Analyse thermooptischer Effekte zur Absorptionsmessung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Verfahren ""Photothermal common-path interferometry"" (PCI), das zur Messung kleiner Absorptionen in Gläsern und Kristallen eingesetzt wird. Es beruht auf der Selbstinterferenz eines Abfragestrahls, der zur Detektion einer thermischen Linse im Material genutzt wird. Bei der Untersuchung dieses Verfahrens werden drei Ziele verfolgt: Das erste Ziel ist die eingehende Untersuchung der Prozesse, die zum Entstehen einer thermischen Linse beitragen. Der in der bisherigen Theorie zum PCI-Verfahren vernachlässigte elastooptische Effekt, der durch die thermische Verspannung zur Brechungsindexänderung beiträgt, induziert selbst in isotropen Materialien eine optische Anisotropie. Dies wird theoretisch beschrieben und experimentell nachgewiesen. Die Folgen für Absorptionsmessungen werden dargestellt und weitergehende Effekte in anisotropen Materialien diskutiert. Das zweite Ziel sind Absorptionsmessungen mit PCI unter Verwendung einer durchstimmbaren Laserlichtquelle. Zu diesem Zweck wird ein selbstgebauter optisch-parametrischer Oszillator als Pumpquelle eingesetzt. Den Messungen wird eine Bestimmung der relevanten materialspezifischen Kalibrierungskonstanten vorangestellt. Dabei wird eine Kalibrierungsmethode präsentiert, die keine Referenzmessung benötigt. Sie bestimmt den Absorptionskoeffizienten direkt durch den exponentiellen Abfall des Pumplichts, beschrieben durch das Lambert-Beersche Gesetz. Anschließend werden zum ersten Mal Absorptionsspektren gezeigt, die mit dem PCI-Verfahren aufgenommen wurden. Das dritte Ziel ist der Vergleich mit anderen Messverfahren. Gerade in nichtlinear-optischen Kristallen ist die Zahl der Effekte, die sich auf Absorptionsmessungen auswirken können, groß. Da der Einfluss auf verschiedene Methoden unterschiedlich ist, kann dieser, sofern der Effekt signifikant zum Messsignal beiträgt, beim Vergleich identifiziert werden. Zudem bietet es eine Kontrolle, ob die verwandte Kalibrierung, die in der Regel bei hohen Absorptionen durchgeführt wird, auch bei niedrigen Absorptionen gültig ist. In dieser Arbeit werden die Absorptionsspektren desselben Kristalls aus Lithiumniobat gemessen mit PCI, einem photoakustischen Spektrometer und anhand der Lichtabschwächung in Flüstergalerieresonatoren verglichen und diskutiert.

In this work the technique ""Photothermal common-path interferometry"" (PCI) is studied, which measures small absorption coefficients in glasses and crystals. It is bases on the self-interference of a probe laser due to a thermal lens in the material caused by a high power pump laser. The research presented in this book attempts to attain three goals: Firstly, to analyze the processes contributing to the thermal lens: The elasto-optic effect leads even in isotropic material to birefringence. The impact on the results of a measurement is experimentally shown and theoretically described. Secondly, to measure absorption spectra using a tunable laser light source: In order to reach this goal an optical parametric oscillator is built and employed as a pump laser. This also allows a new way to calibrate samples without the use of a reference measurement. The absorption coefficient is determined by the attenuation of the pump light inside the sample, which follows the Beer-Lambert law. Thirdly, to compare measuring techniques: Especially in nonlinear optical crystals there are a number of effects, that can have an impact on the measurement. By comparing the results of different techniques perturbing effects can be identified. In this work the absorptions spectra of the same lithium niobate sample measured by PCI, a photoacoustic spectrometer and by means of the attenuation in whispering gallery resonators are compared and discussed.