光热光偏转检测技术的分析介绍

试样在吸收了投射到它上面的能量后，会将全部或部分能量转化为热能，并在试样及其周围介质中产生温度梯度。由于物体的光学折射率是温度的函数，这样在试样的受热区及邻近该区域的介质的薄层内形成了折射率梯度。如果让一束小功率的光束透过试样内具有折射率梯度的区域时，则该光束较之折射率均匀时，便会产生偏转或散焦。同样，若有光束通过掠射达到试样表面时，则由于周围介质薄层内的折射率梯度，也将使光束偏转。通常，把测定光束偏转量的技术称为光热光偏转技术，把测定光束散焦程度的技术称为热透镜技术。通过对光束偏转大小或散焦程度的测量，就可以测定试样的某些光学、热学或力学特性。本技术具有很高的灵敏度，可以检测到10^-8量级的光吸收；同时，它们采用光加热和光检测，可以对高腐蚀性试样等进行非接触无损检测。

光热光偏转检测系统原理如图7.1-17所示。它通常采用两束光，一束是具有一定功率的泵光束，经调制器调制后照射在试样上，使试样加热；另一束是功率很小的检测光束，当它透过或掠过试样加热区表面时，由于热形成的折射率梯度，使它产生相应的偏转。通过一个光敏传感器检测出光束的偏转信号，就可以测定出试样的吸收谱、光吸收系数、热扩散系数或试样厚度等参数。光热光偏转检测又分为平行检测和垂直检测两类。前者称为透射技术，后者称为掠射技术。平行或垂直是相对于泵光束的方向而言的。

图7.1-17 光热光偏转检测系统原理图

为了得出光热光偏转信号即偏转角的表达式，首先用一个三层介质的理论模型。该模型为吸收介质在区域1，其厚度为l。区域0和2中的介质是不吸收光的，且在泵光束行进方向上是半无限大的。而且通常采用的泵光束和检测光束的直径均远小于试样的径向尺寸；在试验采用的频率下，试样的热扩散长度也远小于试样的径向尺寸。因此，设定这三个区域在径向上是无限大的。泵光束沿厚度l方向射在试样的表面上。经过对三层介质中的二维温度分布的计算及光在非均匀介质中的传播的考虑，得出检测光束在各区域内的偏转角φ_i为

式中 S——检测光束原传播方向；

n_i——各区域内介质的折射系数。

由式（7.1-12）可知，光热光偏转检测技术测定的是介质内垂直于光传播方向上的温度梯度。对于透射式与掠射式检测方式，其偏转信号φ分别表示如下：(www.xing528.com)

（1）透射方式φ₁₁（平行检测）

当试样的热扩散长度μ≤a_b时（a_b是泵光束的半径），检测光在r₀=a_b/2处入射，φ₁₁为最大（r₀为检测光离泵光束的距离）；当μ≥a_b时，在r₀≌a_b处入射，φ₁₁为最大。

（2）掠射方式φ⊥0（垂直检测）

显然，在掠射情况下，只要求区域的介质对泵光束和检测光束透明。因此，它不仅可用于对两光束都能透过的试样，也可用于对两光束都透不过的试样。然而在平行检测中，试样对检测光束是必须透明的。

在光热检测技术中，一般把热透镜技术作为一个独立的技术来对待。但是将它与光热光偏转效应相对照时，不难发现其实他们的机理是一样的。如果在光热光偏转的平行检测技术中，让检测光束与泵光束的光轴重合，显然这时检测光束光轴的偏转信号φ₁₁为零。但在光轴周围的光线以轴对称形式向外或向内偏转，这样必然造成检测光束半径的改变，其强度也随之发生变化。因此，由于光热光偏转效应使得检测光束在远场的半径及光强大小也发生了变化，这现象正是热透镜效应。由此可见，热透镜效应实质上就是光热光偏转效应中的一个特例。