Главная / Библиотека / Термические свойства оптических подложек

Термические свойства оптических подложек

Термические свойства оптических подложек

Коэффициент теплового расширения

Устойчивость оптических систем к температурным колебаниям различна и зависит от специального параметра – коэффициента теплового расширения. Кроме коэффициента теплового расширения часто указывается другая характеристика – зависимость коэффициента преломления вещества от температуры. Температурный фактор негативно отражается на фокусировке излучения и снижает точность производимых измерений. Теплоизолирующие механизмы в основном разрабатывают для приборов, предназначенных для работы в ИК диапазоне спектра.

Коэффициент теплового расширения – это, фактически, коэффициент пропорциональности в выражении, содержащем отношение приращения линейного размера или объема тела самого вещества, вызванного приращением температуры, к начальному размеру или объему. Выражение можно записать в виде:

1_20.png         (1)

 

где L – длина тела в начальном состоянии, ∆L – приращение длины, вызванное увеличением температуры, αL – коэффициент линейного теплового расширения, ∆T – приращение температуры. Иллюстрация процесса теплового расширения объема тела представлена на рис. 1.

thermal-properties-fig-1
Рисунок 1. Приращение температуры ∆T,  приводящее к изменению линейного размера материала ∆L

Повышение температуры тела принято связывать с ростом кинетической энергии молекул, составляющих вещество. Существуют исключения: например, вода, объем которой увеличивается не при нагревании, а при замораживании. Это объясняется тем, что коэффициент теплового расширения воды становится отрицательным при температуре ниже 3.983°C.

Коэффициент теплового расширения измеряется в единицах обратной температуры 1/˚C. При выборе оптических компонентов для какого-либо приложения важно учитывать этот параметр, так как нагрев оптики до слишком высоких температур может привести к необратимым деформациям и снизит общую точность. Так, например, увеличение диаметра линзы на 1 мм из-за тепловых эффектов приводит не только к появлению нежелательного отклонения пучка и децентрировки в оправе, но и может служить причиной трещин рабочего тела.

При производстве стараются как можно больше снизить коэффициент теплового расширения, чтобы изменение размеров при нагревании не привело к критическим последствиям.

Температурный коэффициент показателя преломления

Температурный коэффициент показателя преломления dn/dT показывает изменение коэффициента преломления вещества от температуры. Температурный коэффициент преломления большинства стекол, применяемых для работы в ИК области, отличается резкой «крутизной» графика, в отличие от стекол, предназначенных для работы в видимом диапазоне.

Плотность вещества практически во всех случаях обратно зависит от температуры, то есть с нагреванием снижается. Экспериментально показано, что коэффициент преломления зависит и от плотности вещества, а значит, можно утверждать об обратной зависимости показателя преломления от температуры.

Общее выражение для температурного коэффициента преломления может быть записано в виде:

2         (2) 

 

 

где T0 – температура нормальных условий (20℃), T – температура в ℃, T – приращение температуры относительно T0, λ – длина волны излучения, D0, D1, D2, E0, E1, и λTK – справочные коэффициенты вещества.

Для отражающей оптики температурный коэффициент преломления применяется редко, если только не вызывает заметных изменений в эффективности прибора, в частности отражающего покрытия. Гораздо более важен температурный коэффициент преломления для пропускающих оптических компонентов, от вида этой зависимости можно судить о чувствительности инструмента к температурным перепадам.

Поглощение высокомощного лазерного излучения, проходящего через оптическую поверхность, неизменно приводит к нагреванию. Температурный коэффициент преломления dn/dT показывает, как изменится производительность системы в зависимости от температуры (рис. 2).

thermal-properties-fig-2
Рисунок 2. Изменение показателя преломления оптического компонента (линзы), приводящее к сдвигу фокусного расстояния и изменяющее положение точки фокусировки

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности вещества k – физическая величина, показывающая способность вещества проводить тепло от более нагретых участков тела к менее нагретым (рис. 3), измеряется в Вт/м⋅К. Выражение коэффициента теплопроводности имеет вид:

3                     (3)

 

 

 

 

где Q – количество тепла, перенесенного за время t , A – площадь участка (среза), ΔT – температурная разница между двумя участками подложки, d – толщина.

thermal-properties-fig-3
Рисунок 3. Теплопроводность материала подложки k, определяющая способность вещества проводить тепло Q по данной толщине d

Высокая теплопроводность (например, у металлов) означает, что перенос тепла от участка к участку происходит с большей скоростью, чем у тел из пластика или стекла, у которых теплопроводность ниже.

Перенос лазерного излучения в оптических схемах происходит путем преобразования энергии излучения в тепловую, именно поэтому теплопроводность материалов имеет большое значение для сохранения теплового баланса в приложениях лазерной оптики. Низкоотражающие вещества, а также тела, проводящие только определенные длины волн, поглощают больше излучения и быстрее нагреваются – к этой категории относятся цветные стекла, поглощающие фильтры. Перегрев отдельных участков поверхности может привести к физическим повреждениям оптики. Не допустить повреждений помогут системы дополнительного охлаждения – множество из них создано под конкретные приборы и позволяют заметно упростить работу над экспериментом.

При проектировании схемы и подборе оптических компонентов, в частности – линз и подложек, необходимо учитывать влияние тепловых эффектов на параметры прибора по различным параметрам, описанным в этой статье, и точно соблюдать допустимые температурные диапазоны.

 

© Edmund Optics Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ

 

 

Новые статьи
Генерация векторных и вихревых пучков путем акустического возбуждения оптического волокна

В последние годы структурированные лазерные пучки привлекают все большее внимание. На сегодняшний день существует ряд методов для генерация подобных пучков в свободном пространстве, а также с использованием оптического волокна...

Измерение спектров солнечного света LightMachinery

За последние несколько лет LightMachinery представила новую серию спектрометров с перекрестной дисперсией. Устройства охватывают спектральный диапазон от 270 нм до 1675 нм, отдельные модели обладают рекордным разрешением 0.5 пм.

Генерация суперконтинуума в волокне CorActive

Источники излучения среднего ИК диапазона долгое время являются предметом интереса многих ученых. Это обусловлено обширным потенциалом применения этих источников в области молекулярных исследований. Один из видов источников ИК волн – суперконтинуум лазеры, сочетающие яркость волоконных лазеров со сверхшироким спектральным диапазоном излучения черного тела.

Как измерить мощность высокомощного лазера?

В процессе работы лазера во многих приложениях зачастую требуется контроль энергетических параметров излучения. Компания Thorlabs предлагает универсальный измеритель мощности лазерного излучения S322C на основе термодатчика, способный регистрировать сигналы мощностью от 100 мВт до 200 Вт в широком диапазоне длин волн от 250 нм до 11 мкм...

Компоненты фемтосекундных лазеров

Короткоимпульсные лазеры используются в приложении к различным методам спектроскопии, (в частности, времяразрешенной), точной обработки материалов. Современные разработки в этой области направлены на создание лазеров с высокой выходной мощностью.

Оптические столы в приложениях с высоким уровнем вибраций

Важной частью каждой оптической лаборатории является оптический стол. Оптический стол должен обладать достаточной жесткостью, амортизацией, плоскостностью, чистотой поверхности, равномерным коэффициентом теплового расширения. На оптической плите располагаются тщательно выверенные массивы резьбовых отверстий. Но самой важной характеристикой является то, что они обеспечивают высокую стабильность оптической системы.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2