用表面热透镜技术测量1315nm高反射硅镜弱吸收的研究

   对于COIL高反射硅镜薄膜来说,吸收损耗是个重要的影响因素,而且,薄膜的吸收损耗往往比相应的块状材料要高,受沉积工艺的影响较大,因此,把吸收控制在一个很低的水平是十分必要的,它可以有效地减少在激光辐照时产生的热形变,减少激光损伤的发生。

   制备该高反射镜薄膜的材料分别为TiO2和SiO2,它们在可见和近红外波段尤其是在1060nm~1315nm区间内,光学性质没有太大的变化,所以测量其在1060 nm波长的光吸收规律可以比较准确的反映1315nm处薄膜的吸收变化规律。

    测量弱吸收的方法有很多,在光热法中主要有两种:光热偏转技术和表面热透镜技术。光热偏转技术具有高的灵敏度[1,2],可达0.1×10-6[3],但因为探测光光束直径小(<100nm),调试比较困难,易受干扰,出现偏差较大。表面热透镜技术是一种近来比较流行的测量弱吸收的方法[4,5],它保持了灵敏度高的特性,而且由于探测光束直径(500nm)大于泵浦光束直径(100nm),易于操作,重复性好,抗干扰能力强,因而有巨大的应用潜力。

   1  测量原理及方法

    如图1所示。图1(a)为光热偏转技术示意图;图1(b)为表面热透镜技术示意图。其测试原理是:试样吸收时,将光能变成热,在试样内部及相邻媒质内产生温度梯度,进而形成折射率梯度,这样的一个折射率梯度将使通过其中的检测光束发生偏折或散焦,通过测量光束偏转的大小或散焦的程度,我们就可以测定试样的某些光学、热学或力学特性,前者称为光热偏转技术,后者称为表面热透镜技术。

   本文就是用表面热透镜技术来测量1315nm高反射硅镜的弱吸收的,泵浦光源是1060nm的YAG激光器,探测光源是氦氖激光器。实验装置如图2所示。

    测量方法:

    在一定的功率范围内,光热信号与样品所吸收的光能成正比。样品吸收的光能直接取决于泵浦光的能量或功率以及样品本身的吸收。从而我们可以通过定标的方法来得到被测样品的吸收。这有一个前提:样品本身是弱吸收的,即样品的几何厚度远远小于样品的光吸收长度,即光薄近似。

    在图2所示的实验装置上,首先放置定标样品(定标样品为大吸收的钼镜),用chopper固定泵浦光频率(560Hz),再调节泵浦光(YAG连续激光器,功率1.2W)和探测光(He-Ne连续激光器,功率30mW),使锁相放大器上的光热信号S为最大,并且位相角恒定,频率恒定,表明实验装置已经调好,进入正常工作状态。换下定标样品,放置被测样品,从锁相放大器上读取S即可。为保证准确性,读取5次,取平均值。本实验中的数据已经经过处理。