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)

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

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

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)

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

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