利用光声原理测量材料的热光系数

林桐玉 孙宝印 吴舒彤 朱 墨 孙 原 杨俊义

苏州大学物理科学与技术学院 江苏苏州 215001

光声功率探测器应用了光声效应，将激光的光信号转变成可探测的声信号，非共振式光声池接收激光，光声池内部气体经过加热和斩波器的调制表现出周期性的起伏，安装在光声池上的微音器检测声信号并转换成电信号。由于光声信号与光源功率成正比，所以经过定标即可得到该光声功率探测器的定标曲线。光电探测器在军工、工业、国民经济中应用十分广泛，然而光电探测器的量子效率均与光源的波长有关，这就导致了光电探测器对不同波长有着不同的光谱响应。同样的，不同的光电探测器也会有不同的光谱响应。

光声功率探测器的响应灵敏度受波长变化的影响很小，可以测出光电探测器准确的相对光谱响应曲线，从而可解决光源功率对光电探测器光谱响应影响。光声功率探测器比普通的光电热释探测器灵敏度要高，结合锁相放大功能的采集器，可精确测量到μW级。可以非常容易获得一个宽波段，特别是中远红外的光功率探测器。

热光效应指材料的折射率会随着温度的增加而改变的这一性质，其在光电子方向有着广泛的实际应用。热光效应开关就是利用热光效应制成的，其具有稳定性优良、尺寸较小容易集成、可以大规模生产等优点。另外还有一大批器件例如：热光效应传感器、可调耦合器、滤波器等都应用了热光效应。

本文采用Z扫描技术研究了材料的热光效应，其中光功率探测器采用自制的光声光功率探测器，在移动平台上搭建Z扫描光路，选择硫酸铜水溶液作为待测样品，利用热光效应测量样品的热光系数。通过该实验，验证该光声功率探测器的有效性。

1 实验原理

1.1 光声功率探测器的原理及实现

连续激光经过斩波器的周期性调制进入光声池内部，光声池内部的碳黑周期性吸收激光的能量，从而周期性被激光加热。碳黑产生的热能一部分在碳黑内部传导，另外一部分则传导到表面气体处，气体吸收热能从而引起界面气体的周期性受热，从而产生周期性声压。我们利用安装在光声池上的微音器检测出声压信号并转变成电信号，通过锁相放大功能的数据采集卡上获得电压信号值。本文采用燃烧铅笔木屑制成碳黑，将吸收系数接近于1的碳黑放到光声池底部的金属基片上，如图1所示。

图1 碳黑金属基片

由Rosencwaig和Gersho理论可知，产生的光声信号和入射光强以及碳黑吸收系数成正比，由于碳黑的吸收系数接近于1，所以光声信号可以写为：

=·()

(1)

(1)式中为比例系数，()为光声池的入射光强度。由于光强度等于单位面积的光功率，所以碳黑的光声信号和光源的光功率成正比，我们只需要选用不同的光功率测出光声信号进行定标便可以得到灵敏度很高的光声功率探测器，如图2所示。

图2 光声功率探测器原理图

1.2 热光效应的产生及测量原理

热光效应是一种材料在温度上升中引起的折射率变化的效应，一般情况下我们用材料的热光系数来表征材料的热光性质，即，研究材料的折射率随温度的变化即可得出材料的热光特性。本文利用Z扫描方法测量硫酸铜水溶液的热光系数，进而验证自制光声功率检测器的有效性，如图3所示。

图3 热光系数Z扫描测量装置图

样品吸收高斯分布的激光能量形成热透镜效应，在焦点位置附近的激光是一种呈高斯分布的激光束，中心光最强，四周光强随距离增加而减弱，所以样品处于焦点位置附近时受热不均，所以温度分布不均匀，引起折射率的变化不均匀。这就导致了样品变成一个焦距变化的凹透镜，从而对到达光声功率检测器的光功率的大小产生影响。

由于折射率的变化主要由热透镜效应引起的，折射率变化为：

(2)

=4

(3)

其中是入射到样品上的激光光强，为热传导率，为焦点处光斑的束腰半径。

假设不含非线性吸收，样品接收的光强和相位变化方程为：

(4)

这里'是样品中的传播深度，为线性吸收系数。

通过空间上积分小孔平面处的光强(，)而得到小孔处透过功率：

(5)

其中为小孔半径。因为激光脉冲的时间变化，最终归一化的Z扫描透过率()可以由下式计算得到：

(6)

这里是样品内的输入功率，是小孔的线性透过率，代表线性范围内小孔处的光斑半径，为样品的线性透过率。通过数值模拟得出Z扫描理论曲线和样品热光系数。

2 实验及讨论

2.1 光声功率探测器的制作

光源选用波长为655nm的半导体激光器，斩波器频率为39HZ置于激光器后，选用黄铜材质光声池，光声池半径为5mm，长度为20mm。将制作好的碳黑置于光声池内部的金属基片上，采用驻极体微音器置于光声池上用来收集光声信号，该微音器灵敏度高，声音信号采集的稳定性好，微音器的灵敏度为50dB/mV量级左右。

2.2 光声功率探测器的定标

制作好光声功率探测器后，需要借助现有的光功率计对光声功率探测器定标，本实验采用的光功率计为美国相干公司的FieldMate+PS19功率测量组合。探头放到图3所示的样品处，光打在探头上，读出辅助光功率计的示数即为光源功率，之后再将探头拿开读出锁相放大功能数据采集卡上的光声信号。采用不同的光功率，将辅助功率计的读数作为纵坐标(mV)，采集卡上的光声信号数据作为横坐标(mV)绘制定标曲线，如图4所示。

图4 光声功率探测器定标曲线

图4中可以看出，光功率和光声信号成正比，比例常数约为0.88。图中在光声信号为2.5mV左右时我们发现光功率对应值在曲线下方小于2mV，原因是对于较低光功率来说，现有的光功率计测量误差较大(±0.4mV)，得出结果略低于理论结果。

2.3 热光系数的测量

光源选用波长为655nm的半导体激光器放置于光学平台上，激光经过扩束准直镜后进入线偏振片，由于激光是一种线偏振光，选用线偏振片来调节激光的能量，进而改变光功率的大小。按照图3所示搭建Z扫描光路，并将制作好的光声功率探测器置于平台上。厚度为2mm的比色皿中分别倒入30%和60%的硫酸铜水溶液。光路的参数：透镜焦距：f=300mm，束腰半径13μm，功率激光功率见图4(为光声功率计探测信号后，根据定标曲线得到的功率值)，小孔光阑的透过率为50%。

图5 线性透过率30%下选用不同激光功率Z扫描曲线图

图6 6.5mW激光功率下不同线性透过率Z扫描曲线图

结语

本文利用光声效应制作了一种灵敏度很高的光声功率探测器，对该光声功率计进行了定标，用于精确测量激光功率。利用该功率计搭建了Z扫描测量光路开展实验，研究了硫酸铜水溶液热光效应，通过改变激光功率及溶液浓度获得不同的实验结果，通过对实验数据拟合获得水溶液的热光系数为-1.05×10()，实验结果与文献报道结果相吻合，说明自制光声功率探测器可适用于光功率的准确测量，该探测器可有效解决目前光功率计存在的问题，具有较大的应用潜力。