых коэффициентов оптического поглощения нелинейно-оптических кристаллов, обладающий рядом преимуществ по сравнению со своим прототипом.Thus, a new method for measuring small optical absorption coefficients of nonlinear optical crystals is presented and put into practice, which has several advantages compared to its prototype.

Claims (3)

1. Способ измерения малых коэффициентов оптического поглощения нелинейно-оптических кристаллов, включающий возбуждение в кристалле при помощи внешнего радиочастотного поля пьезоэлектрического резонанса, измерение отклика резонансных параметров на воздействие радиочастотного поля, калибровку зависимости резонансных параметров от температуры кристалла при однородном распределении температуры, воздействие лазерного излучения заданной мощности на кристалл, определение зависимости изменения выбранного резонансного параметра от времени при разогреве кристалла лазерным излучением или охлаждении кристалла после окончания воздействия лазерного излучения, отличающийся тем, что перед воздействием лазерного излучения измеряют форму линии выбранного резонанса, аппроксимируют форму линии резонансной кривой аналитической функцией, выбирают фиксированную частоту внешнего радиочастотного поля, после начала воздействия на кристалл лазерного излучения измеряют зависимость выбранного резонансного параметра от времени, определяют, применяя многозначную функцию, обратную исходной, и калибровку, зависимость температуры кристалла от времени, и, используя аппроксимацию начального участка данной зависимости, определяют коэффициент оптического поглощения кристалла.1. A method of measuring small coefficients of optical absorption of nonlinear optical crystals, including excitation in a crystal using an external radio-frequency field of a piezoelectric resonance, measuring the response of resonant parameters to the influence of the radio frequency field, calibrating the dependence of the resonant parameters on the crystal temperature with a uniform temperature distribution, the effect of laser radiation of a given power per crystal, determining the dependence of the change in the selected resonant parameter on BP change when the crystal is heated by laser radiation or the crystal is cooled after the end of the laser radiation exposure, characterized in that before the laser radiation the line shape of the selected resonance is measured, the line shape of the resonance curve is approximated by an analytical function, the fixed frequency of the external radio frequency field is selected, after the start of exposure to the laser crystal radiation measure the dependence of the selected resonant parameter on time, determine, using a multi-valued function, the inverse initial, and calibration, the dependence of the crystal temperature on time, and, using the approximation of the initial portion of this dependence, determine the coefficient of optical absorption of the crystal. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для температурной калибровки используется резонансная частота, а в качестве резонансного параметра выбирается фаза отклика ϕ.2. The method according to p. 1, characterized in that the resonance frequency is used for temperature calibration, and the response phase ϕ is selected as the resonance parameter. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для аппроксимации используют функцию Лоренца
Figure 00000016
, где ϕ0, A, Rƒ, w - параметры аппроксимации, а в качестве функции, обратной функции Лоренца, используют многозначную функцию
Figure 00000017
, где ƒs - выбранная частота, применяют обратную функцию Лоренца к зависимости фазы ϕ(t) от времени, полученную функцию аппроксимируют прямой с наклоном k и по формуле
Figure 00000018
определяют коэффициент оптического поглощения α, где m - масса кристалла, csp - его удельная теплоемкость, l - длина кристалла, Р - мощность лазерного излучения,
Figure 00000019
- пьезорезонансный термический коэффициент, определяемый из температурной калибровки резонансной частоты.3. The method according to p. 1, characterized in that for approximation using the Lorentz function
Figure 00000016
, where ϕ 0 , A, Rƒ, w are the approximation parameters, and a multivalued function is used as the function inverse of the Lorentz function
Figure 00000017
, where ƒ s is the selected frequency, the inverse Lorentz function is applied to the dependence of the phase ϕ (t) on time, the resulting function is approximated by a straight line with slope k and by the formula
Figure 00000018
determine the optical absorption coefficient α, where m is the mass of the crystal, c sp is its specific heat, l is the length of the crystal, P is the laser radiation power,
Figure 00000019
- piezoresonant thermal coefficient determined from the temperature calibration of the resonant frequency.
RU2017103700A 2017-02-06 2017-02-06 Method of measuring small factors of optical absorption of nonlinear optic crystals RU2650713C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017103700A RU2650713C1 (en) 2017-02-06 2017-02-06 Method of measuring small factors of optical absorption of nonlinear optic crystals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017103700A RU2650713C1 (en) 2017-02-06 2017-02-06 Method of measuring small factors of optical absorption of nonlinear optic crystals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2650713C1 true RU2650713C1 (en) 2018-04-17

Family

ID=61977049

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017103700A RU2650713C1 (en) 2017-02-06 2017-02-06 Method of measuring small factors of optical absorption of nonlinear optic crystals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2650713C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109596563A (en) * 2018-08-14 2019-04-09 湖北新华光信息材料有限公司 A kind of 10.6 μm of optical radiation absorption coefficient test devices of infra-red material and method
RU2694790C1 (en) * 2018-12-26 2019-07-16 Российская Федерация в лице Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" Method of determining homogeneity of uniaxial crystals
RU2783109C1 (en) * 2021-09-17 2022-11-09 Кирилл Вадимович Зотов Method for measuring local optical absorption coefficients and temperature of optical elements

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3140244B2 (en) * 1993-03-04 2001-03-05 川崎製鉄株式会社 Grain size measurement method
US7630589B2 (en) * 2007-01-09 2009-12-08 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Photonic crystal structure sensor
US8358881B2 (en) * 2006-03-22 2013-01-22 The Invention Science Fund I Llc High-Q resonators assembly
RU2575882C1 (en) * 2014-10-28 2016-02-20 Дмитрий Андреевич Алексеев Electric capacitor with symmetrical metal electrodes placed in centre

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3140244B2 (en) * 1993-03-04 2001-03-05 川崎製鉄株式会社 Grain size measurement method
US8358881B2 (en) * 2006-03-22 2013-01-22 The Invention Science Fund I Llc High-Q resonators assembly
US7630589B2 (en) * 2007-01-09 2009-12-08 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Photonic crystal structure sensor
RU2575882C1 (en) * 2014-10-28 2016-02-20 Дмитрий Андреевич Алексеев Electric capacitor with symmetrical metal electrodes placed in centre

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109596563A (en) * 2018-08-14 2019-04-09 湖北新华光信息材料有限公司 A kind of 10.6 μm of optical radiation absorption coefficient test devices of infra-red material and method
CN109596563B (en) * 2018-08-14 2021-03-16 湖北新华光信息材料有限公司 Device and method for testing 10.6-micrometer optical radiation absorption coefficient of infrared material
RU2694790C1 (en) * 2018-12-26 2019-07-16 Российская Федерация в лице Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" Method of determining homogeneity of uniaxial crystals
RU2783109C1 (en) * 2021-09-17 2022-11-09 Кирилл Вадимович Зотов Method for measuring local optical absorption coefficients and temperature of optical elements
RU2811747C1 (en) * 2023-07-03 2024-01-16 Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ИРЭ-Полюс" (ООО НТО "ИРЭ-Полюс") Method for measuring optical absorption coefficient in object made of transparent material, device and system for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10895542B2 (en) Methods and apparatus for optically detecting magnetic resonance
Ryabushkin et al. Equivalent temperature of nonlinear-optical crystals interacting with laser radiation
Sherman et al. High-accuracy measurement of atomic polarizability in an optical lattice clock
Miklós et al. Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology
Zhao et al. Observation of three-mode parametric interactions in long optical cavities
RU2650713C1 (en) Method of measuring small factors of optical absorption of nonlinear optic crystals
Dedyulin et al. Emerging technologies in the field of thermometry
Ryabushkin et al. Experimental determination and the theoretical model of an equivalent temperature of nonlinear optical crystals interacting with high-power laser radiation
RU2783109C1 (en) Method for measuring local optical absorption coefficients and temperature of optical elements
Martin et al. High-precision laser stabilization via optical cavities
Ryabushkin et al. Piezoelectric resonance calorimetry of nonlinear-optical crystals under laser irradiation
Hirschy et al. Basic optical properties of the photoelastic modulator. Part III: thermal properties
Konyashkin et al. Acoustic resonance laser calorimetry for measurements of low optical absorption
Aloyan et al. Determination of surface equivalent temperature of active elements for microelectronics and photonics
CN115754845B (en) Atomic magnetometer space magnetic field imaging device and method based on vector light modulation
Grishchenko et al. Study of the influence of ionic conductivity on optical absorption coefficient of lithium triborate crystals exposed to high-intensity continuous laser radiation
Korolkov et al. Solid-state laser medium temperature distribution control under lasing condition
RU2543695C1 (en) Method to measure temperature of polymer coating of fibre light guide
RU2708708C1 (en) Device for searching and characterization of surface defects in optical materials
Ryabushkin et al. Concept of equivalent temperature of the nonlinear-optical crystal interacting with nonuniform laser radiation
RU2575882C1 (en) Electric capacitor with symmetrical metal electrodes placed in centre
Aloian et al. Absorptance testing of massive nonlinear optical crystal boules of polyhedron shape
Tyrtyshnyy et al. A piezoelectric resonator for optical power measurement with radiation beam quality retaining
Konyashkin et al. Resonant acoustic calorimetry of the interaction of laser radiation with nonlinear-optical crystals
Konyashkin et al. A radio-frequency impedance spectroscope for studying interaction of high-power laser radiation with crystals

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190207