ГОСТ Р 58563-2019 (ISO/TR 22588:2005) Оптика и фотоника. Лазеры и лазерное оборудование. Методы измерения поглощения оптическими компонентами

     3 Поглощение

3.1 Общая информация

Поглощение является фундаментальным свойством материала и непосредственно связано с его электронной структурой и длиной волны зондирующего излучения, а поглощение пропускающих излучение материалов - с шириной запрещенной зоны. Спектральное пропускание материала схематически представлено на рисунке 1. Точное расположение и интервал разных границ поглощения зависят от структуры материала, включая примеси. Если для оптических окон используют материалы, пропускающие излучение в видимой области спектра, коэффициент поглощения незначительный и слабо изменяется при повышении температуры. У материалов, пропускающих ультрафиолетовое или инфракрасное излучение, коэффициент поглощения значительный и его влияние учитывают. Кроме того, во многих, но не во всех случаях материалы, пропускающие инфракрасное излучение, являются полупроводниками и имеют нелинейное оптическое поглощение. Так, при низких или комнатных температурах такие материалы обладают слабой поглощающей способностью, но при повышенных температурах имеют порог термического разгона. При превышении пороговой температуры коэффициент поглощения резко возрастает, а пропускная способность окна снижается. Кроме того, любая нелинейность в зоне падающего пучка проявляется в эффекте линзы, которая может существенно изменять качество пучка.

1 - электронное поглощение; 2 - край фундаментального поглощения; 3 - прозрачная область; 4 - примесное поглощение; 5 - поглощение свободными носителями; 6 - поглощение на колебаниях кристаллической решетки

Рисунок 1 - Спектральное пропускание стандартных оптических материалов

В настоящее время большинство пропускающих оптических материалов окон являются однородными. Однако на поглощение в материалах могут оказывать сильное влияние примеси, локализованные и диффузионно распределенные в объеме материала. Причины возникновения поглощения можно разделить на ряд воздействий.

3.1.1 Объемное поглощение

Интенсивность волны будет изменяться по закону Бугера и вычисляться по формуле

,                                                                    (1)

где - интенсивность волны на входе в среду.

Объемное поглощение может быть постоянным или индуцируемым. Например, поглощение в видимой области может быть вызвано поглощением ультрафиолетового излучения, образующим центры окраски (захват электронов в вакансиях отрицательно заряженных ионов). Как правило, это происходит в галогенидах (хлорид натрия и калия), а также в лазерном кристалле Nd:YAG. Последний пример является причиной, по которой многие Nd:YAG-лазеры со временем постепенно теряют выходную мощность и в связи с чем целесообразно оснащать ламповый квантрон Nd:YAG-лазера ультрафиолетовым фильтром. В большинстве случаев центры окраски могут быть уничтожены соответствующей термической обработкой.

Поглощение является функцией как электронной структуры материала, так и длины волны излучения. Если энергия фотона достаточно велика для того, чтобы преодолеть запрещенную зону между валентной зоной и зоной проводимости, возникает однофотонное поглощение. Это в большей степени зависит от длины волны зондирующего излучения и не зависит от плотности энергии (закон Бера). Двухфотонное поглощение может возникнуть при одновременном поглощении двух фотонов и в том случае, если сумма энергий превышает ширину запрещенной зоны. Данный процесс является линейно зависимым от плотности энергии при постоянной длине импульса.

Многофотонное поглощение может возникнуть при одновременном поглощении фотонов и в том случае, если сумма энергии фотонов превышает ширину запрещенной зоны. Данный процесс становится более вероятным по мере уменьшения длины импульса, но при неизменности плотности суммарной энергии. Также существует промежуточная длина поглощения, где электроны, поднятые до уровней энергии внутри запрещенной зоны, могут поглощать затем второй фотон и, таким образом, населять зону проводимости [2]. На рисунке 2 показано сравнение поглощающих свойств образцов при излучении с длиной волны 248, 193 и 157 нм. Нижняя кривая (для излучения с длиной волны 248 нм) указывает на постоянное поглощение, свидетельствующее об отсутствии двух- или трехфотонного поглощения. Для излучения с длиной волны 193 нм имеет место сильное энергозависимое поглощение, указывающее на двухфотонное поглощение; для излучения с длиной волны 157 нм - только слабое двухфотонное поглощение, т.к. суммарная энергия двух фотонов превышает уровень вакуума. Однако линейное поглощение при излучении с длиной волны 157 нм приблизительно в три раза выше, чем при излучении с длиной волны 193 нм. Как видно на рисунке 2, на котором приведены данные, полученные для двух разных образцов, поглощение существенно зависит от образцов. Это подтверждается измерениями, результат которых представлен на рисунке 3 графиком зависимости нелинейного поглощения разных образцов относительно их линейного поглощения .

1 - образец A при излучении 193 нм; 2 - образец A при излучении 157 нм; 3 - образец B при излучении 157 нм; 4 - образец B при излучении 193 нм; 5 - образец при излучении 248 нм

Рисунок 2 - Сравнение коэффициента поглощения в зависимости от энергии импульса и длины волны для двух разных образцов