Измерительные устройства, основанные на дифракционных эффектах лазерных пучков

Басистый, Евгений Викторович

Измерительные устройства, основанные на дифракционных эффектах лазерных пучков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Басистый, Евгений Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Измерительные устройства, основанные на дифракционных эффектах лазерных пучков»

Автореферат диссертации на тему "Измерительные устройства, основанные на дифракционных эффектах лазерных пучков"

На правах рукописи

Басистый Евгений Викторович

Измерительные устройства, основанные на дифракционных эффектах лазерных пучков.

01.04.21-лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

2 2 МАЙ 2014

г. Москва - 2014 г.

005548622

Работа выполнена в Российском университете дружбы народов.

Научный руководитель:

Комоцкий Владислав Антонович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиофизики Российского университета дружбы народов

Официальные оппоненты:

Балакший Владимир Иванович, доктор физико-математических наук,

профессор, Московский государственный университет

им. М.В. Ломоносова, профессор кафедры физики колебаний

Ахмеджанов Ильдар Мигдатович, кандидат физико-математических наук, ст. научный сотрудник Института общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук

Ведущая организация:

НИИ радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ имени Н.Э. Баумана

Защита диссертации состоится «11» июня 2014 г. в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.130.05 при Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31, тел. 8(499)324-84-98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского ядерного университета МИФИ и на сайте http ://ods.mephi .ru/

Автореферат диссертации разослан «¿g» Cl/W&J-V 2014 г. Ученый секретарь диссертационного совета

д.ф.-м.п.

Стариков P.C.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования

В рамках диссертационной работы проведены исследования дифракции оптических пучков на оригинальных, специфических дифракционных структурах: на отражающей глубокой (с глубиной более длины волны зондирующего излучения) дифракционной решетке с прямоугольным профилем и на ступенчатой фазовой структуре (СФС). Детальное исследование свойств и особенностей дифракции лазерных пучков на таких структурах не было описано ранее в научной литературе. На основе проведенных теоретических и экспериментальных физических исследований этих объектов автором были предложены новые типы оптико-электронных устройств для измерения малых угловых колебаний и линейных перемещений, а также для построения новых типов модуляторов лазерных пучков. В результате проведенных физических исследований предложены новые схемы измерительных устройств, которые актуальны и будут полезны для практики.

К исследованию и разработке оптоэлектронных датчиков в последнее время проявлялся большой интерес. Новые возможности создания высокоэффективных малогабаритных конструкций появились с внедрением в практику высококачественных недорогих малогабаритных полупроводниковых лазеров, а также с широким применением волоконной оптики. Оптоэлектронные датчики имеют ряд достоинств. Оптические датчики малых перемещений и колебаний малочувствительны к влиянию электромагнитных и электростатических помех, имеют высокую чувствительность к перемещениям, способны детектировать линейные и угловые колебания с очень малыми амплитудами, порядка десятых и сотых долей нанометра (линейных перемещений) и сотых долей миллирадиана угловых перемещений и колебаний. С другой стороны, развитие современных технологий и техники научных экспериментов в различных областях требует совершенствования и разнообразия применяемых датчиков и средств измерений линейных и угловых перемещений и

колебаний. В частности, датчики малых линейных и угловых перемещений могут найти применение при построении различного типа следящих систем, устройств контроля технологических процессов, при конструировании измерительных приборов. С учётом всех этих обстоятельств направление и тема исследований данной диссертации являются актуальными.

В настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести теоретический анализ пространственного спектра дифрагированных волн, полученных в результате отражения лазерного пучка от глубокой дифракционной решётки. Проанализировать характер зависимости мощности дифракционных порядков в оптическом пучке, отражённом от глубокой решётки, от глубины рельефа и угла падения оптического пучка.

2. Исследовать экспериментально зависимости мощности дифракционных порядков в отражённом лазерном пучке от параметров решётки и угла падения - отражения. Сопоставить данные эксперимента с теорией.

3. Изготовить и исследовать экспериментально модели новых устройств -датчиков угловых колебаний на основе прямоугольных периодических дифракционных структур. Дать рекомендации по практическому применению разработанных новых типов датчиков.

4. Провести исследования взаимодействия сфокусированного лазерного пучка с ступенчатой фазовой структурой (СФС). Выполнить расчётный анализ распределения интенсивности излучения в пространственном спектре после взаимодействия сфокусированного лазерного пучка с СФС. Проанализировать эффекты, наблюдаемые при смешении ступенчатой фазовой структуры относительно центра перетяжки пучка в различных направлениях (вдоль оптической оси, поперек оптической оси пучка).

5. Провести экспериментальные исследования дифракции сфокусированного лазерного пучка на ступенчатых фазовых структурах, имеющих различные глубины, с целью проверки и подтверждения достоверности теоретических расчётов.

6. На основе выявленных закономерностей предложить методики для измерения малых угловых и линейных перемещений.

Научная новизна

1. Исследованы свойства пространственных спектров при дифракции лазерного пучка на прямоугольных периодических отражающих структурах с большой глубиной, порядка нескольких длин волн. Выявлены новые особенности поведения зависимостей интенсивностей в дифракционных порядках от угла падения лазерного пучка на дифракцион ную структуру.

2. Построены и исследованы экспериментально макеты датчика малых угловых перемещений и модулятора лазерного излучения нового типа, работа которых основана на исследованных автором эффектах изменения интенсивности лазерного излучения в нулевом порядке дифракции при изменении углов падения-отражения лазерного пучка от глубокой прямоугольной периодической структуры.

3. С применением Фурье-анализа исследованы основные свойства пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия со ступенчатой фазовой структурой. Впервые проведено расчётное моделирование поведения пространственного спектра при смещении СФС относительно центра перетяжки лазерного пучка. На основе компьютерного анализа сделан вывод о возможности применения этой оптической системы в качестве датчика малых перемещений.

4. Проведены экспериментальные исследования основных свойств пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия со ступенчатой фазовой структурой. Выявлены новые закономерности изменения интегральных мощностей в максимумах дифракционной картины при смещении образца СФС относительно центра перетяжки пучка. Получено хорошее согласование экспериментальных результатов с результатами расчётов.

5. На основании результатов проведенных физических исследований взаимодействия лазерного пучка с СФС предложено повое

устройство измерения малых угловых и линейных перемещений с чувствительным элементом в виде ступенчатой фазовой структуры. Собран макет устройства, показана его работоспособность и экспериментально измерены его характеристики. Новизна устройства подтверждена патентом на полезную модель.

Научная и практическая ценность

Выявлен ряд новых, ранее не исследованных закономерностей, наблюдаемых при дифракции оптического пучка на глубокой прямоугольной отражающей дифракционной структуре и на ступенчатой фазовой структуре. На основании проведённых физических исследований предложены новые схемы измерительных устройств: датчики угловых и линейных перемещений, а также модулятор лазерного излучения.

Полученные результаты могут найти применение при проведении научных экспериментов в научно-исследовательских центрах, а также при конструировании датчиков и модуляторов оптического излучения на предприятиях, производящих высокотехнологичную продукцию.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследований особенностей зависимости мощности от угла падения в дифракционных порядках при отражении лазерного пучка от глубоких периодических рельефных структур с прямоугольным профилем, глубина которых больше половины длины волны.

2. Результаты экспериментальных исследований свойств новых устройств на прямоугольных периодических структурах, а также рекомендации по их практическому применению.

3. Результаты расчётов формы пространственного спектра Гауссова пучка, полученного в результате его взаимодействия со ступенчатыми фазовыми структурами различной глубины, выполненные с применением Фурье-анализа и компьютерного моделирования.

4. Результаты экспериментальных исследований изменений распределения интенсивности в пространственном спектре после взаимодействия Гауссова пучка со ступенчатой фазовой структурой в

зависимости от положения СФС относительно центра фокусировки лазерного пучка.

5. Методика измерения малых угловых и линейных перемещений, основанная на эффектах, наблюдаемых при дифракции сфокусированного лазерного пучка на ступенчатой фазовой структуре. Степень достоверности результатов

Достоверность результатов теоретический исследований, проведённых в диссертации, подтверждена результатами экспериментов. Получено хорошее соответствие зависимостей полученных расчётным путём с результатами соответствующих экспериментальных измерений. При расчётах были использованы известные методы Фурье оптики и современные вычислительные средства и программное обеспечение. Достоверность экспериментов обеспечивалась тщательностью измерений и статистической обработкой результатов. Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих Всероссийских и международных конференциях:

• 52-я Научная конференция МФТИ, Москва, 2009 г.

• XIII Международная телекоммуникационная конференция студентов и молодых учёных «Молодёжь и наука». Москва, МИФИ. 2010 г.

• Научно-практическая конференция «Голография. Наука и практика», Москва, 2010 г.

• 53-я Научная конференция МФТИ, Москва, 2010 г.

• IX Научно-практическая конференция «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». Москва, РУДН, 2010 г.

• XLV1I Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, Москва, РУДН, 2011 г.

• Научно-практическая конференции «Голография. Наука и практика». Минск, 2011 г.

• I Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике, Москва. МИФИ, 2012 г.

• XLVIII Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, Москва, РУДН, 2012 г.

• 9-ая Международная научно-практическая конференция «ГОЛОЭКСПО-2012» «Голография. Наука и практика», Суздаль, 2012 г.

• II Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, МИФИ, 2013 г.

• IL Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, Москва, РУДН, 2013 г.

• 10-ая Международная научно-практическая конференция «ШЛОЭКСПО-2013» «Голография. Наука и практика», Москва, 2013 г.

• III Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, МИФИ, 2014 г.

• Диссертационная работа обсуждалась на научных семинарах кафедры радиофизики РУДН.

Вклад автора

Результаты исследований, изложенные в диссертации, получены автором лично. Проведен теоретический анализ, компьютерные расчёты и экспериментальные исследования распределения мощности в пространственных спектрах, наблюдающихся в результате взаимодействия лазерного пучка с глубокими прямоугольными периодическими структурами. Изготовлены и испытаны новые типы датчиков на прямоугольных периодических структурах, а также макет модулятора лазерного излучения.

Проведены теоретические исследования и компьютерные расчёты пространственного спектра, наблюдаемого после взаимодействия Гауссова пучка с СФС. Лично автором изготовлены образцы ступенчатых фазовых структур, собран стенд для экспериментального исследования

пространственного спектра, проведены эксперименты. Изготовлены модели датчиков малых угловых и линейных перемещений и проведены их испытания.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 20 научных работах, включая 1 патент на полезную модель с участием автора.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 100 наименований. Ее объем составляет 124 страницы. Диссертация содержит 63 рисунка, 5 таблиц и 1 приложение.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования; раскрыты научная новизна, практическая и теоретическая значимость работы. Сформулированы положения, выносимые на защиту и представлены сведения об апробации результатов.

В первой главе проведен обзор существующих оптических датчиков для измерения сверхмалых угловых и линейных перемещений, а также модуляторов и некоторых измерительных устройств, основанных на дифракционных эффектах. Проведенный обзор публикаций показал, что интерес к оптоэлектронным датчикам достаточно высок. Оптические датчики имеют ряд достоинств: они нечувствительны к паразитным магнитным полям и электростатическим помехам, имеют высокую чувствительность, некоторые конструкции достаточны просты и недороги. Оптические датчики в последнее время находят всё более широкое применение. Вместе с тем анализ материалов обзора показал, что в опубликованных работах отсутствуют исследования, которые проведены в рамках настоящей диссертации.

В первой части главы 2 изложены теоретические основы построения датчиков на периодических прямоугольных структурах.

В основе работы устройств, исследуемых в данной главе, лежат эффекты, которые наблюдаются при дифракции когерентной оптической

волны (лазерного пучка) на отражающей дифракционной решётке с прямоугольным профилем и с глубиной, превосходящей половину длины волны. Такие структуры имеют интересную особенность. Если подобную структуру зондировать лазерным оптическим пучком под различными углами падения, то с увеличением угла падения глубина пространственно-фазовой модуляции волнового фронта в отражённом пучке уменьшается. Если глубина рельефа составляет несколько длин волн, то при изменении угла падения в дифракционной картине отражённого оптического пучка наблюдается периодическое многократное изменение интенсивности нулевого и первого порядков от нуля до максимума.

В работе исследуемых датчиков используется зависимость нулевого порядка дифракции от угла падения на прямоугольную периодическую структуру, которая имеет вид:

Здесь Л — длина волны зондирующего лазерного излучения, А -глубина рельефа от выступа до впадины, 0 - угол падения зондирующего лазерного пучка на поверхность подложки с периодической структурой на ней, Рэфф - эффективная мощность лазерного излучения, отражённая от прямоугольной периодической структуры.

Графики зависимостей Р„(&), рассчитанные по формуле (1) при разных значениях глубины И , приведенные на рисунке 1 имеют осциллирующий характер. При расчетах принималось, что Р^ = \мВт . На зависимостях /;,(©) можно выделить линейные участки, на которых в

окрестности точек Т1, Т2, ТЗ и т.д. в определенном диапазоне углов реализуется режим линейного преобразования угловых смещений решетки в изменение мощности нулевого порядка дифракции.

Для подтверждения теоретических расчётов была проведена серия экспериментов по измерению зависимости /;,(0) для нескольких образцов

(1)

дифракционных решёток. На графике, изображённом на рисунке 1,

совместно с расчётными изображены экспериментальные зависимости.

Рисунок 1 -Совмещенные графики расчётной и эксперимента!! ьн ой зависимостей 1\(х) Оля разных значений глубины решетки И : а) /? = 1,74Л, б) И = 2,1ЗЛ ,

Совмещение вертикальных масштабов расчетных и экспериментальных кривых проводилось путем нормировки значений экспериментальных данных на величину измеренного выходного сигнала в первом максимуме зависимости выходного сигнала от угла падения. Как видно, экспериментальные зависимости хорошо согласуются с расчётными, по крайне мере в диапазоне углов до 60 градусов, что подтверждает достоверность проведённых расчётов.

Во второй части главы 2 рассмотрен разработанный в рамках данной диссертации новый оптоэлектронный датчик для измерения угловых колебаний. На рисунке 2 изображена схема предлагаемого устройства.

Рисунок 2 — Схема

оптоэлектронного датчика для измерения угловых колебаний

1) лазер,

2)исследуемый объект,

3) ось поворота,

4) подложка,

5) дифракционная решетка,

6)пространственны й фильтр,

7)линза,

8) фотодетектор

Основным отличительным элементом датчика является

отражательная дифракционная решетка (5) прямоугольного профиля с большой глубиной рельефа - порядка нескольких длин световой волны. Решётка располагается на исследуемом объекте (2). На решетку под начальным углом падения О направлен лазерный пучок. Начальный угол падения соответствует середине одного из линейных участков зависимости /¡,(®) (в точках Т1, Т2,ТЗ...). С помощью пространственного фильтра (6) в

лазерном пучке выделяем нулевой порядок дифракции и фокусируем его с помощью линзы (7) в область фотодетектора (8). При отклонении исследуемого объекта от первоначального положения в небольших пределах (в пределах линейного участка зависимости />(©)) выходной

сигнал с фотодетектора датчика пропорционален угловому смещению объекта.

проведена оценка чувствительности датчика. Реальную чувствительность датчика при отношении сигнала к шуму с/ш = 10 можно оценить величиной

порядка Д= 7-10^ рад .

Были проведены измерения вибраций на тестовых объектах и

Датчик обладает рядом достоинств:

• отсутствие переотражений лазерного пучка от различных плоскостей системы,

• высокая чувствительность,

• удобство и простота настройки.

малая масса и габариты блока-сенсора, (возможна конструкция датчика в тонко-плёночном исполнении)

Датчик может найти применение для исследования колебаний и

волн.

Третья часть главы 2 посвящена описанию нового модулятора

лазерного излучения. Схема модулятора приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Оптическая схема датчика колебаний и модулятора лазерного излучения

1) лазер,

2) платформа,

3) ось поворота,

4) подложка,

5) дифракционная решетка,

6) отражающая пленка,

7) электромеханический вибратор,

8) возвратная пружина,

9) пространственный фильтр, 10-11) регулируемый столик, 12) генератор

Процесс модуляции происходит следующим образом. Дифракционная решетка связана с электромеханическим вибратором, который изменяет угол ее наклона в некоторых пределах. Оптический пучок

направляем под некоторым углом падения, который соответствует середине одного из линейных участков зависимости .Ро(0). Если после этого произвести колебания платформы с решеткой в плоскости, параллельной штрихам решетки, то мощность нулевого порядка будет изменяться в соответствии с зависимостью /;,(©). При малых амплитудах колебаний платформы, когда рабочая точка находится на линейном участке зависимости /?,(©), модуляция является линейной. При испытании датчика пучок нулевого порядка направлялся на фотодетектор. Вибратор возбуждался гармоническим сигналом, амплитуду которого изменяли. На рисунке 4 приведен график зависимости амплитуды переменного напряжения на выходе фотодетектора от напряжения на входе электромеханического вибратора.

Рисунок 4 - Зависимость выходного напряжения на фотодетекторе от входного напряжения на электромагнитном вибраторе.

U„, В

Как видно из графика, в широком диапазоне модуляционная характеристика близка к линейной.

Модулятор этого типа может быть применен в различных диапазонах длин волн лазерного излучения, в частности для диапазона 10,6 мкм.

В третьей главе диссертации описаны результаты исследования явления дифракции сфокусированного лазерного пучка на ступенчатой фазовой структуре.

Проведен подробный теоретический анализ взаимодействия Гауссова пучка со ступенчатой фазовой структурой. Выявлены основные

свойства дифракционной картины, которая наблюдается в зоне Фраунгофера после прохождения сфокусированного Гауссова пучка через фазовые ступеньки различной глубины. Все расчётные данные впоследствии подтверждены экспериментально. Рассмотрена модель датчика, которая основана на выявленных эффектах.

В первой части третьей главы рассмотрены объекты, которые

являются ступенчатыми фазовыми структурами. Один из вариантов СФС, который представляет собой рельеф в виде ступеньки с высотой Н на подложке из прозрачного материала с показанием преломления ппоп,, изображен на рисунке 5.

Если излучение проходит сквозь подобную структуру, волновой фронт получает ступенчатую пространственную фазовую модуляцию (ПФМ)

Во второй части третьей главы методом Фурье - анализа вычисляется пространственный спектр, наблюдаемый в дальней зоне в результате взаимодействия сфокусированного Гауссова пучка со ступенчатой фазовой структурой. На рисунке 6 пунктирной линией изображён исходный Гауссов пучок, а сплошной - результат его взаимодействия с СФС, которая имеет величину фазового перепада 180 градусов. В результирующем пространственном спектре интенсивности наблюдаются два ярко выраженных максимума и провал по центру между ними.

Рисунок 5 —

Схема прохождения лучей через прозрачную пластину со ступенчатым рельефом.

iJ.TO

от

1ла

i,oo

0.90

0Ж1

Ф t КО градус«». Х'Л-'i Л> V

Рисунок б -Пространственный спектр интенсивности в зоне Фраунгофера при взаимодействии Гауссова пучка с СФС с величиной фазового перепада 180 градусов.

■0,03 -0,03 -0,02 -0,01 О 0,01 0,02 О.ОЗ 0,04

В третьей части третьей главы с помощью компьютерного моделирования анализируется взаимодействие Гауссова пучка с СФС различной глубины, а также СФС, смещённой относительно центра перетяжки пучка. Сформулированы основные свойства пространственного спектра волн после взаимодействия Гауссова пучка с СФС:

• в пространственном распределении интенсивности после дифракции Гауссова пучка на СФС наблюдается характерный провал и два максимума. Положение провала и высота максимумов зависят от величины фазового перепада.

• если СФС с величиной фазового перепада, равной 180 градусам, поместить в центр перетяжки Гауссова пучка, то на дифракционной картине наблюдается два ярко выраженных максимума равной величины и провал по центру между ними.

• если плоскость СФС смещена в продольном направлении относительно плоскости перетяжки, то при поперечном смещении СФС перпендикулярно оси Гауссова пучка, происходит изменение высот максимумов.

• при повороте СФС на 180 градусов относительно оси, параллельной направлению падения лазерного излучения, а также при перемещении СФС вдоль оптического пучка через фокальную плоскость, наблюдается обращение распределения амплитуд в пространственном спектре.

В четвертой части третьей главы изложены результаты экспериментальных исследований. Схема эксперимента изображена на рисунке 7. Лазерное излучение гелий-неонового лазера фокусировалось на СФС с помощью линзы. СФС помещалась в центр перетяжки лазерного пучка. Диаметр перетяжки фокального пятна 2ро составлял 180 мкм. После СФС, в зоне Фраунгофера, было установлено устройство для измерения распределения интенсивности лазерного излучения, которое состояло из фотоприёмника с диафрагмой на подвижной платформе с приводом от шагового двигателя. Шаг смещения платформы составлял 224 мкм, а длина сканирования составляла 20 мм.

Результаты проведённых экспериментов подтвердили выводы, сделанные в ходе расчётного анализа, что свидетельствует об их достоверности.

Перераспределение энергии между максимумами интенсивности в дифракционной картине при смещении СФС относительно центра перетяжки пучка в дальнейшем было использовано для построения модели датчика сверхмалых линейных и угловых смещений.

На рисунке 8 изображены результаты двух последовательных сканирований пространственного спеира интенсивности в зоне Фраунгофера при

Рисунок 7 -Схема

экспериментального стенда для исследования пространственного спектра интенсивности в зоне Фраунгофера.

а '

взаимодействии лазерного излучения полупроводникового лазерного модуля с образцом СФС с величиной фазового перепада 175 градусов. Кривая 1 (левый максимум больше правого) получена при первоначальном положении СФС, вблизи центра перетяжки сфокусированного лазерного пучка. Кривая 2 (правый максимум больше левого) получена при смещении СФС по оси Ох на 10 мкм. Интенсивность на ¡рафике нормирована на максимальное значение интенсивности в исходном пучке (в отсутствие ступеньки).

| 0.7

0.5

с 03 л

ё 0.2 I

5 0.1

£ 0

Об/изсть

левого

максимума

Область правого максимума

Рисунок 8 -Изменений формы

пространствен -ного спектра при смещении СФС по оси Ох.

6 8 ю 12 14 16 Смещение фотодетектора

18 20

При смещении СФС вдоль оси Ох относительно центра перетяжки пучка происходят перераспределение мощности лазерного излучения из одного максимума в другой. Эта особенность использована в дальнейшем для построения датчика малых перемещений, схема которого показана на рисунке 9. С помощью пространственных фильтров, выделим интегральные области максимумов в дифракционной картине, как это показано на рисунке 8. При смещении СФС в направлении Ох интегральная мощность лазерного излучения, прошедшая через каждый из пространственных фильтров, будет изменяться. Измеряя мощность излучения в каждом из максимумов и вычитая одно значение из другого, можно получить дифференциальную схему, чувствительную к смешению СФС относительно центра перетяжки сфокусированного пучка.

На схеме макета датчика, изображённого на рисунке 9, в качестве фотоприемников использовалась пара фотодиодов ВР\У34. Фотодиоды

имели квадратные площадки площадью 7,5 мм2. Зазор между фотодиодами составлял 1,5 мм.

с: >

Рисунок 9 -

Схема экспериментального стенда для оценки разрешающей способности методики измерения малых угловых и линейных перемещений.

"'Ц

во 2 60

На рисунке 10 представлен экспериментальный график зависимости

разности токов фотоприемников от сдвига СФС. На этой зависимости имеется

линейный участок длиной в 30 мкм, который можно использовать для измерения

линейных смешений СФС относительно перетяжки лазерного пучка.

Рисунок 10 -Зависимость величины разности тока

фотодиодов от сдвига СФС относительно ■8- " г . т центра лазерного пучка.

| -го

; -40 5

о -60

г -во

320 330 340 350 360 370 380 390 Смещение ступеньки, мкм

Для оценки разрешающей способности датчика было проведено сравнение крутизны линейного участка с величиной шумового тока фотодиодов. Крутизна на линейном участке составила 3,3 мкА на мкм. Измеренная

среднеквадратическая величина шумового тока составляла =2,810 мкА

(шумы измерялись в полосе 1 кГц). Отсюда следует, что чувствительность датчика составляет порядка десяти нанометров при отношении сигнал/шум равном десяти.

Заключение

В соответствии с поставленными в работе задачами были проведены исследования теоретической модели дифракции светового пучка на глубокой дифракционной решётке. Была проанализирована зависимость мощности нулевого и первого порядков дифракции от угла падения лазерного пучка на дифракционную решётку. Проведена серия экспериментов, в ходе которых наблюдалась мощность в нулевом порядке дифракции лазерного пучка, отражённого от прямоугольной периодической структуры. Данные, полученные в ходе экспериментов, хорошо согласуются с данными расчётного моделирования. Па основании проведённых физических исследований были предложены, изготовлены и исследованы новые конструкции устройств на прямоугольных периодических структурах. В качестве основных достоинств датчика малых угловых перемещений можно выделить простоту конструкции и довольно высокую чувствительность. На основе дифракционной решётки был построен новый тип модулятора лазерного излучения с электромеханическим приводом. В ходе испытаний модулятора когерентного излучения было установлено, что он может обеспечить линейную характеристику модуляции в определённом динамическом диапазоне, а также модуляцию с глубиной 100% в нелинейном режиме. Модулятор можно рекомендовать к применению также для аттенюации излучения мощных промышленных лазеров.

Проведённый в третьей главе расчётный анализ позволил выявить основные свойства пространственного спектра, наблюдаемого в результате взаимодействия Гауссова пучка со ступенчатой фазовой структурой. Выявленные свойства подтверждены экспериментально.

На основе зависимости интенсивности лазерного излучения в интегральных областях максимумов от положения СФС относительно центра перетяжки сфокусированного пучка, была предложена модель датчика малых угловых и линейных отклонений. Простота конструкции, высокая чувствительность

в сочетании со значительным диапазоном линейное™, являются достоинством данного типа датчика Следует отметить, что схема также чувствительна к смещению пучка относительно ступеньки. То есть данное устройство может служить датчиком малых отклонений лазерного пучка от первоначального положения. Используя этот физический эффект, можно построшъ вьюокочувствительные схемы детектирования угловых перемещений и колебаний зеркально отражающих объектов.

Результаты диссертации опубликованы в работах с участием

автора:

1. Комоцкий, В.А., Соколов, Ю.М., Алексеев, А.Н., Басистый, Е.В. Исследование оптоэлектронного датчика угловых перемещений на основе глубокой отражательной фазовой дифракционной решётки // Вестник РУДН. Серия «Математика. Информатика. Физика». М. Изд-во РУДН. 2009. Я«. 4. С.95-101.

2. Соколов, Ю.М., Басистый, Е.В. Метод измерения глубины рельефа периодических прямоугольных структур лазерным зондированием // Труды 52-й научной конференции МФТИ. Ч. V. Т. 1. М. 2009. С. 118-121.

3. Басистый, Е.В., Комоцкий. В.А., Соколов, Ю.М. О точности измерения глубины рельефа периодических прямоугольных решеток лазерным зондированием // Сборник трудов XIII Международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых учёных «Молодёжь и наука». Ч. 3. М. МИФИ. 2010. С. 95-96.

4. Комоцкий, В.А., Никулин, В.Ф., Басистый, Е.В. Пространственный спектр волн при дифракции оптического Гауссова пучка на ступенчатой фазовой структуре // Сборник трудов и официальные материалы научно-практической конференции «Голография. Наука и практика». М. 2010. С. 191-196.

5. Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А.. Никулин, В.Ф. Дифракция Гауссова пучка на ступенчатой фазовой структуре (СФС) // Труды 53-й научной конференции МФТИ. Ч. V. Т. 1. М. 2010. С. 211-212.

6. Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Корольков, В.И. Соколов, Ю.М. Исследование дифракции лазерного излучения на глубокой фазовой

отражательной решетке // Сборник трудов IX научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments». М. РУДН. 2010. С. 59-61.

7. Басистый, Е.В., Корольков, В.И. Экспериментальное исследование дифракции Гауссова пучка на ступенчатой фазовой структуре // XLVII Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники. М. РУДН. 2011. С. 40 -41.

8. Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Корольков, В.И., Никулин, В.Ф. Экспериментальное исследование дифракции лазерного пучка на ступенчатой фазовой структуре (СФС) // Сборник трудов и официальные материалы научно-практической конференции «Голография. Наука и практика», Минск. 2011. стр. 331-335.

9. Комоцкий, В.А., Соколов, Ю.М., Басистый, Е.В. Модулятор лазерного излучения дифракционного типа // Сборник трудов и официальные материалы научно-практической конференции «Голография. Наука и практика», Минск. 2011. С. 349-352.

Ю.Комоцкий, В.А.. Соколов, Ю.М., Басистый, Е. В. Метод измерения глубины периодических рельефных отражателей поверхностных акустических волн лазерным зондированием// Радиотехника и электроника. М. Изд-во Наука. 2011. Том 56. №. 2. С.243-248.

11.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А. Соколов, Ю.М. Модулятор когерентного излучения дифракционного типа // Сборник научных трудов всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М. МИФИ. 2012. С. 140141.

12.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Корольков, В.И. Эффекты, возникающие при дифракции лазерного пучка на ступенчатой фазовой структуре (СФС) // Сборник трудов и официальные материалы 9-ой международной научно-практической конференции «ГОЛОЭКСПО-2012» «Голография. Наука и практика». Суздаль. 2012. С. 331-335.

13.Комоцкий, В. А., Соколов, Ю. М., Басистый, Е. В. Модулятор лазерного излучения //Радиотехника и электроника. Т. 57. № 7. М. 2012. С. 243-248.

14.Басистый, Е.В., КомоцкмН, В. А., Корольков, В.И. Экспериментальное исследование дифракции Гауссова пучка на отражающей ступенчатой фазовой структуре (СФС) // XLVIII всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники. М. РУДН. 2012. С. 266 -269.

15.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Теоретический анализ дифракции Гауссова пучка на ступенчатой фазовой структуре (СФС) // Вестник РУДН. Серия «Математика. Информатика. Физика». М. 2013. С. 129-140.

16.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А. Детектирование малых угловых отклонений лазерного пучка // Сборник научных трудов II всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М. МИФИ. 2013. С. 34-35. 17-Басистый, Е.В. Исследование модели датчика линейных перемещений с чувствительным элементом в виде ступенчатой фазовой структуры (СФС) // IL всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники. М. РУДН. 2013. С. 196 -199.

18.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Корольков, В. И. Оптоэлектронное устройство для регистрации поверхностных волн и колебаний. Патент на полезную модель № 2012146577 от 10.05. 2013.

19.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Корольков. В.И. Моделирование датчика малых линейных перемещений с чувствительным элементом в виде ступенчатой фазовой структуры (СФС) // Сборник трудов и официальные материалы 10-ой международной научно-практической конференции «ГОЛОЭКСПО-2013» «Голография. Наука и практика». М. 2013. С. 333-335.

20.Басистый Е.В. Детектирование малых линейных перемещений с помощью ступенчатой фазовой структуры // Сборник научных трудов III всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М. МИФИ. 2014. С. 158159.

Подписано в печать 22.04.2014 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 150 экз. Заказ 421. Российский университет дружбы народов 115419, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3 Типография РУДН 115419, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3, тел. 952-04-41

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Басистый, Евгений Викторович, Москва

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На правах рукописи

04201455902

Басистый Евгений Викторович

Измерительные устройства, основанные на дифракционных эффектах

лазерных пучков.

01.04.21-лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Комоцкий В.Л.

г. Москва - 2014 г.

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ........................................................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1 ОБЗОР НАУЧНЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХМАЛЫХ УГЛОВЫХ И ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВ, ОСНОВАННЫХ НА ДИФРАКЦИОННЫХ ЭФФЕКТАХ..........................................................................................................................................................11

1.1 четырехквадрантный фотодетектор......................................................................................................12

1.2 Триангуляционные лазерные датчики..................................................................................................13

1.3 Растровые датчики......................................................................................................................................15

1.4 И нтерферометрические датчики............................................................................................................. 16

1.5 Датчики на ступенчатых фазовых структурах (СФС).........................................................................17

1.6 Устройства, основанные на дифракционных эффектах...................................................................19

ГЛАВА 2 УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ДИФРАКЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ОТРАЖАЮЩИХ СТРУКТУРАХ, ИМЕЮЩИХ БОЛЬШУЮ ГЛУБИНУ.......................................24

2.1 Теоретические основы построения да тчиков на периодических прямоугольных структурах ................................................................................................................................................................................25

2.1.1 Схема и теоретический анализ взаимодействия лазерного излучения с периодической отражающей рельефной структурой..........................................................................................................25

2.1.2 Экспериментальное исследование зависимости мощности в нулевом порядке дифракции от угла падения лазерного излучения на дифракционную решетку..............................................................35

2.2 Экспериментальное исследование макета оптоэлектронного да тчика угловых смещений, построенного на основе глубокой отража тельной фазовой дифракционной решетки.................39

2.2.1 Принцип построения и схема предлагаемого макета датчика угловых колебаний.....................39

2.2.2 Чувствительность датчика.................................................................................................................41

2.2.3 Основные результаты...........................................................................................................................43

2.3 Модулятор л а зерного излучения.............................................................................................................43

2.3.1 Схема и принцип работы модулятора.................................................................................................43

2.3.2 Модуляционная характеристика.........................................................................................................46

2.3.3 Экспериментальные испытания модели модулятора......................................................................47

2.4 Измерение глубины прямоугольных периодических структур......................................................50

2.4.3 Экспериментальные результаты проверки методики измерений глубины рельефа..................54

2.4.4 Основные результаты исследований методики измерения глубины дифракционных структур. ............................................................................................................................................................................57

2.5 Основные резуль та ты исследований предста вленных в глаbe 2....................................................57

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ДИФРАКЦИИ ГАУССОВА ПУЧКА НА СТУПЕНЧАТОЙ ФАЗОВОЙ СТРУКТУРЕ (СФС) И ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ......................................59

3.1 Способы формирования и величина ступенча того фазового перепада.......................................60

3.2 Расчёт пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия с СФС методом Фурье анализа.....................................................................................................................................................63

3.3 А нал из резуль ta tob численных ра счётов ра спределения интенсивности и ростра нственного спектра после взаимодействия Гауссова пучка с СФС...........................................................................67

3.3.1 Bud и основные особенности пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия с СФС....................................................................................................................................67

3.3.2 Изменение в пространственном спектре при повороте образца на 180 градусов......................68

3.3.3 Влияние сдвига СФС вдоль оси Oz на форму пространственного спектра.....................................69

3.3.4 Анализ изменения формы пространственного спектра Гауссова пучка в случае поперечного смещения СФС относительно оптической оси лазерного пучка в плоскости, перпендикулярной направлению падения лазерного излучения в направлении Ох...................................................................71

3.3.5 Основные свойства пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия с СФС выявленные в результате компьютерного моделирования.....................................................................77

3.4 Экспериментальные исследования........................................................................................................78

3.4.1 Экспериментально измеренные пространственные спектры Гауссова пучка после взаимодействия с СФС различной глубины..................................................................................................84

3.4.2 Изменение в пространственном спектре при повороте образца на 180 градусов......................88

3.4.3 Экспериментальное исследование и анализ изменения формы пространственного спектра Гауссова пучка в случае смещения СФС в плоскости, перпендикулярной направлению падения лазерного излучения........................................................................................................................................90

3.4.4 Экспериментальное исследование спектра интенсивности Гауссова пучка после отражения от СФС...............................................................................................................................................................93

3.4.5 Исследование модели датчика малых угловых и линейных отклонений с чувствительным элементом в виде ступенчатой фазовой структуры.............................................................................101

3.4.6 Исследование макета измерителя малых перемещений на основе полупроводникового лазера и СФС.................................................................................................................................................................103

3.5 Основные резуль та ты исследова ний пред ста вленных в гла be 3..................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................................................................107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................................................111

ПРИЛОЖЕНИЕ А - МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ СФС,

122

Введение

Актуальность темы исследования

линейных и угловых перемещений могут найти применение при построении различного типа следящих систем, устройств контроля технологических процессов, при конструировании измерительных приборов. С учётом всех этих обстоятельств направление и тема исследований данной диссертации являются актуальными.

В настоящей работе были поставлены следующие задачи:

2. Исследовать экспериментально зависимости мощности дифракционных порядков в отражённом лазерном пучке от параметров решётки и угла падения — отражения. Сопоставить данные эксперимента с теорией.

3. Изготовить и исследовать экспериментально модели новых устройств - датчиков угловых колебаний на основе прямоугольных периодических дифракционных структур. Дать рекомендации по практическому применению разработанных новых типов датчиков.

4. Провести исследования взаимодействия сфокусированного лазерного пучка с ступенчатой фазовой структурой (СФС). Выполнить расчётный анализ распределения интенсивности излучения в пространственном спектре после взаимодействия сфокусированного лазерного пучка с СФС. Проанализировать эффекты, наблюдаемые при смещении ступенчатой фазовой структуры относительно центра перетяжки пучка в различных направлениях (вдоль оптической оси, поперек оптической оси пучка).

Научная новизна

5. На основании результатов проведенных физических исследований взаимодействия лазерного пучка с СФС предложено новое устройство измерения малых угловых и линейных перемещений с чувствительным элементом в виде ступенчатой фазовой структуры. Собран макет устройства, показана его

работоспособность и экспериментально измерены его характеристики. Новизна устройства подтверждена патентом па полезную модель.

Научная и практическая ценность

Научные положения, выносимые на защиту

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих Всероссийских и международных конференциях: 52-я Научная конференция МФТИ, Москва, 2009 г.

• XIII Международная телекоммуникационная конференция студентов и молодых учёных «Молодёжь и наука», Москва, МИФИ, 2010 г.

• Научно-практическая конференция «Голография. Наука и практика», Москва, 2010 г.

• 53-я Научная конференция МФТИ, Москва, 2010 г.

• XLVII Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, Москва, РУДН, 2011 г.

• Научно-практическая конференции «Голография. Наука и практика», Минск, 2011 г.

• I Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, МИФИ, 2012 г.

XLVIII Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, Москва, РУДН, 2012 г.

9-ая Международная научно-практическая конференция «ГОЛОЭКСПО-2012» «Голография. Наука и практика», Суздаль, 2012 г.

• II Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, МИФИ, 2013 г.

10-ая Международная научно-практическая конференция «ГОЛОЭКСПО-2013» «Голография. Наука и практика», Москва, 2013 г.

• III Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, МИФИ, 2014 г.

• Диссертационная работа