RU2783109C1 - Способ измерения локальных коэффициентов оптического поглощения и температуры оптических элементов - Google Patents

Способ измерения локальных коэффициентов оптического поглощения и температуры оптических элементов Download PDF

Info

Publication number
RU2783109C1
RU2783109C1 RU2021127396A RU2021127396A RU2783109C1 RU 2783109 C1 RU2783109 C1 RU 2783109C1 RU 2021127396 A RU2021127396 A RU 2021127396A RU 2021127396 A RU2021127396 A RU 2021127396A RU 2783109 C1 RU2783109 C1 RU 2783109C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
crystal
measuring
resonant frequency
temperature
Prior art date
Application number
RU2021127396A
Other languages
English (en)
Inventor
Кирилл Вадимович Зотов
Иван Вячеславович Грищенко
Олег Алексеевич Рябушкин
Original Assignee
Кирилл Вадимович Зотов
Иван Вячеславович Грищенко
Олег Алексеевич Рябушкин
Filing date
Publication date
Application filed by Кирилл Вадимович Зотов, Иван Вячеславович Грищенко, Олег Алексеевич Рябушкин filed Critical Кирилл Вадимович Зотов
Application granted granted Critical
Publication of RU2783109C1 publication Critical patent/RU2783109C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к оптике, в частности к калориметрическим методам измерения коэффициентов оптического поглощения в оптических элементах. Способ измерения коэффициентов оптического поглощения и локальной температуры оптических элементов состоит в возбуждении пьезоэлектрического резонанса в пьезоэлектрическом кристалле, который приведен в тепловой контакт с исследуемым оптическим элементом, через который пропускают лазерное излучение. Резонансную частоту пьезоэлектрического кристалла можно определять, помещая пьезоэлектрический кристалл между обкладок конденсатора, который включается в цепь обратной связи инвертирующего усилителя, образуя автогенератор. По изменению частоты генерируемых колебаний автогенератора определяют изменение резонансной частоты пьезоэлектрического кристалла. Коэффициент поглощения рассчитывают на основании предварительной калибровки частоты пьезоэлектрического резонанса кристалла от температуры в условиях однородного разогрева. Техническим результатом изобретения является повышение точности и скорости измерений, значительное упрощение экспериментальной установки, возможность локального измерения температуры. 5 ил.

Description

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.
В рабочей спектральной области используемые в лазерной физике кристаллы и стекла обладают малыми коэффициентами оптического поглощения порядка 10-4 - 10-6 см-1. 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:
Figure 00000001
,
где Rƒ(T), Rƒ(T0) - резонансная частота при температуре Τ и Т0 соответственно, Kprt 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)]:
Figure 00000002
,
где ΔRƒ(P) - сдвиг резонансной частоты образца под воздействием лазерного излучения мощностью Р. Истинное распределение температуры кристалла дается формулой:
Figure 00000003
,
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:
Figure 00000004
.
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 |UR| 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:
Figure 00000005
.
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:
Figure 00000006
,
где m - масса кристалла, ccr - его удельная теплоемкость,
Figure 00000007
- 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.
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 мм3. 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
Figure 00000008
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:
Figure 00000009
.
Коэффициент оптического поглощения определялся по начальному участку кинетики разогрева, график которого приведен на фиг. 5, с помощью формулы (6). Полученное значение а=(1,63±0.04)⋅10-2 см-1. Для сравнения, коэффициент поглощения определялся по методике, описанной в прототипе, полученное таким образом значение составляет a=(l.6±0,1)⋅10-2 см-1.
Таким образом, предложенный способ дает то же значение коэффициента оптического поглощения, что и метод пьезорезонансной лазерной калориметрии, причем с большей точностью.

Claims (2)

  1. Способ измерения коэффициентов оптического поглощения и эквивалентной температуры оптических элементов, включающий возбуждение пьезоэлектрического резонанса в пьезоэлектрическом кристалле, измерение резонансной частоты, проведение калибровки зависимости резонансной частоты пьезоэлектрического кристалла от температуры при однородном разогреве, измерение кинетики резонансной частоты кристалла, отличающийся тем, что пьезоэлектрический кристалл приводят в тепловой контакт с исследуемым оптическим элементом, помещают кристалл между обкладок конденсатора, который включается в цепь обратной связи инвертирующего усилителя, образуя автогенератор, подвергают оптический элемент воздействию лазерного излучения, по изменению частоты генерируемых колебаний определяют изменение резонансной частоты, с помощью предварительно определенного при калибровке в условиях однородного разогрева пьезорезонансного термического коэффициента Kprt рассчитывают изменение эквивалентной температуры оптического элемента, определяют коэффициент наклона начального участка кинетики эквивалентной температуры η, рассчитывают коэффициент оптического поглощения α оптического элемента по формуле:
  2. Figure 00000010
    , где m - масса оптического элемента, ccr - его удельная теплоемкость,
    Figure 00000011
    - его длина, Р - мощность лазерного излучения.
RU2021127396A 2021-09-17 Способ измерения локальных коэффициентов оптического поглощения и температуры оптических элементов RU2783109C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2783109C1 true RU2783109C1 (ru) 2022-11-09

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2543695C1 (ru) * 2013-08-01 2015-03-10 Ренат Ильгизович Шайдуллин Способ измерения температуры полимерного покрытия волоконного световода
RU2624833C2 (ru) * 2015-07-23 2017-07-07 Илья Александрович Зайцев Устройство для измерения продольного распределения температуры в полимерном покрытии активных световодов волоконных лазеров и усилителей
US9885618B2 (en) * 2013-05-03 2018-02-06 3M Innovative Properties Company System for monitoring temperature of electrical conductor
RU2650713C1 (ru) * 2017-02-06 2018-04-17 Алексей Викторович Пигарев Способ измерения малых коэффициентов оптического поглощения нелинейно-оптических кристаллов

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9885618B2 (en) * 2013-05-03 2018-02-06 3M Innovative Properties Company System for monitoring temperature of electrical conductor
RU2543695C1 (ru) * 2013-08-01 2015-03-10 Ренат Ильгизович Шайдуллин Способ измерения температуры полимерного покрытия волоконного световода
RU2624833C2 (ru) * 2015-07-23 2017-07-07 Илья Александрович Зайцев Устройство для измерения продольного распределения температуры в полимерном покрытии активных световодов волоконных лазеров и усилителей
RU2650713C1 (ru) * 2017-02-06 2018-04-17 Алексей Викторович Пигарев Способ измерения малых коэффициентов оптического поглощения нелинейно-оптических кристаллов

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Грищенко И.В., Стирманов Ю.С., Коняшкин А.В., Рябушкин О.А., " Исследование влияния ионной проводимости на коэффициент оптического поглощения кристаллов трибората лития при воздействии высокоинтенсивного непрерывного лазерного излучения", Оптика и спектроскопия, 2020, том 128, вып. 9, С.1258-1263. Рябушкин О.А., Коняшкин А.В., Баранов А.И., Вершинин О.И., "Эквивалентная температура нелинейно-оптического кристалла в процессе преобразования частоты лазерного излучения", Успехи Современной Радиоэлектроники, 2014, номер 9, C. 67-80. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ryabushkin et al. Equivalent temperature of nonlinear-optical crystals interacting with laser radiation
Ma et al. Temperature sensitivity of silica micro-resonators
De Rosa et al. Experimental Measurement of the Dynamic Photothermal Effect<? format?> in Fabry-Perot Cavities for Gravitational Wave Detectors
RU2783109C1 (ru) Способ измерения локальных коэффициентов оптического поглощения и температуры оптических элементов
RU2650713C1 (ru) Способ измерения малых коэффициентов оптического поглощения нелинейно-оптических кристаллов
Aloyan et al. Acoustic resonance spectroscopy of piezoelectric crystals under non-uniform heating
Ryabushkin et al. Experimental determination and the theoretical model of an equivalent temperature of nonlinear optical crystals interacting with high-power laser radiation
Sumaria et al. Whispering-gallery-mode optical microshell resonator infrared detector
Ather et al. Quantum sensing of thermoreflectivity in electronics
Ryabushkin et al. Piezoelectric resonance calorimetry of nonlinear-optical crystals under laser irradiation
Kovalenko et al. Equivalent Surface Temperature of Optical Elements Interacting with Laser Irradiation
Hirschy et al. Basic optical properties of the photoelastic modulator. Part III: thermal properties
Aloyan et al. Determination of surface equivalent temperature of active elements for microelectronics and photonics
Korolkov et al. Solid-state laser medium temperature distribution control under lasing condition
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
Ryabushkin et al. Acousto-Resonance Spectroscopy of Nonlinear-Optical Crystals in Process of Laser Frequency Conversion
Ryabushkin et al. Concept of equivalent temperature of the nonlinear-optical crystal interacting with nonuniform laser radiation
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
Grigorii et al. Measurement of Temperature Gradient in Periodically Poled Lithium Niobate Crystal in Process of Second Harmonic Generation of Near-IR Pump Laser Radiation
Ryabushkin et al. Crystal equivalent temperature concept for laser calorimetry and nonlinear optics
RU2575882C1 (ru) Электрический конденсатор с центрально симметрично расположенными металлическими электродами
Wang et al. High-Resolution Photonic Temperature Measurement System Based on Frequency Locking of Microring Resonator
Konyashkin et al. Resonant acoustic calorimetry of the interaction of high-power laser radiation with crystals
Sumaria et al. Picometer Level Dimensional Sensing Using Microspherical Glass Shell Whispering Gallery Mode Resonators