CC BY
63
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
УДК 623.4
РАССЕЯНИЕ СВЕТА ОТ ПОВЕРХНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ КЕРАМИКИ
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой специальных устройств и технологий СГГА, тел. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Павел Алексеевич Береза
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент гр. ОК-31
В статье приведены результаты исследований оптических и спектроскопических характеристик лазерных керамических материалов. Показано, что интегральная интенсивность рассеяния от керамической поверхности составляет около 98 % от падающей интенсивности.
Ключевые слова: лазерная керамика, интегральная интенсивность рассеяния, редкоземельные элементы, диффузное рассеяние.
LIGHT SCATTERING FROM LASER CERAMICS SURFACE
Valerik S. Airapetyan
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., head of the Department of Special Devices and Technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Pavel A. Beryoza
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Student
The research results concerning optical and spectroscopic characteristics of laser ceramics materials are presented. The ceramic surface integral scattered intensity is shown to be about 98% of incident radiation.
Key words: laser ceramics, integral scattered intensity, rare-earth elements, diffuse scattering.
Введение
Особый интерес к керамическим материалам для использования в качестве излучателей лазерных устройств появился примерно с 1995 г. [1]. Это обусловлено прежде всего тем, что можно получить образцы лазерной керамики с высокой однородностью и больших размеров за короткое время. Результаты исследования ряда работ [2-7] по оптическому поглощению, спектрам флуоресценции, деполяризации, температурных свойств керамических материалов позволяют применять их в качестве излучателей в мощных лазерных системах.
В последние годы значительное количество публикаций посвящено исследованию структуры, физических и спектральных свойств диффузных лазерных излучателей из керамических материалов, легированных ионами редкоземельных элементов [8-10].
115
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Легированные редкоземельные ионы расширяют прозрачность спектрального диапазона; вместе с тем данные материалы обладают высокой теплопроводностью, механической и радиационной стойкостью.
В настоящее время продолжаются работы по исследованию оптических свойств керамики CaF2, активированных ионами Тш3+.
Целью настоящей работы являлось исследование оптической однородности, спектральных свойств и диффузного рассеяния лазерной керамики CaF2: Тш3+ в широком диапазоне длин волн (X = 0,405 - 1, 064 мкм).
Лазерная керамика CaF2:Tm3+ была выращена методом вертикально направленной кристаллизации (метод Бриджмена) в вакуумированной камере в графитовых тиглях. Образцы CaF2 :Тш3+ получены методом глубокой пластической деформации и имели различные формы.
Экспериментальная установка и результаты исследований
Для исследования оптических свойств лазерной керамики CaF2:Tm была создана специальная экспериментальная установка с различными лазерными источниками [11].
Интегральная интенсивность обратно рассеянного излучения в диапазоне длин волн от 0,4 до 1,064 мкм измерялась на экспериментальной установке, оптическая схема которой приведена на рисунке.
Рис. Оптическая схема экспериментальной установки для измерения интенсивности рассеянного лазерного излучения от керамической поверхности
116
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Линейно поляризованное лазерное излучение после модуляции падает на плоскопараллельную стеклянную пластину, часть (~8 %) излучения отражается и поступает на вход первого фотодетектора из PbS (ФД1).
Электрический сигнал от этого фотоприемника, регистрированного на первом канале осциллографа, необходим для контроля мощности лазерного излучения. Основная часть лазерного излучения, проходя через плоскопараллельную пластину (П/П), попадает на керамический образец, установленный на трехкоординатный столик, который позволяет перемещение образца по трем координатным осям.
Такие перемещения дают возможности получения обратно рассеянного излучения с произвольной точки керамической поверхности. Необходимо отметить, что интенсивность обратно рассеянного излучения при линейном перемещении образца не изменяется от центра образца к периферии.
Для регистрации обратно рассеянного излучения использовался идентичный фотоприемник PbS (ФД2), установленный на вращающемся столике на расстоянии г = 10 см от рассеивающей поверхности. Регистрация сигнала происходила на втором канале осциллографа. Вращения вокруг вертикальной и горизонтальной осей от 0 до 180о совершаются с точностью до 1о.
В работе была измерена зависимость интенсивности диффузно рассеянного излучения от телесного угла с шагом 30о по вертикали и горизонтали. Результаты измерений обратно рассеянного излучения систематизированы и приведены в таблице.
Таблица
Вид керамики Длина волны X, нм Щ В U(0) , мВ им , мВ
30° о О ю о О (N о о 30° о О ю о О (N о о
Керамика с глазурью 405 18,4 6 4 6 4 10 6 10 4
532 5 277,8 170 140 180 140 180 150 160 150
640 444,4 65 40 70 40 45 45 50 35
1 064 543,3 81 62 91 63 73 72 82 57
Керамика без глазури 405 18,4 6 4 4 4 8 6 6 6
532 5 277,8 160 100 160 110 180 170 170 150
640 444,4 65 30 60 30 60 40 65 55
1 064 543,3 83 42 79 47 87 58 92 83
В таблице приняты следующие обозначения: U0 - амплитуда электрического сигнала, полученного от ФД1, она эквивалентна интенсивности падающей на образец лазерного излучения, U(0), U(y) - амплитуда рассеянного от керамической поверхности электрического сигнала по горизонтальной и вертикальной осям, соответственно. Поскольку электрические сигналы эквивалентны
117
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
интенсивности лазерного излучения, интегральную интенсивность обратно рассеянного излучения можно вычислить согласно уравнению Эйнштейна
I = Io (n2 S/2X4L2)(As)2(1 + cos20), (1)
где As = (An) - наведенное лазерным излучением изменение показателя преломления среды; X - длина волны лазера; L - расстояние от рассеивающей поверхности до фотодетектора; I0 - интенсивность падающего излучения; 0 - телесный угол рассеяния; S - площадь светового пятна лазера.
При малой интенсивности лазерного излучения локальным изменением показателя преломления можно пренебречь [12, 15].
Согласно уравнению (1), был вычислен коэффициент обратно рассеянного диффузного излучения для четырех фиксированных лазерных длин волн (X1 = 0,405 мкм, X2 = 0,532 мкм, X 3 = 0,64 мкм, X4 = 1,064 мкм).
Анализ показал, что интегральная интенсивность диффузного рассеяния составляет приблизительно 98 % от падающего излучения. Это означает, что коэффициент ослабления света керамикой на глубине 1 мм, вычисленный согласно уравнению [13, 14]
a(X) = -(1/h) ln[I(X)/l0(X)(1 - Я)2], (2)
составляет ~2,02 см -1.
В формуле (2) h - толщина керамики; I0(X) и I(X) - интенсивности падающего и интегрально рассеянного лазерного излучения; R = [n(X) - 1] / [n(X) + 1] -френелевский коэффициент отражения; n(X) - показатель преломления на данной длине волны.
Заключение
Таким образом, в данной работе представлены результаты экспериментального исследования керамики CaF2 :Тш3+ оптическим методом. Установлено, что коэффициент обратного рассеяния для четырех фиксированных длин волн (X1 = 0,405мкм, Х2 = 0,532 мкм, X 3 = 0,64 мкм, Х4 = 1,064 мкм) составляет приблизительно 98 %. Выполненная оценка коэффициента ослабления света керамикой свидетельствует о том, что спектральные свойства лазерного излучателя из керамики CaF2: Тш3+ позволят повысить энергосъем лазерного излучения, а также эффективность преобразования энергии излучения лазера накачки в энергию излучения перестраиваемого лазера.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ikcsue A., Furusato I., Kamata K.J., Am.Ceram.Soc., 78, 225 (1995).
2. Kracht D., Frede M., Wilhelm R., Fallnich C., Opt. Express, 13, 6212, (2005).
3. Omatsu T., Nawata K., Sauder D., Minassian A., Damasen M. J., Opt. Express, 14, 8198 (2006).
118
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
4. Айрапетян В. С. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения // Вестник НГУ. Сер. Физика. - 2009. - № 3. -С. 20-24.
5. Кузнецов М. М., Носков М. Ф. Двухлучевой интерферометр повышенной чувствительности для регистрации сверхмалых подвижек тектонических плит // Известия Вузов. Горный журнал. - 2007. - № 4. - С. 58-61.
6. Скоков И. В., Носков М. Ф. Нелинейная фоторегистрация двухлучевых интерференционных картин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 1984. - № 1. - С. 32.
7. Айрапетян В. С., Бакуменко М. С., Губин С. Г. Методы обнаружения взрывчатых веществ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. - С. 170-177.
8. Антипов О. Л. Структурные, оптические и спектроскопические свойства новой керамики Lu2O3:Tm3+ и эффективная двухмикронная генерация лазера на ее основе // Квантовая электроника. - 2011. - Т. 41. - № 10. - С. 863-868.
9. Каминский А. А. Фононная спектроскопия структуры оксидных кристаллокерамик // Квантовая Электроника. - 2013. - Т. 43. - № 3. - С. 282.
10. Айрапетян В. С., Бутримов И. С., Комбаров М. С. Основные аспекты контроля параметров прицельной техники в ходе полигонных испытаний // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. - С. 178-183.
11. Айрапетян В. С., Широкова Т. А. Кольцевая схема параметрического генератора света // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т.2.- С. 110-115.
12. Ватник С. М., Осипов В. В., Ведин И. А., Курбатов П. Ф. Исследование генерационных характеристик лазерной керамики 1 % Nd:YAG // Квантовая электроника. - 2013. -Т. 43. - № 4. - С. 288.
13. Лазерная керамика из оксида иттраия, активированного неодимом / С. Н. Багаев и др. // Квантовая Электроника. - 2008. - Т. 38. - № 9. - С. 840.
14. Носков М. Ф. Повышение отношения сигнал/шум при создании высокочувствительных интерференционных детекторов гравитационных волн // Фундаментальные исследования. - 2007. - № 7. - С. 78.
15. Айрапетян В. С., Губин С. Г. Устройства для измерения скорости боеприпасов // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 1 (21). - С. 73-78.
Получено 24.07.2013
© В. С. Айрапетян, П. А. Береза, 2013
119
