Курсовая работа: Применение автоматизированного адаптивного интерферометра для исследования наносмещений микрообъектов
Объектный и опорный световые пучки, интерференция которых создает голограмму, одновременно дифрагируют на ней так, что дифрагировавшая часть объектного пучка распространяется в направлении опорного пучка и наоборот. Благодаря основному принципу голографии волновой фронт дифрагировавшей части опорного пучка представляет точную копию недифрагировавшей части объектного пучка. То же остается справедливым для другой пары пучков в кристалле. В результате после кристалла в направлении каждого пучка мы имеем когерентное сложение двух интерферирующих световых пучков с абсолютно одинаковыми волновыми фронтами. Таким образом, проблема сопряжения волновых фронтов в интерферометре на основе голограммы (в том числе динамической) решается автоматически. Это позволяет в частности использовать волны со сколь угодно сложным волновым фронтом как в одном, так и в обоих плечах адаптивного интерферометра без снижения эффективности его работы.
1.3 Ортогональная геометрия взаимодействия световых волн в фоторефрактивном кристалле
Существует несколько схем записи голограмм в фоторефрактивном кресталле: пропускающая, отражательная и ортогональная [11]. Как было показано [12] в широком круге задач наиболее перспективной является ортогональная геометрия.
Схема ортогонального взаимодействия световых пучков в фоторефрактивном кристалле представлена на рис. 2.
Рис. 2 Схема ортогонального взаимодействия световых пучков в фоторефрактивном кристалле
S – объектная волна, R – опорная. Световые лучи приходят в фоторефрактивный кристалл под прямым углом, где формируют голографическую решетку, которая направлена к ним под углом 45º. Характер взаимодействия световых пучков определяет их взаимная ориентация по отношению к кристаллографическим осям. Эффективность взаимодействия волн в электрооптическом кристалле существенно зависит от ориентации электрического поля в кристалле, среза кристалла и ориентации голографической решетки относительно кристаллографических осей [12].
Рис. 3 Ортогональная схема записи голограммы в фоторефрактивном кристалле
При ориентации кристалла, как показано на рис. 3 взаимодействуют S-компоненты объектной и опорной волны, P-компоненты ортогональны и не взаимодействуют. Что делает измерительную систему поляризационно независимой. Благодаря этому в качестве объектной волны может использоваться излучение от диффузно-рассевающих объектов или излучение вышедшей из многомодового волоконного световода.
2. Экспериментальная часть
2.1 Экспериментальная установка
Для исследования колебаний микрообъектов была собранна экспериментальная установка на основе голографического принципа объединения волн, изображенная на рис. 4.
Рис.4 Схема экспериментальной установки. m1, m3, m4 – зеркала; m2 – светоделитель; L1, L2,L3 – собирающие линзы; λ/4 – четвертьволновая пластинка; ФРК – фоторефрактивный кристалл; D – электродинамический преобразователь; ФП – фотоприемник; MT –моторезированный двух-координатный транслятор
В качестве источника излучения использовался Nd:YAG-лазер с длиной волны 1064 нм. Лазерный пучок делился на объектный и опорный. Объектный пучок фокусировался и направлялся на исследуемый объект, закрепленный на калиброванный электродинамический преобразователь, с помощью которого осуществлялось передача колебаний исследуемому объекту. Вследствие колебаний образца, отраженное от него излучение было модулировано по фазе, которое затем собиралось линзой и направлялось в фоторефрактивный кристалл. Демодуляция фазы отраженной волны осуществлялась за ее взаимодействия с опорной волной на динамической голограмме формеруемой в кристалле CdTe. Интенсивность объектного пучка регистриловаллось с помощью фотоприемника. Сигнал которого через АЦП поступал в компьютер.
2.2 Исследуемые объекты
В качестве исследуемых объектов были выбраны вытянутые кварцевые световоды диаметром 15 мкм и 2 мкм без дополнительных отражающих покрытий. Отношение мощности отраженного от объекта излучения и излучения направляемого на объект не превышало 5%. Тем самым моделировалось исследование слабоотражающих и полупрозрачных объектов.
Рис. 5 Снимок исследуемого образца с диаметром 15 мкм
Рис. 6 Снимок исследуемого объекта с диаметром 2 мкм
Рис. 7 Снимок лазерного пучка отраженного от исследуемого объекта
Несмотря на сложную структуру отраженного от объекта пучка (рис. 8) , благодаря голографическому принципу объединения волн в кристалле, в данном интерферометре может быть выполнена его фазовая демодуляция.
2.3 Методика эксперимента
Объектный пучок фокусировался короткофокусной линзой L1 (рис. 4) на исследуемый объект (рис. 4). Поперечный диаметр объектного пучка в месте максимальной фокусировке составлял 50 мкм.
Исследуемый объект располагался рядом с реперным кварцевым волокном с диаметром 130 мкм на рамке, жестко связанной с электродинамическим преобразователем (рис. 8). В силу того что объекты имели малый размер для поиска и исследования образца использовалась двухкоординатная система линейного моторизированного перемещения Standa 8DCMC1.
Данная система позволила перемещать образец относительно объектного пучка с точностью до 14 нм.
Рис. 8 Взаимное расположение образца с диаметром 15 мкм и реперного кварцевого волокна
Управление отдельными нано-трансляторами системы моторизированного перемещения осуществлялось с помощью команд подаваемых с компьютера на контроллер. Для подачи команд и автоматизации управления было разработано и реализованно специализированное программное обеспечение «motor control for 8DCMC1», главное диалоговое окно которого представлено на рис. 8. (листинг файлов программы приведен в приложении)
Рис. 9 Главное диалоговое окно программы «motor control for 8DCMC1»
С помощью данной программы была осуществлена регистрация и синхронизация сигнала, подаваемого на АЦП, с передвижением нано-транслятора, что позволило правильно интерпретировать полученные результаты.
2.4 Экспериментальные результатыПеремещение образцов относительно объектного пучка осуществлялась от реперного кварцевого волокна к исследуемому образцу по направлению Х, как показано на рис. 8.
Экспериментально полученная зависимость амплитуды демодулированного сигнала от положения сканирующего пучка для двух образцов с диаметром 15 мкм и 2 мкм приведена на рис. 10. При этом амплитуда колебаний образца составляла 20 нм.
Рис. 10 Зависимости амплитуды сигнала от положения сканирующего пучка для образцов с диаметром 15 мкм и 2 мкм
Как видно из рис. 10 характер изменения сигнала демодуляции с расстоянием от реперного оптического волокна соответствует прямому оптическому измерению с помощью микроскопа (рис. 7), что подтверждает полученные результаты.
Заключение
Таким образом, в настоящей работе разработана и практически реализована система регистрации малых колебаний микрообъектов с помощью адаптивного интерферометра на основе динамических ортогональных голограмм, формируемых в фоторефрактивном кристалле. Показано что такая система позволяет регистрировать колебания объектов размерами 2 мкм. Создано программное обеспечение для управления нано-позиционерами.
С учетом того, что ортогональная геометрия формирования динамической голограммы в ФРК позволяет создавать поляризационно-независимые схемы адаптивных интерферометров, разработанная измерительная система может быть использована в том числе и для исследования сложных микро- и нано- объектов, взаимодействие излучения с которыми может приводить к полной его деполяризации.
Список литературы
1. B. Ilic, H. G. Craighead, S. Krylov, W. Senaratne, C. Ober, and P. Neuzil. Attogram detection using nanoelectromechanical oscillators // J. Appl. Phys. - 2004 –Vol.95.
2. M. Sato, B. E. Hubbard, L. Q. English, and A. J. Sievers, B. Ilic, D. A. Czaplewski and H. G. Craighead. Study of intrinsic localized vibrational modes in micromechanical oscillator arrays // CHAOS - 2003. –Vol. 13, No.2 – P.702-715.
3. L. Sekaric,a) M. Zalalutdinov, S. W. Turner, A. T. Zehnder, J. M. Parpia, and H. G. Craighead Nanomechanical resonant structures as tunable passive modulators of light // J. Appl. Phys. - 2002 –Vol.80.
