CC BY
56
УДК 535.327
ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕРМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОПТИЧЕСКОГО ПУТИ ЛАЗЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Лойко П.А., Маляревич А.М., Юмашев К.В.
Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Республика Беларусь
Разработан прибор для измерения термического коэффициента оптического пути Wлазерных материалов. В основу работы измерителя положен метод отклонения пучка лазерного излучения в среде с линейным градиентом температуры. Прибор позволяет измерять коэффициент Wв спектральном диапазоне 0,4-1,1 мкм в поляризованном свете с точностью 0,3*10-6 K-1 и на этой основе определять величину и знак температурного коэффициента показателя преломления dn/dT. (E-mail: kinetic@tut.by)
Ключевые слова: термооптические свойства, лазерные материалы.
Введение
Термический коэффициент оптического пути лазерных материалов Ж - величина, характеризующая изменение длины оптического пути (!'п) для излучения, проходящего через материал, помещенный в лазерный резонатор [1]. Информация о величине Ж является ключевой для конструирования мощных твердотельных лазеров [2].
В приближении равномерного нагрева материала изменение оптического пути для излучения в резонаторе связано с двумя факторами: 1) зависимостью показателя преломления материала от температуры и 2) изменением длины материала в результате термического расширения [3]. Первый эффект описывается выражением п = п0+(ёп/ёТ)АТ+о(АТ2), где п - показатель преломления среды, нагретой до температуры Т; п0 - показатель преломления среды при начальной температуре Т0, АТ=Т-Т0; ёп/ёТ - температурный коэффициент показателя преломления. Эффект термического расширения приводит к изменению длины материала в направлении распространения излучения, АЬ = ЬаАТ, где Ь - начальная длина материала; а - коэффициент теплового расширения.
Длина оптического пути для излучения за один проход резонатора равна ё1+ё2+Ьп0, где ё1 и ё2 - расстояния от лазерного материала до зеркал резонатора (рисунок 1). При увеличении температуры лазерного материала (что обычно связано с выделением тепла в его объеме при оптической накачке и в процессе
генерации) длина оптического пути равна ё1+ё2-АЬ+(Ь+АЬ)(п+Ап). При пренебрежении членами второго порядка малости изменение длины оптического пути равно [ёп/ёТ+(п-1)а]ЬАТ.
М1 М2
П+АП 4 і
Рисунок 1 - Изменение длины оптического пути для излучения в лазерном резонаторе
Изменение длины оптического пути, отнесенное к длине материала Ь и изменению температуры АТ, называют термическим коэффициентом оптического пути:
Ж = ёп/ёТ+(п-\)а. (1)
В настоящее время для определения коэффициента Ж главным образом используется интерферометрический метод, на его основе реализован ряд экспериментальных установок [3]. Их недостатки - высокая чувствительность к внешним воздействиям (вибрациям, воздушным потокам, изменению температуры), конструктивная сложность и дороговизна отдельных элементов.
Недавно для определения величин Ж был предложен относительно простой метод, основанный на отклонении пучка лазерного излучения в среде, в которой поддерживается линейный градиент температуры [4]. Целью данной работы является разработка и изготовление прибора для измерения термического коэффициента оптического пути Ж лазерных материалов, реализующего данный метод.
Метод измерения
Детальное описание метода отклонения пучка лазерного излучения в среде с линейным градиентом температуры приведено в работе [5]. Суть его состоит в следующем (рисунок 2).
Рисунок 2 - Схема, иллюстрирующая метод отклонения пучка лазерного излучения в среде с линейным градиентом температуры
Пучок излучения 1 с линейной поляризацией, малой расходимостью и плоским волновым фронтом распространяется через исследуемый образец 2, противоположные горизонтальные грани которого поддерживаются при различных постоянных температурах (при помощи блоков 3 и 4). При этом пучок испытывает отклонение 6 от первоначального направления распространения 5, которое регистрируется на экране 7. Направление и угловая величина данного отклонения определяют знак и величину коэффициента Ж соответственно.
Формирование пучка излучения с требуемыми характеристиками достигается путем использования поляризационного элемента, коллиматора и диафрагмы.
Устройство измерителя
В состав измерителя входят следующие блоки: блок лазерных источников (1), блок формирования излучения (2), кюветное отделение (3) и блок регистрации излучения (4). Блок-схема измерителя представлена на рисунке 3.
Блок (1) обеспечивает генерацию непрерывного лазерного излучения на требуемой длине волны. Блок (2) обеспечивает формирование пучка зондирующего лазерного излучения с указанными выше характеристиками и его доставку к поверхности исследуемого образца. Блок (3) предназначен для создания и поддержания в исследуемом образце линейного градиента температуры, а также его регистрации. Блок (4) предназначен для измерения углового отклонения пучка зондирующего лазерного излучения.
Рисунок 3 - Блок-схема измерителя термического коэффициента оптического пути
Блок лазерных источников состоит из набора твердотельных источников лазерного излучения с длиной волны 405, 532, 652, 810, 980 и 1064 нм (выходное излучение - непрерывное, выходная мощность < 20 мВт, расходимость излучения - 1 мрад), блока питания лазера (номинальное напряжение 3 В, ток 0,5 А, стабильность по току ± 10 %) и набора отрезающих светофильтров. Лазерные источники размещаются в монтажном блоке, обеспечивающем их пассивное охлаждение. Монтажные блоки закреплены в узле, обеспечивающем юстировку в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Блок формирования излучения состоит из поляризационной призмы Глана-Тэйлора, двух сферических фокусирующих линз (фокусные расстояния - 20 и 100 мм), обеспечивающих увеличение диаметра пучка до 8 мм, и диафрагмы (диаметр отверстия 1 мм). Линзы закреплены в узлах, обеспечивающих перемещение и юстировку в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Кюветное отделение состоит из узла фиксации исследуемого образца, блоков стабилизации температуры, один из которых поддерживает постоянную температуру на одной из горизонтальных поверхностей образца (0 ± 0,1°С), а второй - обеспечивает постоянную более высокую температуру (50 ± 0,1 °С) на противоположной его поверхности, а также инди-
каторов температуры (погрешность 0,1 °С). Поддержание указанных температур обеспечивается посредством Пельтье-элементов.
Блок регистрации излучения собран на основе ПЗС-камеры и характеризуется погрешностью определения углового отклонения пучка лазерного излучения не более 0,04 мрад и состоит из набора плоских поворотных металлических зеркал, измерителя пространственного профиля пучка лазерного излучения, подключенного к ПК, и набора нейтральных светофильтров. Поворотные зеркала закреплены в узлах, обеспечивающих юстировку в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Элементы блоков (1)-(4) закреплены на массивной металлической плите, снижающей воздействие вибраций на работу измерителя и препятствующей разъюстировке оптической схемы измерителя.
Принципиальная схема измерителя приведена на рисунке 4.
2
Рисунок 4 - Принципиальная схема измерителя термического коэффициента оптического пути: 1 - лазер;
2 - блок питания; 3, 16 - светофильтры; 4 - призма Глана-Тэйлора; 5, 6 - сферические линзы; 7 - круглая диафрагма; 8 - образец; 9, 11 - блоки стабилизации температуры; 10 - блок питания, 12 - индикатор температуры; 13-15 - поворотные зеркала; 17 - ПЗС-камера; 18 - ПК
На рисунке 5 показана оригинальная схема кюветного отделения. При ее разработке учитывались следующие требования к фиксации образца лазерного материала:
- образец не должен испытывать механическую нагрузку (в противном случае дополнительный вклад в изменение показателя преломления вносит фотоупругий эффект [1, 6]);
- две противоположные грани образца должны находиться в тепловом контакте с блоками стабилизации температуры для формирования линейного градиента температуры;
- остальные грани образца не должны соприкасаться с элементами кюветного отделения (в противном случае распределение температуры в образце не будет линейным);
- направление линейного градиента температуры должно быть ортогональным к направлению распространения лазерного излучения;
- апертура поперечного сечения образца должна быть открытой для распространения лазерного излучения;
- кюветное отделение должно обеспечивать фиксацию образцов в форме параллелепипеда с различными размерами.
7
О ч-., л П і
: Г. 17
> 8
1 ■ 1— Ч: ■ 1.'Т_
2
1 Т
н ч
Рисунок 5 - Схема кюветного отделения:
1 - основание; 2 - платформа; 3 - направляющие;
4 - элементы Пельтье; 5 - нагревательные элементы, 6 - основание для установки образца; 7 - образец;
8 - термисторы; 9 - контакты блока управления температурным режимом
Технические характеристики измерителя приведены в таблице.
Таблица
Технические характеристики измерителя термического коэффициента оптического пути лазерных материалов
Процедура измерения
Процедура измерения термического коэффициента оптического пути лазерного материала Ж состоит в следующем.
1. Подготовительные работы:
1.1. при помощи штангенциркуля измеряется высота Н и длины Ь образца лазерного материала;
1.2. при помощи ацетона и ветоши обтирочной промываются и протираются насухо две полированные грани образца, перпендикулярные направлению распространения излучения;
1.3. образец помещается в кюветное отделение, при этом с помощью теплопроводящей пасты две противоположные горизонтальные поверхности образца приводятся в тепловой контакт с блоками стабилизации температуры;
1.4. включается источник лазерного излучения и ПЗС-камера (не менее чем за 5 мин до начала измерения);
1.5. если наблюдается разъюстировка измерителя (пучок лазерного излучения не попадает на ПЗС-камеру), то проводится юстировка лазера, фокусирующих линз, диафрагмы и поворотных зеркал;
1.6. если профиль пучка лазерного излучения, регистрируемый ПЗС-камерой, отличается от кругового, то наблюдается загрязнение оптических элементов измерителя: светофильтров, линз, зеркал, призмы (при этом они при помощи ацетона и ветоши обтирочной промываются и протираются насухо);
1.7. при помощи набора нейтральных светофильтров уровень сигнала на ПЗС-камере подбирается таким образом, чтобы он составлял 90 % от максимально допустимого;
1.8. расстояние от образца лазерного материала до ПЗС-камеры ЬЭКР определяется при помощи измерительной рулетки.
2. Проведение измерений:
2.1. блоки стабилизации температуры включаются таким образом, чтобы они обеспечивали поддержание одинаковой температуры на противоположных поверхностях образца;
2.2. в течение 60 с 5 раз регистрируется распределение интенсивности зондирующего лазерного излучения на чувствительной области ПЗС-камеры /(/', у), / и у - номера пикселей чувствительной области в вертикальном и горизонтальном направлениях;
2.3. для каждого распределения интенсивности при помощи метода корреляционных моментов первого порядка определяется координата хг центра пространственного профиля пучка лазерного излучения:
^ т п
хх =—^Т,/Ах/ О',] )АхАу,
* /=1 ]=1
] (2)
т п
/г=ЕЕ / (' и )АхАУ,
г=1 ]=1
где т и п - число рабочих пикселей, а Ах и Ау -размер пикселей измерителя пространственного профиля пучка лазерного излучения;
2.4. определяется среднее значение координаты Х1:
_ 1 Ы
х1 =7^( х1)к, (3)
к=1
где (х^ - результат вычисления координаты XI по формуле (2) для к-го измерения;
2.5. блоки стабилизации температуры переводятся в такой режим, чтобы они обеспечивали поддержание требуемых различных постоянных температур на противоположных поверхностях образца;
2.6. не менее чем через 5 мин после выполнения п. 2.5 определяются температуры более нагретой ТН и более холодной ТХ поверхностей образца оптического материала. Для этого используются термисторы (см. рисунок 5);
2.7. повторяются действия пп. 2.2 и 2.4 и определяется среднее значение х2;
2.8. термический коэффициент оптического пути определяется по формуле:
Рабочая длина волны излучения 405, 532, 652, 810, 980, 1064 нм
Точность определения коэффициента Ж 0,3 х 10"6 к-1
Рабочая температура 25 °С
Градиент температуры 10 °С/мм
Размер образца от 8 х 4 х 4 мм3 до 12 х 6 х 6 мм3
Определение знака Ж да
Измерение в поляризованном свете да
w=
x2 ~ Х
H
LЭКР L(TH ~ТХ )
(4)
2.9. знак коэффициента W определяется по направлению смещения пучка лазерного излучения: если смещение происходит в сторону грани образца с более высокой температурой TH, то W > 0, в обратном случае W < 0.
Рисунок 6 иллюстрирует процедуру определения поперечного смещения пучка при помощи ПЗС-камеры.
а б
Рисунок 6 - Определение поперечного смещения пучка лазерного излучения при помощи ПЗС-камеры:
а, б - данные от камеры в отсутствии и при наличии линейного градиента температуры в образце соответственно
На основании измеренного значения W и литературных данных о показателе преломления и коэффициенте термического расширения рассчитывают температурный коэффициент показателя преломления dn/dT, см. выражение (1).
Заключение
Разработан измеритель термического коэффициента оптического пути W лазерных ма-
териалов. В основу работы измерителя положен метод отклонения пучка лазерного излучения в среде с линейным градиентом температуры. В состав измерителя входят: блок лазерного зондирования; блок формирования зондирующего лазерного излучения; кюветное отделение; блок регистрации зондирующего лазерного излучения.
Прибор позволяет измерять коэффициент W в спектральном диапазоне 0,4-1,1 мкм в поляризованном свете с точностью 0,3 х 10-6 K-1, и на этой основе определять величину и знак температурного коэффициента показателя преломления.
Измеритель разработан в рамках выполнения подпрограммы «Научно-учебное оборудование» ГНТП «Эталоны и научные приборы».
Список использованных источников
1. Chenais, S. On thermal effects in solid-state lasers: The case of ytterbium-doped materials / S. Chenais & others // Progress in Quant. Electr. - 2006. - Vol. 30. - P. 89-153.
2. Koechner, W. Solid-State Laser Engineering, 6th ed. / W. Koechner // Springer. - 2006. - Chap. 7.
3. Biswal, S. Thermo-optical parameters measured in ytterbium-doped potassium gadolinium tung-state / S. Biswal, S.P. O’Connor, S.R. Bowman // Appl. Opt. - Vol. 44. - P. 3093-3097.
4. Vatnik, S.M. Thermo-optic coefficients of monoclinic KLu(WO4)2 / S. Vatnik & others // Appl. Phys. B. - 2009. - Vol. 95. - P. 653-656.
5. Лойко, П.А. Измерение температурного коэффициента показателя преломления методом отклонения лазерного пучка в среде с линейным градиентом температуры / П.А. Лойко и др. // ПМИ. - 2010. - № 1. - С. 70-77.
6. Timoshenko, S.P. Theory of Elasticity, 3nd ed. / S.P. Timoshenko, J.N. Goodier / McGraw-Hill. -1987. - Chap. 13.
Loiko P.A., Malyarevich A.M., Yumashev K.V.
A gauge for measurements of thermal coefficient of the optical path in laser materials
A gauge for measurements of thermal coefficient of the optical path, W, is developed. The measurements are based on the laser beam deviation method for medium with linear thermal gradient. The gauging is performed for spectral range of 0,4-1,1 ^m in linearly polarized light with precision of 0,3*10"6 K-1. On the basis of measured Wvalue, thermo-optic coefficient, dn/dT, can be determined. (E-mail: kinetic@tut.by)
Key words: thermo-optical properties, laser materials.
Поступила в редакцию 05.09.2013.
