Absorption coefficient determination of high-quality optics using laser calorimetry

Abstract

Optik elemanların soğurma katsayısının hassas bir şekilde belirlenmesi, çok sayıda yüksek kaliteli optik bileşen içeren entegre sistemlerin tasarımında hayati bir rol oynamaktadır. Bu nedenle, düşük güçlü bir lazer kullanılarak optik soğurma katsayısının ppm altı seviyeye kadar doğru ölçümlerinin sağlanması, yüksek kaliteli optik bileşenlerin üretiminde büyük öneme sahiptir. Şu anda bu ölçümler ISO 11551 serisi standartlar tarafından düzenlenen lazer kalorimetrik yöntemlere göre yapılmaktadır. Ancak son yıllarda ultra düşük optik soğurma katsayılarının diğer yöntemlerle, özellikle de fototermal ortak yol interferometrisi tabanlı yöntemlerle ölçümü öne çıkmaktadır. Bununla birlikte, bu yöntemlerin dolaylı doğası nedeniyle, mutlak kalibrasyon için hala referans malzemeler gerekmektedir. Bu çalışmada, ölçümleri hem vakum hem de atmosfer ortamında gerçekleştirebilen yeni bir lazer kalorimetre tasarlanmış, kurulmuş ve kullanılmıştır. Yüksek dereceli kaynaştırılmış silika ve BK-7® camları olmak üzere iki referans malzemenin soğurma katsayısı farklı lazer çıkış güçlerinde değerlendirilmiştir. Deney düzeneği 532 nm, 640 nm, 1070 nm tek modlu lazerler, termal olarak izole edilmiş kabin, vakum kabini, güç ölçer ve örnek geometrisinin ve termometre konumlarının isteğe göre değiştirilebildiği NTC sensörlerini içermektedir. Ölçüm sonuçları, farklı doğrusal olmayan fit yöntemleri uygulanarak analiz edilmiş ve ardından karşılaştırılmıştır. Ayrıca, aynı deneysel parametreler kullanılarak kaynaştırılmış silika ve BK-7® gövde malzemelerinin termal performansının hesaplanması için sonlu elemanlar yöntemine dayalı bir simülasyon uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar ayrıntılı olarak aktarılmış ve tartışılmıştır.Precise determination of the absorption coefficient of optical elements plays a vital role in the design of integrated systems which involves a huge number of high-quality optical components. For this reason, accurate measurements of the optical absorption coefficient down to sub-ppm level by employing a low power laser have a great importance in the production of the high-quality optical components. Currently these measurements are performed according to laser calorimetric methods, regulated by ISO 11551 series standards. However, measurements of ultra-low optical absorption coefficients with interferometric methods especially photo-thermal common-path interferometry have become prominent in the last years. Nevertheless, due to the indirect nature of these methods, reference materials are still required for the absolute calibration. In this study, a new laser calorimeter which can perform the measurements in both vacuum and atmospheric environments was designed, constructed, and employed. The absorption coefficient of two reference materials, namely high-grade Fused Silica and BK-7® glasses were assessed at different laser output powers. The experimental setup includes 532 nm, 640 nm, 1070 nm single mode lasers, thermally isolated chamber, vacuum chamber, power meter, and NTC sensors, where the sample geometry and thermometer positions can be varied by demand. The measurement results were analyzed by applying different non-linear fitting methods and compared. Additionally, a finite-element method-based simulation was applied for the calculations of the thermal performance of fused silica and BK-7® bulk materials, using the same experimental parameters. The obtained results are presented and discussed in detail.