利用光聲原理測量材料的熱光系數

林桐玉 孫寶印 吳舒彤 朱 墨 孫 原 楊俊義

蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇蘇州 215001

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

光聲功率探測器的響應靈敏度受波長變化的影響很小，可以測出光電探測器準確的相對光譜響應曲線，從而可解決光源功率對光電探測器光譜響應影響。光聲功率探測器比普通的光電熱釋探測器靈敏度要高，結合鎖相放大功能的采集器，可精確測量到μW級。可以非常容易獲得一個寬波段，特別是中遠紅外的光功率探測器。

熱光效應指材料的折射率會隨著溫度的增加而改變的這一性質，其在光電子方向有著廣泛的實際應用。熱光效應開關就是利用熱光效應制成的，其具有穩定性優良、尺寸較小容易集成、可以大規模生產等優點。另外還有一大批器件例如：熱光效應傳感器、可調耦合器、濾波器等都應用了熱光效應。

本文采用Z掃描技術研究了材料的熱光效應，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，利用熱光效應測量樣品的熱光系數。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

連續激光經過斬波器的周期性調制進入光聲池內部，光聲池內部的碳黑周期性吸收激光的能量，從而周期性被激光加熱。碳黑產生的熱能一部分在碳黑內部傳導，另外一部分則傳導到表面氣體處，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變成電信號，通過鎖相放大功能的數據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，產生的光聲信號和入射光強以及碳黑吸收系數成正比，由于碳黑的吸收系數接近于1，所以光聲信號可以寫為：

=·()

(1)

(1)式中為比例系數，()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 熱光效應的產生及測量原理

熱光效應是一種材料在溫度上升中引起的折射率變化的效應，一般情況下我們用材料的熱光系數來表征材料的熱光性質，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，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，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生影響。

由于折射率的變化主要由熱透鏡效應引起的，折射率變化為：

(2)

=4

(3)

其中是入射到樣品上的激光光強，為熱傳導率，為焦點處光斑的束腰半徑。

假設不含非線性吸收，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。

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)

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

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的半導體激光器，斬波器頻率為39HZ置于激光器后，選用黃銅材質光聲池，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

制作好光聲功率探測器后，需要借助現有的光功率計對光聲功率探測器定標，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即為光源功率，之后再將探頭拿開讀出鎖相放大功能數據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作為縱坐標(mV)，采集卡上的光聲信號數據作為橫坐標(mV)繪制定標曲線，如圖4所示。

圖4 光聲功率探測器定標曲線

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

2.3 熱光系數的測量

光源選用波長為655nm的半導體激光器放置于光學平臺上，激光經過擴束準直鏡后進入線偏振片，由于激光是一種線偏振光，選用線偏振片來調節激光的能量，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：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，根據定標曲線得到的功率值)，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

結語

本文利用光聲效應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，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，通過改變激光功率及溶液濃度獲得不同的實驗結果，通過對實驗數據擬合獲得水溶液的熱光系數為-1.05×10()，實驗結果與文獻報道結果相吻合，說明自制光聲功率探測器可適用于光功率的準確測量，該探測器可有效解決目前光功率計存在的問題，具有較大的應用潛力。