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弱吸收检测方法3 A+ B. L# n5 r9 ]9 K1 s0 V
一般来说，由于光学薄膜的热吸收作用，薄膜及基底材料的热传导以及光0 Q6 p9 K. s7 y7 ]0 R8 w$ C
学元件周围空气介质热对流的共同作用，将会在薄膜及基底材料组成的光学元) {( _; x6 x4 p# o4 x& P8 Q, X
件内建立起随时间及空间变化的温度场分布，进而在薄膜光学元件上产生热畸
4 e: J) Q( x" p2 W" U! j变的时空分布，从而影响强激光系统光束传输的质量与稳定性，主要取决于 1)
, ~! I0 h g8 t7 J! v基底材料及周边空气层内温度场分布的不均匀性 (取决于入射激光的能量或功
1 O2 O8 m( R7 O) _3 {率分布、膜层内总的热吸收率及基底材料的质量密度、热容及热导率等);(2)4 { A+ ]8 z4 r! e. k) l
基底材料的热力学参数 (如热膨胀系数、热弹性模量、泊松比等);(3)周边空
7 c# ~% w, L5 f( n气介质折射率的温度分布系数等。因此，对激光辐照下光学薄膜内形成的温度
- j( c1 x6 c- \4 G场进行研究具有重要意义。光学薄膜内的温度场分布，是由以下三个相关联的; z' H, z6 Q9 C- k y9 T; J
过程形成的:薄膜光吸收引起激光的能量沉积，光能转化为热能引起温度升高，6 K7 O! X) t7 L# P! ~: f7 K
热传导过程形成薄膜内的温度场，光学薄膜内的温度场分布正是能量沉积和热3 b& B5 b9 w+ m- {: Z/ b
传导的发展平衡过程。
W" G) `) g7 k" h! T' L! `- [此外，强激光作用光学薄膜元件表面，由于光学薄膜元件的热吸收、热扩5 o3 E0 n8 ^ A; A
散必然导致薄膜元件内温升和产生热应力，而热熔融和热应力会导致元件的热8 d2 K" ~. e0 X
损伤。国内外有关光学元件损伤问题的研究，比较多见是在脉冲式强激光辐照
9 Q" o" B0 M5 M( |条件下的损伤方面理论及实验工作[1.14,1.157。而关于连续波强激光辐照条件下薄
l; {* K: f" ~- `9 ]% F t膜光学元件的热吸收、热畸变及热损伤问题[1.18,1.191还较少，对于环状高斯型连
8 W9 c/ h: P! f) Q" _, B& c续波强激光作用于光学薄膜元件的研究更少。环状光束或者环状高斯型光束在
i" t# f7 C- ]0 T# C& T3 Z3 v强激光技术的应用越来越广泛，引起人们的关注[1.47]。有限元法基本思想自从: U6 c, Q: j, Y2 m0 }
Courant在1943年工作的提出，在上世纪60年代以后，随着电子计算机的广泛, _' n9 L( T2 A& d3 G x) |
应用和发展，有限元法取得长足的进展[1.48]。几十年来，有限元法的应用己5 Z5 |5 T$ u8 n$ F4 i/ z5 n5 Z
由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、5 i, m# h7 E. m3 T; g4 S9 N) U1 Q
动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和
, @7 W4 \+ M6 X/ Z复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程1 h8 @3 L$ j- K. i
分析中的作用己从分析和校核扩展到优化设计并核计算机辅助设计技术相结
. |& P9 ? Z' y& A合。目前，有限元法已成为工程数值分析的有力工具，在固体力学和结构分析
$ `3 W/ A2 k. Y& ~' M+ _等领域已取得巨大进展，并在流体力学和传导热学等研究领域得到拓展[7.491
1 ~& c& G/ a0 \6 t) L1 [% N0 d2 t% X激光光热检测技术是近几年发展起来的一种测量手段，光学薄膜热弱吸收
" @9 |* o# B" N- R检测检测方法主要有以下几种:2 a$ f( [! R* A' @% g
(1)光热偏转技术[1.42]:通过测量由于折射率梯度和样品表面热弯曲引起的探5 i+ c5 [) ^7 N }6 V1 |4 z* P- C5 |
测光束的偏转来测定薄膜微弱吸收特性，它有三种不同的实验装置，见图1-1.; h' ~4 s% z! u: F
具有灵敏度高的突出优点，其主要缺点是由于是对吸收能量的直接测量，光热0 ]: N! Y# g/ g: b, F) U, I4 v
偏转信号在很大范围内与吸收的光功率是成线性关系，但对散射光很不灵敏。
1 @6 Y+ P: k4 k( e1 p0 G4 A T(2)光热辐射技术[[LSG-152]:通过红外热条纹相机对由于样品吸收光能导致温升7 K+ c( A4 @0 r! j1 K8 E Y
而引起的光能红外辐射进行探测，得到样品的吸收特性。激光光热辐射技术，
, |5 x# c, s* `1 w5 X在测量材料热扩散率的问题上，克服了光热技术中其他方法的两光束调节及数
# {3 [2 s- D* ~据处理环节多、误差大的缺点，具有实验简单，调节方便等特点[[154]( s2 h, Y. ^+ Y& `
(3)激光量热技术[1.54-1551:通过热电祸、热敏电阻或高灵敏热释电监测器直接
+ o9 y" c! s9 @: y测量样品的温升。优点是可绝对校准，所测温升值与一些物理量是直接对应;
3 h# T9 c( H; b# H0 w. V% N缺点是响应较慢，灵敏度较低。! v t) T1 t5 A* g. L
(4)光热干涉位移技术[156]:利用光学薄膜及其基底材料的热膨胀与周围环境
1 p, V7 G5 [0 E: y: k; p- c大气折射率随温度的变化所导致光程差的变化，引入He-N。光作为参考光，利
3 C3 ~1 m8 c# h用与非加热参考面的光程干涉原理，完成光学薄膜热吸收率的检测。灵敏度较
4 {4 r0 a S( F. G ]' _$ @6 K高，但装置较复杂。(5)光声光谱技术[[1.56,157]:包括压电光声检测技术和传: Z9 b& n# L2 k6 X
声器光声检测技术两种。
2 s0 D9 A1 Y: [4 r' |1 n$ |由于激光对样品的加热是随时间变化的，因此，时变的热胀冷缩必然产生时变) ~( g) M R7 m+ }9 _! {
的热应变和热应力，从而在样品内存在声波的激发和传播。若用一压电换能器5 F9 l$ I5 D) V; e2 D
直接与样品祸合，就可以检测到这种光声信号。通常，可以用传声器来检测这
$ ?+ P6 C: R$ `% b& g种光声信号，即所谓的压电光声检测。压电光声检测系统的优点是结构简单、
8 w' V1 J' v/ w2 V( h紧凑，而且灵敏度较高。此外，当样品因吸收辐射能而被加热时，通过热传导0 i) U" Q- W7 \. n( b* {
也使与样品相接触的相邻媒质 (通常是气体或液体)受到是变的加热，从而在
8 Z$ N, N! _( _* _% v9 A相邻媒质中也激发出声信号。通常，可利用传声器来检测这种光声信号，即传
2 N# t( i" p2 ?8 k6 f ^0 C声器检测。传声器检测系统不仅装置简单，易于准直光束，而且，可利用固体、6 h/ _& q4 A/ n7 N: y
液体和气体等各种样品的光声检测。(6)表面热透镜技术[IA1,1.44-1.46,1.581:
! ]) R/ J! G! k) t/ M& l是对光热偏转技术的改进。在反射式光热1 g/ K% W1 W- q3 Y( C. r8 P, G/ a; s
偏转技术的基础上，使用大光斑 (大于或等于泵浦光光斑大小)的探测光照射 Y7 y. X( J2 \& F/ ^! A- U
整个样品表面热包区域，表面热包将使探测光的反射波前产生畸变，如果将反
& e% u( v- [5 F, B( g& i1 r6 r射光线围绕样品表面做镜像反转，则反射光可看成是带有位相畸变的透射光，
/ j) J: e& F- u* o5 T( O# k于是，表面热包在虚拟光路中的作用如同一个 “透镜”。因此，称之为“表面热 Y" S9 W' P& L) g* w
透镜技术”。与光热偏转测量方法相比，由于表面热透镜技术采用了大光斑探测$ f4 I: R2 Z! g6 W/ _1 @
光，从而使系统更易于调整和优化，钡9量的可重复率也明显提高，并保持了光, u: L- w# ]3 [* ]
热偏转技术的灵敏度:光热偏转技术探测的是表面变形区域种某一点的斜率，
4 P1 g; M7 W, p, k! ~4 b$ F; o而表面热透镜技术通过使用CCD作为探测器或使用针孔光电探测器，可获得整 l) b, Y, r" m2 K; r
个表面变形区域的形状分布，通过对实验数据的数值拟合即可获得样品的光学、
3 S2 E6 w {' E, x热学以及机械性能，从而有效地减少光热探测技术中由于定标手段而引入的系$ |1 ], I2 Y7 B9 C
统误差。因此，在光学薄膜微弱吸收测量方面更具应用潜力。 |
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发表于 2007-4-6 02:58:11
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发表于 2010-8-5 17:29:00