<激光杂志)2001年第22卷第6期LASERJOURNAL(V01.22.No.62001)45
一种精确计算光学材料吸收系数的方法
黄呈辉黄见洪张戈黄祥金沈鸿元
(中国科学院福建物质结构研究所,福建福州350002)
提要:本文推导了一种精确计算光学材料吸收系数的公式,运用这一公式计算一些光学材料的吸收系数,并对计算结果进行了讨论。
关键词:精确计算,吸收系数
Amethodforaceuratecalculationoftheabsorptioncoefficientsofopticalmalerials
HuangChenghui
HItangJianhong
刁aangGe
HuangXian毋in
乳月HOHl硝旭”
(F山ianIrⅨtitutcofRez妊trchOPtthe
Strtacture
ofMaqer,Chjr心eAcademyofScieoc髂,FujianRtzhou
350002)
Abst憎ct:Aformulafor
8.cctLratc
calculationofthcabsorptioncoefficientsoIogica[materialsisdeduced,theab.酆rptir.mcoefficientsof
some
opticalmatcrials
are
calculatedwi山thisformula.andtheealculatedresul☆rdl-ediscussed
Keywords:8.CCUI_atecaiculadcn.absorptioncoefficient
众所同知。不同的光学材料在不同光波长下会产翠和透过翠.并且Rl+Tl=R2+7
2=I
o
生不同程度的吸收,因此精确计算光学材料特定波长从第一面反射的量相加为第一面的总反射率,即
下的光学吸收系数,对深人研究光学材料的特性,提高如=Rl+R2T“2a/{T伸1R如4“}T{孵月{{6M一
相关器件设计的准确性及其性能都具有重要的意义。
=Ri*署叩2e-2一+罟郴扩“+署啪{,_。“
吸收系统的测量方法一般采用积分球测量¨o和激光量热法测量旺】,本文介绍的测量方法具有精度高、步吨一署+罟+罟一尚ez“+鲁*弼c““署科强wn
骤少等优点。1原理
Ⅻt一蔷+而翻
=Ri-RTt.+苦吣R№f‘“+口谢4-4。+R侧r““…)
12)
光通过某种抛光后均匀性良好的光学材料的透过同样方法求出从第二面反射的总反射率为
蛊
R2一,2
R:一鼋+而F吉面=巧(3)
孔=丁2e“=【l一(詈吾)‘卜“:(”
用同样方法求出从第一面和第二面透射的总透过率均
式中r为两个端面的透过率,”为材料折射率,l为材为
料二个抛光面间的距离,a为吸收系数。我们在测量抛光后且两个端面均未镀膜的硅单晶的透射光谱时发‰=器.(4)
现,远离吸收波段范围的1500nm波长处,其透过率为对于以小角度入射到抛光后未镀膜的光学材料片时,
53.277%。如果按硅单晶在这一波长的折射率n=R=(in可-1)2(”为材料折射率),丁.=n=l—R=了、
3.482计算,光一次通过硅单晶片,扣除两个端面的反则(4)式简化为
射损耗后的透过率为48.07%。这两个数值相差之大绝非测量仪器造成的,也不是我们所用的硅单晶与文‰=蔫
(5)
献给出的数据的差别引起的。究其原因,我们认为,当式中L“即为实际测量的透过率丁测。通过对(5)折射率较大的情况下,尽管测试时光是垂直入射到被式作适当变换后则可计算出被测光学材料的吸收系数测晶片的端面上,在晶片中光只是一束光,但晶片的两Ct。令F“=X,代人(5)式并展开后得到
个端面之间确实存在着多次反射,而每次反射的光最终都从第二个端面透出,形成了透射光。同样道理,在由上式可得:
第一个端面的反射光中,除了从第一个端面的直接反射光外,还包含着晶片两个端面的多次反射后,从第一n=一1n-T2+佩zRel/f(6)
Ⅻ2X2+ZzX‰=0
个端面透射的光,如图1所示。
图I中的Rl、R2、Tl、T2分别为二个端面的反射
-2001年5月10日收稿
万
方数据
46
《激光杂志)2001年第22卷第6期LASERJOURNAL(V01.22.No.6.2001)
从上式可以看出,只要将_酏l出的T删、折射啐和£
值代人(6)式,即可计算出吸收系数。。
当R2《l时,T二Ⅲ=re“
(7)个2
如果a=o时,则(5)式变为L“;i—!葡1W
(8)而(7)式变为丁二。f=T2
(9)
我们在a=0时,列出不同的折射率数值,用(9)和(8)式分别计算了单次透过率与在被测样品中多次反射后最终透过第二端面的总透过率。计算结果列于表
I中。
寰I不同折射率光学材料的单次透过章与在其内表面多次反射后透过第二端面的透过率
35
3554oF
o9663o92160790】o4705
04096o9666
0923l
079蚰
07535
05284
05220
04706
从表1中可咀看出,当,,<2时,这二个透过率计算值相差小于0.叭,一般情况下这是实验误差允许范围内。因此,当,?<2时,可以简巾应用公式T2=
蒸
圈l光入射被测样品在两个端面产生的反射和透射示意图
寰2
C向通光铌畦锂和硅单晶片
对应IOOOⅢn和t500m1波长的吸收系数
淤
铌酸锂(c向通光、长度230n批)
硅单晶片(厚度033TTIn)
口
%
x10
4口|1
1
rWⅢm1)
10000223633
074555l8575006820I583530
.tS090
o
74917I
7579
3482
O
53277100F335
3计算结果讨论
从上述计算结果可以得出结论如下:
①对均匀性良好即其散射损耗远小于吸收损耗的光学材料,只要测出该材料的折射率、透过率和二个抛光面间的距离』,则可利用这一计算方法算出其吸收系数。
②由于光学材料在不同波长下有不同的吸收,其折射率也不一样。因此测出特定波长下该材料的折射率、透过率和二个抛光面间的距离z,利用这方法可算出特定波长下的吸收系数。
③对于各向异性晶体,只要选择相应的人射偏振方向及通光方向,并测出其相应的透射率和二个抛光面问的距离z,将测得的数据和相关折射率数据代人计
万
方数据(1一(;爿)2]2计算。当n>3时,这二个透过率计
算值相差远超过实验误差允许范围。从图2中也可看
利用通用透过率计算公式忐计算。
出随着折射率的增大,它们的差值也变大。因此必须
个2
2计算实例
我们对c向通光、长度为23,0mm的铌酸锂晶体和厚度为033mm的硅单晶片用型号为PERKIN
EL肥R
UV/VIS/NIR—SPECTRAMETERLAMBDA
9000分光光度计在1000rim和[500mn的光波长下分别测出其透过率,将测得的透过率数据以及根据文献[5]给出的色散方程拟合所得的铌酸锂常光折射率n。与相关文献给出的硅单晶对应1000hm波长的折射率[4]和1500rmx波长的折射率[3]数据代人吸收系数计算公式(6)式则可算出吸收系数。讣算结果列于表2
甲。
。
、
、
、
、
芋
图2单次透过的透过率T★和考虑在材料中多次反射后的透过率TE与折射率的关系
算公式,即可算出该晶体不同通光方向的吸收系数。
④用此方法计算吸收系数的精确度取决于透过率和折射率的测量精度。为了保证透过率测量的精确度.要求被测光学材料的两个端面要有较高的光洁度和平面度。
⑤本文推导的吸收系数的计算公式.适用于各种光学材料吸收系数的精确计算,尤其对折射率较大的光学材料吸收系数的计算,精确度更好。
参考文献
[1]李硕中,卫国昌,杨仲学.吸收系数与大角散射系数的测
量激光与红外,1980.6:23
[2)黄呈辉,曾政东等.激光量热法测量KTP晶体吸收系数
的实验研究.』、工晶体.1989,】8(1):88
[3]WalterGDrlseollEditorHandbookoiOpticsmcgrawhill
‰k鲫1lpany.1978.7—102
[4]SFN种andHE]knnettAccuratenullpolarhnetrybr
measuringtherefractiveindexofmlnspa忡ntmaterkalsJOptSocAmA.1993,10(9):2076【5]DSSmltheandHDRic6usRclractivcindicesotLiml
umNiobateOpti嚣Communicaiorls,】976.17(3):332
作者简赍:黄里辉。男.50.高级【程师,从事激光技术和器件
的研究。
一种精确计算光学材料吸收系数的方法
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
黄呈辉, 黄见洪, 张戈, 黄祥金, 沈鸿元中国科学院福建物质结构研究所,福建福州,350002激光杂志
LASER JOURNAL2001,22(6)3次
参考文献(5条)
1. D S Smithe;H D Riccius Refractive indices of Lithium Niobate[外文期刊] 1976(03)
2. S F Nee;H E Bennett Accurate null polarimetry for measuring the refractive index of transparentmaterials 1993(09)
3. Walter G Driscoll Handbook of Optics 1978
4. 黄呈辉;曾政东 激光量热法测量KTP晶体吸收系数的实验研究[期刊论文]-人工晶体学报 1989(01)5. 李硕中;卫国昌;杨仲学 吸收系数与大角散射系数的测量 1980
引证文献(3条)
1. 吴海信. 陈林. 王振友. 黄飞. 倪友保. 毛明生 水平温梯冷凝法生长ZnGeP2单晶[期刊论文]-功能材料 2010(z1)2. 王庆艳 532nm激光泵浦紫翠宝石及温度特性的实验研究[学位论文]硕士 20053. 常国龙 紫翠宝石激光和增益开关技术实验研究[学位论文]硕士 2005
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jgzz200106016.aspx
<激光杂志)2001年第22卷第6期LASERJOURNAL(V01.22.No.62001)45
一种精确计算光学材料吸收系数的方法
黄呈辉黄见洪张戈黄祥金沈鸿元
(中国科学院福建物质结构研究所,福建福州350002)
提要:本文推导了一种精确计算光学材料吸收系数的公式,运用这一公式计算一些光学材料的吸收系数,并对计算结果进行了讨论。
关键词:精确计算,吸收系数
Amethodforaceuratecalculationoftheabsorptioncoefficientsofopticalmalerials
HuangChenghui
HItangJianhong
刁aangGe
HuangXian毋in
乳月HOHl硝旭”
(F山ianIrⅨtitutcofRez妊trchOPtthe
Strtacture
ofMaqer,Chjr心eAcademyofScieoc髂,FujianRtzhou
350002)
Abst憎ct:Aformulafor
8.cctLratc
calculationofthcabsorptioncoefficientsoIogica[materialsisdeduced,theab.酆rptir.mcoefficientsof
some
opticalmatcrials
are
calculatedwi山thisformula.andtheealculatedresul☆rdl-ediscussed
Keywords:8.CCUI_atecaiculadcn.absorptioncoefficient
众所同知。不同的光学材料在不同光波长下会产翠和透过翠.并且Rl+Tl=R2+7
2=I
o
生不同程度的吸收,因此精确计算光学材料特定波长从第一面反射的量相加为第一面的总反射率,即
下的光学吸收系数,对深人研究光学材料的特性,提高如=Rl+R2T“2a/{T伸1R如4“}T{孵月{{6M一
相关器件设计的准确性及其性能都具有重要的意义。
=Ri*署叩2e-2一+罟郴扩“+署啪{,_。“
吸收系统的测量方法一般采用积分球测量¨o和激光量热法测量旺】,本文介绍的测量方法具有精度高、步吨一署+罟+罟一尚ez“+鲁*弼c““署科强wn
骤少等优点。1原理
Ⅻt一蔷+而翻
=Ri-RTt.+苦吣R№f‘“+口谢4-4。+R侧r““…)
12)
光通过某种抛光后均匀性良好的光学材料的透过同样方法求出从第二面反射的总反射率为
蛊
R2一,2
R:一鼋+而F吉面=巧(3)
孔=丁2e“=【l一(詈吾)‘卜“:(”
用同样方法求出从第一面和第二面透射的总透过率均
式中r为两个端面的透过率,”为材料折射率,l为材为
料二个抛光面间的距离,a为吸收系数。我们在测量抛光后且两个端面均未镀膜的硅单晶的透射光谱时发‰=器.(4)
现,远离吸收波段范围的1500nm波长处,其透过率为对于以小角度入射到抛光后未镀膜的光学材料片时,
53.277%。如果按硅单晶在这一波长的折射率n=R=(in可-1)2(”为材料折射率),丁.=n=l—R=了、
3.482计算,光一次通过硅单晶片,扣除两个端面的反则(4)式简化为
射损耗后的透过率为48.07%。这两个数值相差之大绝非测量仪器造成的,也不是我们所用的硅单晶与文‰=蔫
(5)
献给出的数据的差别引起的。究其原因,我们认为,当式中L“即为实际测量的透过率丁测。通过对(5)折射率较大的情况下,尽管测试时光是垂直入射到被式作适当变换后则可计算出被测光学材料的吸收系数测晶片的端面上,在晶片中光只是一束光,但晶片的两Ct。令F“=X,代人(5)式并展开后得到
个端面之间确实存在着多次反射,而每次反射的光最终都从第二个端面透出,形成了透射光。同样道理,在由上式可得:
第一个端面的反射光中,除了从第一个端面的直接反射光外,还包含着晶片两个端面的多次反射后,从第一n=一1n-T2+佩zRel/f(6)
Ⅻ2X2+ZzX‰=0
个端面透射的光,如图1所示。
图I中的Rl、R2、Tl、T2分别为二个端面的反射
-2001年5月10日收稿
万
方数据
46
《激光杂志)2001年第22卷第6期LASERJOURNAL(V01.22.No.6.2001)
从上式可以看出,只要将_酏l出的T删、折射啐和£
值代人(6)式,即可计算出吸收系数。。
当R2《l时,T二Ⅲ=re“
(7)个2
如果a=o时,则(5)式变为L“;i—!葡1W
(8)而(7)式变为丁二。f=T2
(9)
我们在a=0时,列出不同的折射率数值,用(9)和(8)式分别计算了单次透过率与在被测样品中多次反射后最终透过第二端面的总透过率。计算结果列于表
I中。
寰I不同折射率光学材料的单次透过章与在其内表面多次反射后透过第二端面的透过率
35
3554oF
o9663o92160790】o4705
04096o9666
0923l
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07535
05284
05220
04706
从表1中可咀看出,当,,<2时,这二个透过率计算值相差小于0.叭,一般情况下这是实验误差允许范围内。因此,当,?<2时,可以简巾应用公式T2=
蒸
圈l光入射被测样品在两个端面产生的反射和透射示意图
寰2
C向通光铌畦锂和硅单晶片
对应IOOOⅢn和t500m1波长的吸收系数
淤
铌酸锂(c向通光、长度230n批)
硅单晶片(厚度033TTIn)
口
%
x10
4口|1
1
rWⅢm1)
10000223633
074555l8575006820I583530
.tS090
o
74917I
7579
3482
O
53277100F335
3计算结果讨论
从上述计算结果可以得出结论如下:
①对均匀性良好即其散射损耗远小于吸收损耗的光学材料,只要测出该材料的折射率、透过率和二个抛光面间的距离』,则可利用这一计算方法算出其吸收系数。
②由于光学材料在不同波长下有不同的吸收,其折射率也不一样。因此测出特定波长下该材料的折射率、透过率和二个抛光面间的距离z,利用这方法可算出特定波长下的吸收系数。
③对于各向异性晶体,只要选择相应的人射偏振方向及通光方向,并测出其相应的透射率和二个抛光面问的距离z,将测得的数据和相关折射率数据代人计
万
方数据(1一(;爿)2]2计算。当n>3时,这二个透过率计
算值相差远超过实验误差允许范围。从图2中也可看
利用通用透过率计算公式忐计算。
出随着折射率的增大,它们的差值也变大。因此必须
个2
2计算实例
我们对c向通光、长度为23,0mm的铌酸锂晶体和厚度为033mm的硅单晶片用型号为PERKIN
EL肥R
UV/VIS/NIR—SPECTRAMETERLAMBDA
9000分光光度计在1000rim和[500mn的光波长下分别测出其透过率,将测得的透过率数据以及根据文献[5]给出的色散方程拟合所得的铌酸锂常光折射率n。与相关文献给出的硅单晶对应1000hm波长的折射率[4]和1500rmx波长的折射率[3]数据代人吸收系数计算公式(6)式则可算出吸收系数。讣算结果列于表2
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。
、
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图2单次透过的透过率T★和考虑在材料中多次反射后的透过率TE与折射率的关系
算公式,即可算出该晶体不同通光方向的吸收系数。
④用此方法计算吸收系数的精确度取决于透过率和折射率的测量精度。为了保证透过率测量的精确度.要求被测光学材料的两个端面要有较高的光洁度和平面度。
⑤本文推导的吸收系数的计算公式.适用于各种光学材料吸收系数的精确计算,尤其对折射率较大的光学材料吸收系数的计算,精确度更好。
参考文献
[1]李硕中,卫国昌,杨仲学.吸收系数与大角散射系数的测
量激光与红外,1980.6:23
[2)黄呈辉,曾政东等.激光量热法测量KTP晶体吸收系数
的实验研究.』、工晶体.1989,】8(1):88
[3]WalterGDrlseollEditorHandbookoiOpticsmcgrawhill
‰k鲫1lpany.1978.7—102
[4]SFN种andHE]knnettAccuratenullpolarhnetrybr
measuringtherefractiveindexofmlnspa忡ntmaterkalsJOptSocAmA.1993,10(9):2076【5]DSSmltheandHDRic6usRclractivcindicesotLiml
umNiobateOpti嚣Communicaiorls,】976.17(3):332
作者简赍:黄里辉。男.50.高级【程师,从事激光技术和器件
的研究。
一种精确计算光学材料吸收系数的方法
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
黄呈辉, 黄见洪, 张戈, 黄祥金, 沈鸿元中国科学院福建物质结构研究所,福建福州,350002激光杂志
LASER JOURNAL2001,22(6)3次
参考文献(5条)
1. D S Smithe;H D Riccius Refractive indices of Lithium Niobate[外文期刊] 1976(03)
2. S F Nee;H E Bennett Accurate null polarimetry for measuring the refractive index of transparentmaterials 1993(09)
3. Walter G Driscoll Handbook of Optics 1978
4. 黄呈辉;曾政东 激光量热法测量KTP晶体吸收系数的实验研究[期刊论文]-人工晶体学报 1989(01)5. 李硕中;卫国昌;杨仲学 吸收系数与大角散射系数的测量 1980
引证文献(3条)
1. 吴海信. 陈林. 王振友. 黄飞. 倪友保. 毛明生 水平温梯冷凝法生长ZnGeP2单晶[期刊论文]-功能材料 2010(z1)2. 王庆艳 532nm激光泵浦紫翠宝石及温度特性的实验研究[学位论文]硕士 20053. 常国龙 紫翠宝石激光和增益开关技术实验研究[学位论文]硕士 2005
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jgzz200106016.aspx