Abstract

Thermal lens spectroscopy is a highly sensitive and versatile photothermal technique for material analysis, providing optical and thermal properties. To use less expensive multimode non-Gaussian lasers for quantitative analysis of low-absorption materials, this Letter presents a theoretical model for time-resolved mode-mismatched thermal lens spectroscopy induced by a cw laser with a top-hat profile. The temperature profile in a sample was calculated, and the intensity of the probe beam center at the detector plane was also derived using the Fresnel diffraction theory. Experimental validation was performed with glass samples, and the results were found well consistent with literature values of the thermo-optical properties of the samples.

© 2008 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. P. Gordon, R. C. C. Leite, R. S. Moore, S. P. S. Porto, and J. R. Whinnery, J. Appl. Phys. 36, 3 (1965).
    [CrossRef]
  2. R. D. Snook and R. D. Lowe, Analyst (Cambridge, U.K.) 120, 2051 (1995).
    [CrossRef]
  3. J. Shen, R. D. Lowe, and R. D. Snook, Chem. Phys. 165, 385 (1992).
    [CrossRef]
  4. S. E. Bialkowski, Photothermal Spectroscopy Methods for Chemical Analysis (Wiley, 1996).
  5. M. L. Baesso, J. Shen, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3732 (1994).
    [CrossRef]
  6. M. Franko and C. D. Tran, Rev. Sci. Instrum. 67, 1 (1996).
    [CrossRef]
  7. J. Shen, M. L. Baesso, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3738 (1994).
    [CrossRef]
  8. B. C. Li and E. Welsch, Appl. Opt. 38, 5241 (1999).
    [CrossRef]
  9. B. C. Li, S. Xiong, and Y. Zhang, Appl. Phys. B 80, 527 (2005).
    [CrossRef]
  10. H. S. Carslaw and J. C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids (Clarendon Press, 1959).
  11. E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
    [CrossRef]
  12. S. M. Lima, T. Catunda, R. Lebullenger, A. C. Hernandes, M. L. Baesso, A. C. Bento, and L. C. M. Miranda, Phys. Rev. B 60, 15173 (1999).
    [CrossRef]

2005

B. C. Li, S. Xiong, and Y. Zhang, Appl. Phys. B 80, 527 (2005).
[CrossRef]

2002

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

1999

S. M. Lima, T. Catunda, R. Lebullenger, A. C. Hernandes, M. L. Baesso, A. C. Bento, and L. C. M. Miranda, Phys. Rev. B 60, 15173 (1999).
[CrossRef]

B. C. Li and E. Welsch, Appl. Opt. 38, 5241 (1999).
[CrossRef]

1996

M. Franko and C. D. Tran, Rev. Sci. Instrum. 67, 1 (1996).
[CrossRef]

1995

R. D. Snook and R. D. Lowe, Analyst (Cambridge, U.K.) 120, 2051 (1995).
[CrossRef]

1994

M. L. Baesso, J. Shen, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3732 (1994).
[CrossRef]

J. Shen, M. L. Baesso, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3738 (1994).
[CrossRef]

1992

J. Shen, R. D. Lowe, and R. D. Snook, Chem. Phys. 165, 385 (1992).
[CrossRef]

1965

J. P. Gordon, R. C. C. Leite, R. S. Moore, S. P. S. Porto, and J. R. Whinnery, J. Appl. Phys. 36, 3 (1965).
[CrossRef]

Baesso, M. L.

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

S. M. Lima, T. Catunda, R. Lebullenger, A. C. Hernandes, M. L. Baesso, A. C. Bento, and L. C. M. Miranda, Phys. Rev. B 60, 15173 (1999).
[CrossRef]

M. L. Baesso, J. Shen, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3732 (1994).
[CrossRef]

J. Shen, M. L. Baesso, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3738 (1994).
[CrossRef]

Bento, A. C.

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

S. M. Lima, T. Catunda, R. Lebullenger, A. C. Hernandes, M. L. Baesso, A. C. Bento, and L. C. M. Miranda, Phys. Rev. B 60, 15173 (1999).
[CrossRef]

Bialkowski, S. E.

S. E. Bialkowski, Photothermal Spectroscopy Methods for Chemical Analysis (Wiley, 1996).

Carslaw, H. S.

H. S. Carslaw and J. C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids (Clarendon Press, 1959).

Catunda, T.

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

S. M. Lima, T. Catunda, R. Lebullenger, A. C. Hernandes, M. L. Baesso, A. C. Bento, and L. C. M. Miranda, Phys. Rev. B 60, 15173 (1999).
[CrossRef]

de Souza, D. F.

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

Franko, M.

M. Franko and C. D. Tran, Rev. Sci. Instrum. 67, 1 (1996).
[CrossRef]

Gordon, J. P.

J. P. Gordon, R. C. C. Leite, R. S. Moore, S. P. S. Porto, and J. R. Whinnery, J. Appl. Phys. 36, 3 (1965).
[CrossRef]

Hernandes, A. C.

S. M. Lima, T. Catunda, R. Lebullenger, A. C. Hernandes, M. L. Baesso, A. C. Bento, and L. C. M. Miranda, Phys. Rev. B 60, 15173 (1999).
[CrossRef]

Jaeger, J. C.

H. S. Carslaw and J. C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids (Clarendon Press, 1959).

Lebullenger, R.

S. M. Lima, T. Catunda, R. Lebullenger, A. C. Hernandes, M. L. Baesso, A. C. Bento, and L. C. M. Miranda, Phys. Rev. B 60, 15173 (1999).
[CrossRef]

Leite, R. C. C.

J. P. Gordon, R. C. C. Leite, R. S. Moore, S. P. S. Porto, and J. R. Whinnery, J. Appl. Phys. 36, 3 (1965).
[CrossRef]

Li, B. C.

B. C. Li, S. Xiong, and Y. Zhang, Appl. Phys. B 80, 527 (2005).
[CrossRef]

B. C. Li and E. Welsch, Appl. Opt. 38, 5241 (1999).
[CrossRef]

Lima, S. M.

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

S. M. Lima, T. Catunda, R. Lebullenger, A. C. Hernandes, M. L. Baesso, A. C. Bento, and L. C. M. Miranda, Phys. Rev. B 60, 15173 (1999).
[CrossRef]

Lowe, R. D.

R. D. Snook and R. D. Lowe, Analyst (Cambridge, U.K.) 120, 2051 (1995).
[CrossRef]

J. Shen, R. D. Lowe, and R. D. Snook, Chem. Phys. 165, 385 (1992).
[CrossRef]

Medina, A. N.

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

Miranda, L. C. M.

S. M. Lima, T. Catunda, R. Lebullenger, A. C. Hernandes, M. L. Baesso, A. C. Bento, and L. C. M. Miranda, Phys. Rev. B 60, 15173 (1999).
[CrossRef]

Moore, R. S.

J. P. Gordon, R. C. C. Leite, R. S. Moore, S. P. S. Porto, and J. R. Whinnery, J. Appl. Phys. 36, 3 (1965).
[CrossRef]

Nunes, L. A. O.

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

Oliveira, S. L.

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

Pelicon, E.

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

Porto, S. P. S.

J. P. Gordon, R. C. C. Leite, R. S. Moore, S. P. S. Porto, and J. R. Whinnery, J. Appl. Phys. 36, 3 (1965).
[CrossRef]

Rohling, J. H.

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

Sampaio, J. A.

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

Shen, J.

M. L. Baesso, J. Shen, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3732 (1994).
[CrossRef]

J. Shen, M. L. Baesso, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3738 (1994).
[CrossRef]

J. Shen, R. D. Lowe, and R. D. Snook, Chem. Phys. 165, 385 (1992).
[CrossRef]

Snook, R. D.

R. D. Snook and R. D. Lowe, Analyst (Cambridge, U.K.) 120, 2051 (1995).
[CrossRef]

M. L. Baesso, J. Shen, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3732 (1994).
[CrossRef]

J. Shen, M. L. Baesso, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3738 (1994).
[CrossRef]

J. Shen, R. D. Lowe, and R. D. Snook, Chem. Phys. 165, 385 (1992).
[CrossRef]

Tran, C. D.

M. Franko and C. D. Tran, Rev. Sci. Instrum. 67, 1 (1996).
[CrossRef]

Welsch, E.

Whinnery, J. R.

J. P. Gordon, R. C. C. Leite, R. S. Moore, S. P. S. Porto, and J. R. Whinnery, J. Appl. Phys. 36, 3 (1965).
[CrossRef]

Xiong, S.

B. C. Li, S. Xiong, and Y. Zhang, Appl. Phys. B 80, 527 (2005).
[CrossRef]

Zhang, Y.

B. C. Li, S. Xiong, and Y. Zhang, Appl. Phys. B 80, 527 (2005).
[CrossRef]

Analyst (Cambridge, U.K.)

R. D. Snook and R. D. Lowe, Analyst (Cambridge, U.K.) 120, 2051 (1995).
[CrossRef]

Appl. Opt.

Appl. Phys. B

B. C. Li, S. Xiong, and Y. Zhang, Appl. Phys. B 80, 527 (2005).
[CrossRef]

Chem. Phys.

J. Shen, R. D. Lowe, and R. D. Snook, Chem. Phys. 165, 385 (1992).
[CrossRef]

J. Appl. Phys.

M. L. Baesso, J. Shen, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3732 (1994).
[CrossRef]

J. P. Gordon, R. C. C. Leite, R. S. Moore, S. P. S. Porto, and J. R. Whinnery, J. Appl. Phys. 36, 3 (1965).
[CrossRef]

J. Shen, M. L. Baesso, and R. D. Snook, J. Appl. Phys. 75, 3738 (1994).
[CrossRef]

J. Non-Cryst. Solids

E. Pelicon, J. H. Rohling, A. N. Medina, A. C. Bento, M. L. Baesso, D. F. de Souza, S. L. Oliveira, J. A. Sampaio, S. M. Lima, L. A. O. Nunes, and T. Catunda, J. Non-Cryst. Solids 304, 244 (2002).
[CrossRef]

Phys. Rev. B

S. M. Lima, T. Catunda, R. Lebullenger, A. C. Hernandes, M. L. Baesso, A. C. Bento, and L. C. M. Miranda, Phys. Rev. B 60, 15173 (1999).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum.

M. Franko and C. D. Tran, Rev. Sci. Instrum. 67, 1 (1996).
[CrossRef]

Other

S. E. Bialkowski, Photothermal Spectroscopy Methods for Chemical Analysis (Wiley, 1996).

H. S. Carslaw and J. C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids (Clarendon Press, 1959).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (2)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic diagram of the time-resolved experimental apparatus. The excitation and probe beams were provided by a diode-pumped solid-state laser ( 532 nm ) and a He–Ne laser ( 632.8 nm ) , respectively. M i , L i , and P i stand for mirrors, lenses, and photodiodes, respectively.

Fig. 2
Fig. 2

Normalized TL signals I ( t ) I ( 0 ) for the LSCAS-2 (circles) and ZBLAN (squares) glass samples; solid lines, best curve fitting to the model. The inset shows fitted θ as a function of pump power, and the solid lines in the inset represent the best linear fit.

Tables (1)

Tables Icon

Table 1 Results of the Experimental Measurements

Equations (4)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

T ( r , t ) = 4 T 0 0 ( 1 e t α 2 ω 0 e 2 4 t c α 2 ω 0 e ) J 0 ( r α ) J 1 ( ω 0 e α ) d α ,
U ( Z 1 + Z 2 , t ) = C 0 exp [ ( 1 + i V ) g i Φ ( g , t ) ] d g ,
Φ ( g , t ) = θ 2 0 4 ( 1 e t α 2 ω 0 e 2 4 t c α 2 ω 0 e ) [ 1 J 0 ( m g α ) J 1 ( ω 0 e α ) ] d α ,
θ = P e A e l ( d s d T ) λ P k ϕ .

Metrics