SU1136605A1

SU1136605A1 - Method of measuring the light absorption factor in a transparent solid bodies

Info

Publication number: SU1136605A1
Application number: SU823397789A
Authority: SU
Inventors: В.Н. Генкин; Ю.А. Демочко; А.М. Миллер; Л.В. Соустов
Original assignee: Институт прикладной физики АН СССР
Priority date: 1982-02-17
Filing date: 1982-02-17
Publication date: 1987-08-23

Abstract

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА В ПРОЗРАЧНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ, в котором воздействуют световым пучком на образец, преобразуют возбу зденные светом акустические колебани в электрические, измер ют амплитуду электрических колебаний, по которой суд т о коэффициенте поглощени , отличающийс тем, что, с целью расширени диапазона измерений в сторону малых величин, световой пучок формируют с геометрией поперечного сечени , совпадающей с геометрией сечени образца плоскостью , ортогональной к направлению распространени пучка и с гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка, образец выбирают с неравными продольными и поперечными размерами и устанавливают свободно между обкладками емкостного датчика, воздействуют на образец од (Я нократным световым импульсом, а амплитуду электрических колебаний измер ют на частоте собственных акустических колебаний образца , где V - скорость звука в образце, d - размер образца между обкладками датчика. со О) а о О1A METHOD FOR MEASURING THE ABSORPTION OF LIGHT IN A TRANSPARENT SOLID BODY, in which a light beam is applied to a sample, transforms the acoustic oscillations generated by light into electrical ones and measures the amplitude of the electrical oscillations measured by the absorption coefficient that differs in that measurements in the direction of small quantities, the light beam is formed with the cross-section geometry that coincides with the sample cross-section geometry with a plane orthogonal to the direction of propagation beam and with a Gaussian intensity distribution in the beam cross section, the sample is selected with unequal longitudinal and transverse dimensions and set freely between the plates of a capacitive sensor, the sample is affected by one (Single light pulse, and the amplitude of electrical oscillations is measured at the frequency of the sample’s own acoustic oscillations, where V is the speed of sound in the sample, d is the size of the sample between the plates of the sensor. O) a O1

Description

111 Изобретежие относитс к области измерений оптических свойств твердых тел и может быть использовано дл контрол оптических элементов, при .мен емых в квантовой электронике. Известен способ лазерной калориметрик , позвол ющий измер ть малые величины коэффициента поглощени и заключающийс в том, что термически изолированный исследуемьй образец облучают мощным непрерывным световым пучком и измер ют изменение температуры образца, по которому и определ ют коэффициент поглощени . Чувствительность этого способа ограничена рассе нием света на неоднородност х внутри образца и поглощением световой энергии на поверхности образца . Наиболее. близким по технической сущности к изобретению вл етс способ измерени коэффициента поглощени в прозрачных твердых телах, в котором воздействуют световым пучком на образец , преобразуют воз.бу сденные светом акустические колебани в электрические , измер ют амплитуду электрических колебаний, по которой суд т о коэффициенте поглощени . Ограничение возможности измерени малых величин коэффициента поглощени в этом способе обусловлено тем, что в образце в одной .полосе частот, определ емой периодом следовани воздействующих импульсов светового пучка , одновременно индуцируютс как полезньй .акустический сигнал, так и паразитный, обусловленный поверхностным поглощением на входной и выходной гран х образца. При практической peaлизации способа при преобразовании акустического сигнала в электрический по вл етс электрический паразитньй сигнал, вызванньй излучением, рассе нным на неоднородност х внутри образца. Частота повторени паразитных сигналов совпадает с частотой повторени полезного сигнала, поэтому максимумы их частотных спектров сов- падают, что делает практически невозможным вьвделение полезного сигнала по спектральным признакам. Вьщеление полезного сигнала в этом способе возможно лишь по амплитудным различи м, а именно, при превьппении амплитуды полезного сигнала над амплитудой паразитных , что и ограничивает диапазон 052 измерени коэффициента поглощени со стороны мальй: величин, Целью изобретени вл етс расширение диапазона измерений коэффициента поглощени в сторону мальк величин , Цель достигаетс тем, что в способе измерени коэффициента поглощени света в прозрачных твердых телах, в котором воздействуют световым пучком на образец, преобразуют, возбужденные светом акустические колебани в электрические , измер ют амплитуду электрических колебаний, по которой суд т:о коэффициенте.поглощени , световой пучок формируют с геометрией поперечкого сечени , совпадающей, с геометрией сечени образца плоскостью, орто-J гональной к .направлению распространени пучка и с гауссовым распределением интен-сивности в поперечном сечении пучка,, образец выбирают с неравными продольными и поперечными размерами и устанавливают свободно между обкладками емкостного датчика, воздействуют на образец однократным световым импульсом, а амплитуду электрических колебаний измер ют на. частоте собственных колебаний образца f v/2d, где v - скорость .звука в образце,, d -размер образца между обкладками датчика. На чертеже изображена блок-схема Устройства дл реализации предлагаемого способа. Она содержит лазер 1, которьй работает в моноимпульснрм режиме и формирует импульс длительностью 2d/v, где d - линейный размер образца 2, установленного свободно (например, в. м гкой-тефлоновой прокладке 3) между обкладками емкостного датчика 4 акустического давлени , скорость звука в образце. С помощью диафрагмы и линз (на чертеже не показаны) световой пучок лазера 1 формируют такой конфигурации, что его поперечное сечение совпадает с сече образца плоскостью, ортогональной к направлению распространени пучка; при этом распределение интенсивности в поперечном сечении пучка вл етс гауссовым, Емкостньй датчик 4 соединен с источником 5 посто нного напр жени и входным сопротивлением селективного усилител 6, выход которого соединен .,с измерителем 7, например осциллографом . Дл измерени энергии, прошедшей через образец 2., за ним установлен измеритель 8 энергии лазерного излучени . Дл образца цилиндрической формы излучение лазера формируют аксиально симметричным с диаметром, равньш диаметру образца. При прохождении этог светового пучка через образец часть .энергии импульса поглощаетс в объем и на поверхност х образца, часть рас сеиваетс на неоднородност х образца остальна часть проходит через на вход измерител 8 энергии. лазерного излучени . Поглощение световой энергии в объе ме образца приводит к возникновению в материале образца термоупругих нап р жений, индуцирующих акустические колебани в объеме образца между его осью С1шметрии и боковой пов.ерхность Частота этих акустических колебаний определ етс поперечными размерами образца. . Из-за поглощени некоторой части энергии светового пучка входной и выходной гран ми возникают акустические колебани , частота которых определ етс продольными размерами образца. Изобретение направлено на измерение коэффициента поглощени материала образца, т.е. объемного коэффициента поглощени , поэтому полезный сигнал в данном случае св зан с акус тическими колебани ми между осью симметрии образца и его боковой поверхностью . Амплитуда А этих акустических колебаний, обусловленных объемным поглощением светового пучка пропорциональна коэффициенту об поглощени света:111 The invention relates to the field of measurements of the optical properties of solids and can be used to control optical elements used in quantum electronics. A method of laser calorimetry is known, which makes it possible to measure small values of the absorption coefficient, consisting in that the thermally isolated test sample is irradiated with a powerful continuous light beam and the temperature change of the sample is measured, by which the absorption coefficient is determined. The sensitivity of this method is limited by the scattering of light on inhomogeneities inside the sample and the absorption of light energy on the surface of the sample. Most. Close to the technical essence of the invention is a method of measuring the absorption coefficient in transparent solids, in which a light beam is applied to a sample, the acoustic oscillations made by light are converted into electrical ones, the amplitude of electrical oscillations is measured, and the absorption coefficient is measured. The limitation of the possibility of measuring small values of the absorption coefficient in this method is due to the fact that in a sample of a frequency band determined by the period of the following pulses of a light beam, both a useful acoustic signal and a parasitic signal are induced simultaneously by surface absorption at the input and output gran x sample. In the practical implementation of the method, when an acoustic signal is converted into an electrical signal, an electrical parasitic signal appears, caused by radiation scattered on inhomogeneities inside the sample. The repetition frequency of spurious signals coincides with the repetition rate of the useful signal, therefore, the maxima of their frequency spectra coincide, which makes it practically impossible to isolate the useful signal by spectral characteristics. The useful signal can only be amplified by amplitude differences, namely, when the amplitude of the useful signal is exceeded by the parasitic amplitude, which limits the absorption coefficient measurement range 052 from the side of the magnitude: values, the purpose of the invention is to extend the range of absorption coefficient measurements to the side fry quantities, the goal is achieved by the fact that in the method of measuring the absorption coefficient of light in transparent solids, in which a light beam acts on a sample, it is transformed acoustic oscillations generated by light into electrical measurements measure the amplitude of the electrical oscillations, from which it is judged: absorption coefficient, the light beam is formed with the cross-sectional geometry coinciding with the plane of the sample section, ortho-J perpendicular to the direction of the beam and Gaussian intensity distribution in the beam cross section, the sample is chosen with unequal longitudinal and transverse dimensions and set freely between the plates of the capacitive sensor, affect the sample about a single light pulse, and the amplitude of the electrical oscillations is measured at. the frequency of natural oscillations of the sample is f v / 2d, where v is the speed of sound in the sample, d is the size of the sample between the plates of the sensor. The drawing shows a block diagram of a device for implementing the proposed method. It contains laser 1, which operates in a single pulse mode and generates a pulse with a duration of 2d / v, where d is the linear size of the sample 2 installed freely (for example, a soft teflon gasket 3) between the plates of the capacitive acoustic pressure sensor 4, the speed of sound in the sample. Using a diaphragm and lenses (not shown in the drawing), the laser light beam 1 is shaped such that its cross section coincides with the sample cross section by a plane orthogonal to the direction of beam propagation; the intensity distribution in the beam cross section is Gaussian. The capacitive sensor 4 is connected to a constant voltage source 5 and the input resistance of a selective amplifier 6, the output of which is connected, to a meter 7, such as an oscilloscope. To measure the energy transmitted through sample 2., a laser energy meter 8 is installed behind it. For a cylindrical sample, the laser radiation is formed axially symmetric with a diameter equal to the sample diameter. With the passage of this light beam through the sample, a part of the pulse energy is absorbed into the volume and on the sample surfaces, a part is scattered on the sample inhomogeneities and the rest passes through the input of the energy meter 8. laser radiation. Absorption of light energy in the sample volume leads to the emergence of thermoelastic stresses in the sample material, which induce acoustic oscillations in the sample volume between its C1 cm axis and lateral surface. . Due to the absorption of a certain part of the energy of the light beam, acoustic oscillations arise in the input and output faces, the frequency of which is determined by the longitudinal dimensions of the sample. The invention is directed to measuring the absorption coefficient of the sample material, i.e. volumetric absorption coefficient; therefore, the useful signal in this case is associated with acoustic oscillations between the axis of symmetry of the sample and its side surface. The amplitude A of these acoustic oscillations due to the volume absorption of the light beam is proportional to the coefficient on the absorption of light:

А BUT

А -ot „ ,A -ot „,

где S - сечение светового пучка; WP - энерги оптического излучени , прошедша через образец;where S is the cross section of the light beam; WP is the energy of optical radiation passing through the sample;

Г - коэффициент Грюнайзена материала образца; k - общий коэффициент усилени электрической части устройства . .G is the Gruneisen coefficient of the sample material; k is the total gain of the electrical part of the device. .

При совпадении геометриййопаречного сечени пучка с геометрией образца в цлоскости сечени , ортого45 Вьщеление акустических колебаний с частотой f v/2d и с полосой uf f/Q позвол ет в Q раз уменьшить вли ние на измер емую величину паразитного сигнала, обусловленного рассе нием на неоднородност х внутри образца, поскольку ширина спектра этого паразитного сигнала &. совпадает с шириной спектра воздействующего светового импульса, т.е.When the geometry of the beam-coupled section of the beam coincides with the geometry of the sample in the sectional cross-section, ortho-45. sample, because the spectrum width of this parasitic signal & coincides with the width of the spectrum of the acting light pulse, i.e.

55 ufi л- I/C, а отношение ширины полосы к ширине полосы полезного акустического сигнала &f пропорционально величине добротности Q акустического резонатора нальной к направлению распространени , в образце возникают резонансные акустические колебани , форма которьш близка к синусоидальной. При этом частота возникающих синусо1щальных колебаний f определ етс диаметром образца d и . скоростью v звука в нем f v/2d, а число периодов - добротностью акустического резонатора, которым вл етс сам образец. Благо- .. дар свободной установке образца между обкладками емкостного датчика 4, образец не имеет механического контакт а с обкладками датчика. Это обеспечивает высокую добротность Q акустического резонатора (Q 10), поскольку с этом случае происходит хорошее отражение .звуковых колебаний на . границе образец-воздух (образец-тефлон ) за счет большого различи величины скорости звука в твердотельном образце, и в воздухе (тефлоне). С помощью емкостного датчика 4 полезные акустические колебани преобразуют в электрический сигнал, который имеет форму радиоимпульса с частотой заполнени f. Ширина спектра этого импульса д f/Q определ етс в основном добротностью акустического резонатора. Радиоимпульс усиливают селективным усилителем б, который настраивают на резонансную частоту. F f v/2d с с полосой пропускани ДР uf, и измер ют измерителем 7 амплитуду А сигнала. Коэффициент поглощени об материала образца определ ют по формуле oi - --§Л w.kr . ; 55 ufi l is I / C, and the ratio of the bandwidth to the bandwidth of the useful acoustic signal & f is proportional to the Q value of the acoustic resonator Q to the direction of propagation, resonant acoustic oscillations occur in the sample, the shape of which is close to sinusoidal. The frequency of the resulting sinusoidal oscillations f is determined by the diameter of the sample d and. the speed v of the sound in it is f v / 2d, and the number of periods is the quality factor of the acoustic resonator, which is the sample itself. Due to the free installation of the sample between the plates of the capacitive sensor 4, the sample has no mechanical contact with the plates of the sensor. This provides a high Q of the acoustic resonator (Q 10), since with this case there is a good reflection of the acoustic oscillations on. sample-air border (sample-Teflon) due to the large difference in the speed of sound in a solid-state sample and in air (Teflon). Using a capacitive sensor 4, the useful acoustic oscillations are converted into an electrical signal, which has the form of a radio pulse with a filling frequency f. The spectral width of this pulse d f / Q is determined mainly by the quality factor of the acoustic resonator. The radio pulse is amplified by a selective amplifier b, which is tuned to the resonant frequency. F f v / 2d with a bandwidth DRU uf, and measured by the meter 7 amplitude And signal. The absorption coefficient of the sample material is determined by the formula oi - - §L w.kr. ;

,it. , it.

-9.... uf fc-9 .... uf fc

Следовательно, амплитуда паразитного сигнала, обусловленного рассе нием на неодирродност х в образце, в полосе частот полезного сигнала в Q раз меньше полной амплитуды паразитного сигнала,Consequently, the amplitude of the parasitic signal, due to scattering on the non-degeneracy in the sample, in the frequency band of the useful signal is Q times smaller than the total amplitude of the parasitic signal,

Кроме того, В14деление резонансных акустических колебаний на частоте v/2d позвол ет избавитьс от акустических колебаний, вызванных поверх ностным поглощением на входной и выходной гран х образца, поскольку их частота f определ етс продольным размером образца l(f v/2 1) и при 1 d, .In addition, the B14 separation of resonant acoustic oscillations at a frequency v / 2d makes it possible to eliminate acoustic oscillations caused by surface absorption at the input and output faces of the sample, since their frequency f is determined by the longitudinal size of the sample l (fv / 2 1) and at 1 d,.

Таким образом, формирование свето вого пучка с геометрией поперечного сечени , совпадающей с геометрией образца в плоскости сечени , артогрнальной к направлению распростране ни пучка, выбор образца с неравными продольными и поперечными размерами.Thus, the formation of a light beam with a cross section geometry that coincides with the sample geometry in the section plane that is warranted to the direction of the beam propagation, the choice of the sample with unequal longitudinal and transverse dimensions.

свободна установка его между обкладками емкостного датчика и вьщеление при этом акустических резонансных колебаний на частоте v/2d позвол ет расширить в сторону малых величин диапазон измерени коэффициента поглощени в Q раз по сравнению с известными способами.its free installation between the plates of a capacitive sensor and the exclusion of acoustic resonant oscillations at a frequency of v / 2d, allows extending towards small values the measurement range of the absorption coefficient Q times as compared with the known methods.

Так, дл используемых на практике образцов величина добротности Q приSo, for practical samples, the value of the quality factor Q for

у/2 d 2,5 ИО y / 2 d 2,5 IO

характерных значени х с составл ет 10 - 10 , что позвол ет измерить минимальную величину коэффициента поглощени 10° (дл .образцов с площадью поперечного сечени см и приthe characteristic values of c are 10–10, which makes it possible to measure the minimum value of the absorption coefficient of 10 ° (for samples with a cross-sectional area of cm and at

энергии в воздействующем лазерномenergy in the acting laser

импульсе 10 Дж). I . impulse 10 j). I.

Изобретение позвол ет также измер ть коэффициент поверхностного поглощени путем выделени акустических колебаний на частотеThe invention also makes it possible to measure the surface absorption coefficient by emitting acoustic oscillations at a frequency

VV

2121

Claims

METHOD FOR MEASURING LIGHT ABSORPTION COEFFICIENT IN TRANSPARENT SOLIDS, in which a sample is exposed to light by a light beam, acoustic waves excited by light are converted into electric ones, the amplitude of electrical vibrations is measured, which is used to judge the absorption coefficient, characterized in that, in order to expand the measurement range to the side small quantities, the light beam is formed with the geometry of the cross section coinciding with the geometry of the sample section by a plane orthogonal to the direction of beam propagation and with a Gaussian intensity distribution in the beam cross section, the specimen is selected with unequal longitudinal and transverse dimensions and mounted _with freely between the plates of the capacitive sensor §, influence on the specimen by a single light pulse, and the amplitude of oscillations measured at a frequency of the acoustic vibrations sample f = v / 2d where v is the speed of sound in the sample, d is the size of the sample between the sensor plates.