Федеральное агентство по образованию
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНСТИТУТ ФИЗИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Кафедра физики атомов и молекул
ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АДАПТИВННОГОИНТЕРФЕРОМЕТРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОСМЕЩЕНИЙ МИКРООБЪЕКТОВ
Исполнитель
Студент группы 141б Ефимов Т.А.
Руководитель Ромашко Р.В.
Владивосток 2010г.
Содержание
Введение. 3
1. Теоретические основы… 5
1.1 Принципдействия адаптивного интерферометра. 5
1.2 Фоторефрактивныйэффект. 6
1.3 Ортогональнаягеометрия взаимодействия световых волн в фоторефрактивном кристалле. 9
2. Экспериментальная часть. 11
2.1Экспериментальная установка. 11
2.2. Исследуемые объекты… 12
2.3 Методикаэксперимента. 13
2.4 Экспериментальныерезультаты… 15
Заключение. 17
Список литературы… 18
Приложение. 20
Программа «motor control for 8DCMC1. 20
/>/>/>/>/>/>/> Введение
Регистрацияколебаний и смещений микрообъектов является важнейшей задачей при разработке,создании и применении различных осцилляторов, резонаторов, микро- и нано-электромеханических систем. Такие системы применяются в химии и биологии,служат датчиками физических величин, например, для измерения малых и сверхмалыхмасс [1-3].
Особенностьюисследования микрообъектов, микромеханических систем является то, что амплитудасобственных колебаний не превышает десятков нанометров, при этом сами объекты иизмерительная система в целом подвергаются неконтролируемым шумовымвоздействиям внешней среды.
Интерферометрическиеизмерительные системы являются наиболее чувствительными инструментами дляисследования широкого класса физических величин, в том числе параметровмеханических колебаний объектов. Вместе с тем высокая чувствительность любогоинтерферометра делает его в значительной степени подверженным влиянию внешнихфакторов (изменению температуры, давления, неконтролируемых деформаций,микросейсмических вибраций и пр.)
Дляисследования механических параметров микрообъектов в настоящей работе былприменен адаптивный интерферометр, основанный наиспользовании двухволнового взаимодействия в фоторефрактивных кристаллах [4]. Адаптивныеинтерферометры являются высокоэффективными системами измерения малых фазовыхизменений в условиях неконтролируемых воздействий окружающей среды. Под высокойэффективностью адаптивного интерферометра понимается высокая чувствительность ивысокая помехозащищенность, обеспечиваемые интерферометрическим принципомизмерения, голографическим принципом восстановления фронта световой волны(включая, сколь угодно сложные, например, спекловые) и адаптивными свойствамидинамической голограммы, используемой для объединения световых пучков [5].
Такимобразом, применение адаптивного интерферометра позволяет обеспечитьстабильность параметров измерительной системы, а так же, благодаря постояннойперезаписи динамической голограммы в фоторефрактивном кристалле, осуществить фильтрациюнизкочастотных шумов.
Цельюданной работы является разработка, практическая реализация и исследованиесистемы регистрации малых колебаний микрообъектов на основе адаптивногоинтерферометра.
/>/>/>/>/>/>/> 1. Теоретическиеосновы/> 1.1 Принцип действияадаптивного интерферометра
Отличиеадаптивного интерферометра от классического заключается в том, что в первомвместо обычного светоделительного элемента (куба или зеркала) используетсясреда, в которой постоянно записывается динамическая голограмма [5].
Формированиеголограммы происходит в фоторефрактивном кристалле непосредственно припопадании на него оптического излучения. Дополнительная обработка (проявление,фиксация и т.п.) не требуется. Таким же образом, при помощи света голограммаможет быть стерта. Свет вызывает внутри кристалла перераспределение зарядов, ив течение характерного времени (времени записи) устанавливается динамическоеравновесие между распределениями интенсивности записывающего света иэлектрического заряда. Если параметры световых волн, формирующих голограмму,изменяются быстро, за время меньше времени записи, то голограмма не успеваетследовать за ними. К «быстрым» здесь следует отнести изменения, вызванныевоздействием исследуемого объекта (или физической величины). Для таких измененийголограмма будет «заморожена» (аналог статической голограммы), что обеспечитпреобразование на ней световых волн и получение информации об объекте.
Впротивном случае, если параметры световых волн меняются медленно (за время,превышающее характерное время записи), что, как правило, характерно длябольшинства температурных влияний или, например, медленного накоплениямеханических напряжений в исследуемом объекте, то в кристалле запишется новаяголограмма, заменив старую. Как следствие, изменения параметров световых волн,а, следовательно, и отрицательное влияние внешних факторов на измерительнуюсистему будут компенсированы изменениями, произошедшими в голограмме. В этомзаключается общий принцип адаптивности измерительной системы на основе применениядинамических голограмм. Таким образом, динамическая голограмма является своегорода фильтром низких частот, что позволяет компенсировать влияние наинтерферометр любых медленно изменяющихся внешних воздействий. />1.2 Фоторефрактивный эффект
адаптивныйинтерферометр световая волна
Записьголограммы происходит в фоторефрактивном кристалле. В основе процесса записиголограммы лежит фоторефрактивный эффект (ФРЭ), заключающийся в изменениикоэффициента преломления среды под действием света. ФРЭ впервые был обнаружен вЛаборатории Бэлл в 1966 г. как нежелательное искажение оптического луча припрохождении через нелинейные электрооптические кристаллы LiNbO3 и LiTaO3 [6]. Было установлено, что вызванные светом измененияпоказателя преломления кристалла приводят к искажению фронта распространяющейсяв нем световой волны и, как следствие, ограничение использования этихматериалов в системах генерации второй гармоники или высокоскоростныхмодуляторах. Вскоре после открытия фоторефрактивного эффекта было обнаружено,что фоторефрактивный кристалл может быть возвращен в исходное состояниенагревом или равномерной засветкой. Таким образом, фоторефрактивный кристаллможет быть использован для записи и стирания в реальном времени голограмм,которые теперь могут стать динамическими. К настоящему времени фоторефрактивныйэффект обнаружен в большом количестве материалов: диэлектриках,полупроводниках, жидких кристаллах, органических полимерах [7-10].
Длявозникновения фоторефрактивного эффекта в некотором материале последний долженобладать фотопроводящими свойствами и быть электрооптическим. В простейшеймодели фоторефрактивного эффекта предполагается, что кристалл имеет носителизаряда одного типа – электроны – и примеси двух типов – доноры и акцепторы,энергетические уровни которых располагаются в запрещенной зоне, как показано нарисунке 1. Предполагается, что некоторые доноры и все акцепторы ионизированы. Вотсутствии светового излучения основным механизмом, пополняющим зонупроводимости электронами, является тепловое возбуждение. Динамическоеравновесие между теплогенерацией электронов и их обратной рекомбинациейопределяет концентрацию свободных электронов ne,которая в большинстве случаев является однородной по объему кристалла величинойили ее флуктуациями можно пренебречь.
/>
Рис 1. Модель фоторефрактивного эффекта. Электроны возбуждаются светом сдонорных уровней (D) в зону проводимости, где они диффундируют и дрейфуютв электрическом поле до тех пор, пока не будут захвачены акцепторами (А) илиионизированными донорами
Попаданиесветового излучения в фотопроводящий кристалл приводит к возникновению в немдополнительных (фотоиндуцированных) пар электронов и ионизированных доноров.Фотоиндуцированные электроны, диффундировавшие в слабоосвещенные области, захватываютсятам акцепторами. В то же время, ионизированные доноры не могут двигаться,являясь частью кристаллической решетки, что ведет к локальным нарушениямэлектронейтральности. Возникает так называемый пространственный заряд,плотность распределения которого неоднородна и повторяет интерференционноераспределение интенсивности света. Нескомпенсированный заряд приводит кпоявлению электрического поля />,называемого полем пространственного заряда. Под действием этого поля всесвободные электроны (как индуцированные светом, так и термически) начинаютдрейфовать, формируя электрический ток.
Всвою очередь, электрическое поле />,возникшее внутри фоторефрактивного кристалла, приводит к изменению егопоказателя преломления в силу наличия у него электрооптических свойств.
Объектныйи опорный световые пучки, интерференция которых создает голограмму,одновременно дифрагируют на ней так, что дифрагировавшая часть объектного пучкараспространяется в направлении опорного пучка и наоборот. Благодаря основномупринципу голографии волновой фронт дифрагировавшей части опорного пучка представляетточную копию недифрагировавшей части объектного пучка. То же остаетсясправедливым для другой пары пучков в кристалле. В результате после кристалла внаправлении каждого пучка мы имеем когерентное сложение двух интерферирующихсветовых пучков с абсолютно одинаковыми волновыми фронтами. Таким образом,проблема сопряжения волновых фронтов в интерферометре на основе голограммы (втом числе динамической) решается автоматически. Это позволяет в частностииспользовать волны со сколь угодно сложным волновым фронтом как в одном, так ив обоих плечах адаптивного интерферометра без снижения эффективности егоработы.
/> 1.3 Ортогональнаягеометрия взаимодействия световых волн в фоторефрактивном кристалле
Существуетнесколько схем записи голограмм в фоторефрактивном кресталле: пропускающая,отражательная и ортогональная [11]. Как было показано [12] в широком кругезадач наиболее перспективной является ортогональная геометрия.
Схемаортогонального взаимодействия световых пучков в фоторефрактивном кристаллепредставлена на рис. 2.
/>
Рис. 2 Схема ортогонального взаимодействия световых пучков вфоторефрактивном кристалле
S – объектнаяволна, R – опорная. Световые лучи приходят в фоторефрактивныйкристалл под прямым углом, где формируют голографическую решетку, котораянаправлена к ним под углом 45º. Характер взаимодействия световых пучковопределяет их взаимная ориентация по отношению к кристаллографическим осям.Эффективность взаимодействия волн в электрооптическом кристалле существеннозависит от ориентации электрического поля в кристалле, среза кристалла иориентации голографической решетки относительно кристаллографических осей [12].
/>
Рис. 3 Ортогональная схема записи голограммы в фоторефрактивном кристалле
Приориентации кристалла, как показано на рис. 3 взаимодействуют S-компонентыобъектной и опорной волны, P-компоненты ортогональны и не взаимодействуют. Чтоделает измерительную систему поляризационно независимой. Благодаря этому вкачестве объектной волны может использоваться излучение от диффузно-рассевающихобъектов или излучение вышедшей из многомодового волоконного световода.
2.Экспериментальная часть 2.1Экспериментальная установка
Дляисследования колебаний микрообъектов была собранна экспериментальная установкана 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– электродинамическийпреобразователь; ФП – фотоприемник; MT–моторезированный двух-координатный транслятор
Вкачестве источника излучения использовался Nd:YAG-лазерс длиной волны 1064 нм. Лазерный пучок делился на объектный и опорный.Объектный пучок фокусировался и направлялся на исследуемый объект, закрепленныйна калиброванный электродинамический преобразователь, с помощью которогоосуществлялось передача колебаний исследуемому объекту. Вследствие колебанийобразца, отраженное от него излучение было модулировано по фазе, которое затемсобиралось линзой и направлялось в фоторефрактивный кристалл. Демодуляция фазыотраженной волны осуществлялась за ее взаимодействия с опорной волной надинамической голограмме формеруемой в кристалле CdTe.Интенсивность объектного пучка регистриловаллось с помощью фотоприемника. Сигналкоторого через АЦП поступал в компьютер. 2.2 Исследуемыеобъекты
Вкачестве исследуемых объектов были выбраны вытянутые кварцевые световоды диаметром15 мкм и 2 мкм без дополнительных отражающих покрытий. Отношениемощности отраженного от объекта излучения и излучения направляемого на объектне превышало 5%. Тем самым моделировалось исследование слабоотражающих иполупрозрачных 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
Несмотряна сложную структуру отраженного от объекта пучка (рис. 8), благодаряголографическому принципу объединения волн в кристалле, в данном интерферометреможет быть выполнена его фазовая демодуляция. 2.3 Методикаэксперимента
Объектныйпучок фокусировался короткофокусной линзой L1 (рис. 4) на исследуемый объект (рис. 4). Поперечный диаметробъектного пучка в месте максимальной фокусировке составлял 50 мкм.
Исследуемыйобъект располагался рядом с реперным кварцевым волокном с диаметром 130 мкмна рамке, жестко связанной с электродинамическим преобразователем (рис. 8). Всилу того что объекты имели малый размер для поиска и исследования образцаиспользовалась двухкоординатная система линейного моторизированного перемещенияStanda 8DCMC1.
Даннаясистема позволила перемещать образец относительно объектного пучка с точностьюдо 14 нм.
/>
Рис. 8 Взаимное расположение образца с диаметром 15 мкм и реперногокварцевого волокна
Управлениеотдельными нано-трансляторами системы моторизированного перемещенияосуществлялось с помощью команд подаваемых с компьютера на контроллер. Дляподачи команд и автоматизации управления было разработано и реализованноспециализированное программное обеспечение «motor control for 8DCMC1», главноедиалоговое окно которого представлено на рис. 8. (листинг файлов программы приведенв приложении)
/>
Рис. 9 Главное диалоговое окно программы «motor control for 8DCMC1»
Спомощью данной программы была осуществлена регистрация и синхронизация сигнала,подаваемого на АЦП, с передвижением нано-транслятора, что позволило правильноинтерпретировать полученные результаты.2.4Экспериментальные результаты
Перемещениеобразцов относительно объектного пучка осуществлялась от реперного кварцевоговолокна к исследуемому образцу по направлению Х, как показано на рис. 8.
Экспериментальнополученная зависимость амплитуды демодулированного сигнала от положениясканирующего пучка для двух образцов с диаметром 15 мкм и 2 мкмприведена на рис. 10. При этом амплитуда колебаний образца составляла 20 нм.
/>
Рис. 10 Зависимости амплитуды сигнала от положения сканирующего пучка дляобразцов с диаметром 15 мкм и 2 мкм
Каквидно из рис. 10 характер изменения сигнала демодуляции с расстоянием отреперного оптического волокна соответствует прямому оптическому измерению спомощью микроскопа (рис. 7), что подтверждает полученные результаты.
Заключение
Такимобразом, в настоящей работе разработана и практически реализована системарегистрации малых колебаний микрообъектов с помощью адаптивного интерферометра наоснове динамических ортогональных голограмм, формируемых в фоторефрактивномкристалле. Показано что такая система позволяет регистрировать колебанияобъектов размерами 2 мкм. Создано программное обеспечение для управления нано-позиционерами.
Сучетом того, что ортогональная геометрия формирования динамической голограммы вФРК позволяет создавать поляризационно-независимые схемы адаптивныхинтерферометров, разработанная измерительная система может быть использована втом числе и для исследования сложных микро- и нано- объектов, взаимодействиеизлучения 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 usingnanoelectromechanical 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 micromechanicaloscillator 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. CraigheadNanomechanical resonant structures as tunable passive modulators of light // J. Appl. Phys. — 2002 –Vol.80.
4. S. Di Girolamo,A.A.Kamshilin, R.V.Romashko, Yu.N.Kulchin, J.-C.Launay. Fast adaptiveinterferometer on dynamic reflection hologram in CdTe:V // Optics Express. –2007. – Vol.15. – No.2. – P.545-555.
5. М. П. Петров, С. И. Степанов, А.В. Хоменко. Фоточувствительные электрооптические среды в голографии иоптической обработке информации. – Л.: Наука Ленингр. отд.-ние. – 1983. – 269с.
6. A. Ashkin, G. D. Boyd,J. M. Dziedzic, R. G. Smith, A. A. Ballman, J. J. Levinstein, K. Nassau.Optically-induced refractive index inhomogeneities in LiNbO3 andLiTaO3 // Appl. Phys. Lett. –1966. – V.9. – P.72.
7. P. Gunter, J.-P.Huignard, eds. Photorefractive materials and their applications 2: Materials. –Springer Series in Optical Sciences. – 2007. – V.114. – 646 p.
8. G. Zhang, D. Kip, D. D.Nolte, J. Xu, eds. OSA Trends in Optics and Photonics: Photorefractive Effects,Materials, and Devices. – 2005. – V.99.
9. P. Delaye, C. Denz, L.Mager, G. Montemezzani, eds. OSATrends in Optics and Photonics: Photorefractive Effects, Materials, andDevices. – 2003. – V.87.
10. В. Л. Винецкий, Н. В. Кухтарев. Динамическаяголография. – Киев: Наукова думка. – 1983. – 125 с.
11. DiGirolamo S., Romashko R.V., Kulchin Y.N., Kamshilin A.A. Orthogonal geometry ofwave interaction in a photorefractive crystal for linear phase demodulation //Opt. Commun. – 2010. — V.283. — P.128-131.
12. R. V. Romashko, S. Di Girolamo, Y. N.Kulchin, and A. A. Kamshilin. Photorefractive vectorial wave mixingin differentgeometries// J. Opt. Soc. Am. -2010. -Vol. 27. No. 2. –P. 311-317.
Приложение
Программа «motor control for 8DCMC1»
Даннаяпрограмма создана в среде MS Visual C++6.0 на базе класса MFC. Состоит из двух диалоговых окон: SERIALGATETEST_DIALOGи ABOUTBOX. Реализованы следующие функции:
1. Взаимодействие с COM –портом компьютера. Чтение и запись информации в памяти контроллера 8DCMC1 по средствам интерфейса RS232. Эта функция реализована в виде отдельной библиотеки– SerialGate.dll.
2. Аналог командной строки дляуправления шаговыми двигателями, содержащий поле ввода и поле вывода.
3. Задание параметров работы шаговыхдвигателей (скорость, ускорение).
4. 2D-cканирование выбранного участка.
5. Опрос АЦП, запись полученныхданных в файл.