利用光聲原理測量材料的熱光系數(shù)

林桐玉 孫寶印 吳舒彤 朱 墨 孫 原 楊俊義

蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇蘇州 215001

光聲功率探測器應(yīng)用了光聲效應(yīng)，將激光的光信號轉(zhuǎn)變成可探測的聲信號，非共振式光聲池接收激光，光聲池內(nèi)部氣體經(jīng)過加熱和斬波器的調(diào)制表現(xiàn)出周期性的起伏，安裝在光聲池上的微音器檢測聲信號并轉(zhuǎn)換成電信號。由于光聲信號與光源功率成正比，所以經(jīng)過定標(biāo)即可得到該光聲功率探測器的定標(biāo)曲線。光電探測器在軍工、工業(yè)、國民經(jīng)濟中應(yīng)用十分廣泛，然而光電探測器的量子效率均與光源的波長有關(guān)，這就導(dǎo)致了光電探測器對不同波長有著不同的光譜響應(yīng)。同樣的，不同的光電探測器也會有不同的光譜響應(yīng)。

光聲功率探測器的響應(yīng)靈敏度受波長變化的影響很小，可以測出光電探測器準(zhǔn)確的相對光譜響應(yīng)曲線，從而可解決光源功率對光電探測器光譜響應(yīng)影響。光聲功率探測器比普通的光電熱釋探測器靈敏度要高，結(jié)合鎖相放大功能的采集器，可精確測量到μW級?？梢苑浅Ｈ菀撰@得一個寬波段，特別是中遠紅外的光功率探測器。

熱光效應(yīng)指材料的折射率會隨著溫度的增加而改變的這一性質(zhì)，其在光電子方向有著廣泛的實際應(yīng)用。熱光效應(yīng)開關(guān)就是利用熱光效應(yīng)制成的，其具有穩(wěn)定性優(yōu)良、尺寸較小容易集成、可以大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。另外還有一大批器件例如：熱光效應(yīng)傳感器、可調(diào)耦合器、濾波器等都應(yīng)用了熱光效應(yīng)。

本文采用Z掃描技術(shù)研究了材料的熱光效應(yīng)，其中光功率探測器采用自制的光聲光功率探測器，在移動平臺上搭建Z掃描光路，選擇硫酸銅水溶液作為待測樣品，利用熱光效應(yīng)測量樣品的熱光系數(shù)。通過該實驗，驗證該光聲功率探測器的有效性。

1 實驗原理

1.1 光聲功率探測器的原理及實現(xiàn)

連續(xù)激光經(jīng)過斬波器的周期性調(diào)制進入光聲池內(nèi)部，光聲池內(nèi)部的碳黑周期性吸收激光的能量，從而周期性被激光加熱。碳黑產(chǎn)生的熱能一部分在碳黑內(nèi)部傳導(dǎo)，另外一部分則傳導(dǎo)到表面氣體處，氣體吸收熱能從而引起界面氣體的周期性受熱，從而產(chǎn)生周期性聲壓。我們利用安裝在光聲池上的微音器檢測出聲壓信號并轉(zhuǎn)變成電信號，通過鎖相放大功能的數(shù)據(jù)采集卡上獲得電壓信號值。本文采用燃燒鉛筆木屑制成碳黑，將吸收系數(shù)接近于1的碳黑放到光聲池底部的金屬基片上，如圖1所示。

圖1 碳黑金屬基片

由Rosencwaig和Gersho理論可知，產(chǎn)生的光聲信號和入射光強以及碳黑吸收系數(shù)成正比，由于碳黑的吸收系數(shù)接近于1，所以光聲信號可以寫為：

=·()

(1)

(1)式中為比例系數(shù)，()為光聲池的入射光強度。由于光強度等于單位面積的光功率，所以碳黑的光聲信號和光源的光功率成正比，我們只需要選用不同的光功率測出光聲信號進行定標(biāo)便可以得到靈敏度很高的光聲功率探測器，如圖2所示。

圖2 光聲功率探測器原理圖

1.2 熱光效應(yīng)的產(chǎn)生及測量原理

熱光效應(yīng)是一種材料在溫度上升中引起的折射率變化的效應(yīng)，一般情況下我們用材料的熱光系數(shù)來表征材料的熱光性質(zhì)，即，研究材料的折射率隨溫度的變化即可得出材料的熱光特性。本文利用Z掃描方法測量硫酸銅水溶液的熱光系數(shù)，進而驗證自制光聲功率檢測器的有效性，如圖3所示。

圖3 熱光系數(shù)Z掃描測量裝置圖

樣品吸收高斯分布的激光能量形成熱透鏡效應(yīng)，在焦點位置附近的激光是一種呈高斯分布的激光束，中心光最強，四周光強隨距離增加而減弱，所以樣品處于焦點位置附近時受熱不均，所以溫度分布不均勻，引起折射率的變化不均勻。這就導(dǎo)致了樣品變成一個焦距變化的凹透鏡，從而對到達光聲功率檢測器的光功率的大小產(chǎn)生影響。

由于折射率的變化主要由熱透鏡效應(yīng)引起的，折射率變化為：

(2)

=4

(3)

其中是入射到樣品上的激光光強，為熱傳導(dǎo)率，為焦點處光斑的束腰半徑。

假設(shè)不含非線性吸收，樣品接收的光強和相位變化方程為：

(4)

這里'是樣品中的傳播深度，為線性吸收系數(shù)。

通過空間上積分小孔平面處的光強(，)而得到小孔處透過功率：

(5)

其中為小孔半徑。因為激光脈沖的時間變化，最終歸一化的Z掃描透過率()可以由下式計算得到：

(6)

這里是樣品內(nèi)的輸入功率，是小孔的線性透過率，代表線性范圍內(nèi)小孔處的光斑半徑，為樣品的線性透過率。通過數(shù)值模擬得出Z掃描理論曲線和樣品熱光系數(shù)。

2 實驗及討論

2.1 光聲功率探測器的制作

光源選用波長為655nm的半導(dǎo)體激光器，斬波器頻率為39HZ置于激光器后，選用黃銅材質(zhì)光聲池，光聲池半徑為5mm，長度為20mm。將制作好的碳黑置于光聲池內(nèi)部的金屬基片上，采用駐極體微音器置于光聲池上用來收集光聲信號，該微音器靈敏度高，聲音信號采集的穩(wěn)定性好，微音器的靈敏度為50dB/mV量級左右。

2.2 光聲功率探測器的定標(biāo)

制作好光聲功率探測器后，需要借助現(xiàn)有的光功率計對光聲功率探測器定標(biāo)，本實驗采用的光功率計為美國相干公司的FieldMate+PS19功率測量組合。探頭放到圖3所示的樣品處，光打在探頭上，讀出輔助光功率計的示數(shù)即為光源功率，之后再將探頭拿開讀出鎖相放大功能數(shù)據(jù)采集卡上的光聲信號。采用不同的光功率，將輔助功率計的讀數(shù)作為縱坐標(biāo)(mV)，采集卡上的光聲信號數(shù)據(jù)作為橫坐標(biāo)(mV)繪制定標(biāo)曲線，如圖4所示。

圖4 光聲功率探測器定標(biāo)曲線

圖4中可以看出，光功率和光聲信號成正比，比例常數(shù)約為0.88。圖中在光聲信號為2.5mV左右時我們發(fā)現(xiàn)光功率對應(yīng)值在曲線下方小于2mV，原因是對于較低光功率來說，現(xiàn)有的光功率計測量誤差較大(±0.4mV)，得出結(jié)果略低于理論結(jié)果。

2.3 熱光系數(shù)的測量

光源選用波長為655nm的半導(dǎo)體激光器放置于光學(xué)平臺上，激光經(jīng)過擴束準(zhǔn)直鏡后進入線偏振片，由于激光是一種線偏振光，選用線偏振片來調(diào)節(jié)激光的能量，進而改變光功率的大小。按照圖3所示搭建Z掃描光路，并將制作好的光聲功率探測器置于平臺上。厚度為2mm的比色皿中分別倒入30%和60%的硫酸銅水溶液。光路的參數(shù)：透鏡焦距：f=300mm，束腰半徑13μm，功率激光功率見圖4(為光聲功率計探測信號后，根據(jù)定標(biāo)曲線得到的功率值)，小孔光闌的透過率為50%。

圖5 線性透過率30%下選用不同激光功率Z掃描曲線圖

圖6 6.5mW激光功率下不同線性透過率Z掃描曲線圖

結(jié)語

本文利用光聲效應(yīng)制作了一種靈敏度很高的光聲功率探測器，對該光聲功率計進行了定標(biāo)，用于精確測量激光功率。利用該功率計搭建了Z掃描測量光路開展實驗，研究了硫酸銅水溶液熱光效應(yīng)，通過改變激光功率及溶液濃度獲得不同的實驗結(jié)果，通過對實驗數(shù)據(jù)擬合獲得水溶液的熱光系數(shù)為-1.05×10()，實驗結(jié)果與文獻報道結(jié)果相吻合，說明自制光聲功率探測器可適用于光功率的準(zhǔn)確測量，該探測器可有效解決目前光功率計存在的問題，具有較大的應(yīng)用潛力。