CC BY
49
УДК 535.417
Р.В. Ромашко, И.О. Яшкузин, Т.А. Ефимов, М.А. Асалханова
Геометрия записи динамических голограмм
в фоторефрактивном кристалле
для детектирования колебаний микроосцилляторов
Проводится анализ эффективности применения адаптивных интерферометров, построенных в различных геометриях записи динамических голограмм в фоторефрактивном кристалле, в задачах детектирования колебаний микромасштабных объектов. Исследуются эффективность взаимодействия, глубина модуляции и порог детектирования измерительных систем. Ключевые слова: микроосциллятор, адаптивный интерферометр, голограмма.
Задача детектирования колебаний микроосцилляторов. Важной задачей исследования микрообъектов является определение их перемещений [1—2]. В работах [3, 4] показана эффективность использования адаптивного голографического интерферометра для детектирования колебаний мик-рокантилеверов. Голографический принцип объединения волн в фоторефрактивном кристалле (ФРК) позволяет обеспечить точное согласование волновых фронтов опорного и объектного лазерных пучков [5]. Существуют различные схемы построения адаптивных голографических интерферометров, в основе которых лежат разные геометрии записи динамической голограммы в ФРК [6]. Динамические голограммы могут записываться в ФРК в отражательной, пропускающей и ортогональной геометриях. Геометрия формирования динамической голограммы определяет различные метрологические характеристики (рис. 1). В работах [3, 4] использована ортогональная геометрия записи динамических голограмм в ФРК. В настоящей работе проводится анализ эффективности применения адаптивных интерферометров, построенных при применении различных геометрий записи динамических голограмм в ФРК, в задаче детектирования колебаний микромасштабных объектов, исследуются эффективность взаимодействия, глубина модуляции, порог детектирования измерительных систем.
ФП
У опорный луч
Г 1 [100]'
ФРК 1
'' 11"'1 объектный
луч
ФП
в
Рис. 1. Геометрии записи динамических голограмм в ФРК: ФП - фото приемник; а - угол между объектным и опорным лучом: а - ортогональная геометрия; б - пропускающая геометрия (а = 50о); в - отражательная (а = 30о)
Из анализа геометрий записи динамических голограмм в ФРК в работе [6] следует, что наибольшая глубина модуляции сигнала при детектировании колебаний микрообъектов может быть
а
достигнута при использовании отражательной геометрии записи. В свою очередь ортогональная геометрия записи позволяет добиться поляризационной независимости, что особенно важно при исследовании колебаний микроосцилляторов предельно малых размеров. Для экспериментального исследования особенностей взаимодействия световых пучков в кристалле в различных геометриях было изготовлено три модификации адаптивного голографического интерферометра. В качестве источника излучения использовался К^УАО-лазер, работающий в непрерывном режиме на длине волны 1064 нм, мощностью 25 мВт. Лазерный пучок делился на объектный и опорный пучки. Объектный пучок фокусировался линзой и направлялся на микроосциллятор, закрепленный на калиброванном электродинамическом преобразователе, с помощью которого осуществлялась передача колебаний исследуемому микроосциллятору. Вследствие колебаний микроосциллятора отраженное от него излучение было модулировано по фазе. Отраженное излучение собиралось линзой и фокусировалось в ФРК С^е. Опорный пучок проходил через четвертьволновую фазовую пластинку и направлялся в ФРК. Демодуляция фазы волны, отраженной от микроосциллятора, осуществлялась посредством ее взаимодействия с опорной волной, входящей в кристалл по нормали к объектной волне. Интенсивность объектного пучка на выходе из ФРК регистрировалась с помощью фотоприемника. Опорный луч не фокусировался для обеспечения одинаковой интенсивности излучения в кристалле в разных геометриях. Особенность работы адаптивного интерферометра в различных геометриях была также проверена для плоского зеркала, которое устанавливалось вместо микроосциллятора.
Экспериментальные результаты. В качестве микроосциллятора использовался кремниевый микрокантилевер с размерами 180*45*15 мкм3. Для ортогональной и пропускающей геометрий записи показаны экспериментально полученные зависимости амплитуды модуляции регистрируемого сигнала от амплитуды напряжения на электродинамическом преобразователе для разных соотношений мощности объектного и опорного пучков (рис. 2).
Чувствительность адаптивного интерферометра в ортогональной геометрии (рис. 2, а) слабо зависит от отношения мощности объектного пучка к мощности опорного. Наибольшая глубина модуляции регистрируемого сигнала составила 10,4% при соотношении мощностей объектного и опорного пучков 1,4/1000. При этом относительный порог детектирования (ОПД) [7] адаптивного интерферометра составил 5,2*10-8 рад^ (Вт/Гц). Для плоского зеркала, используемого в качестве исследуемого объекта, чувствительность в ортогональной геометрии составила 2,4* 1СГ8 радл/(Вт/Гц).
0,12-,
0,08 -0,060,040,020,0
Урр/Ус
отношение мощности объектного пучка к мощности опорного
Урр/К
и, В
ср 0.Ц7 -
0,06 -0,05 -0,040,030,020,01 -0,00-
отношение мощности объектного пучка к
мощности опорного
43/1000
—•— 4.8(1000
—А— 3/1000
—▼— 1,01000
♦ 1,2/1000
и, В
0,5
1,0
1,5
2.0
0,0
0,5
и, В
а
1.0 и, в
1.5
2.0
б
Рис. 2. Зависимости амплитуды модуляции регистрируемого сигнала (^рр/Кср) от амплитуды напряжения на электродинамическом преобразователе (и, В): а - ортогональная геометрия; б - пропускающая геометрия
Максимальная чувствительность адаптивного интерферометра в пропускающей геометрии (рис. 2, б) достигается при отношении мощности объектного пучка к мощности опорного 4,8/1000. Наибольшая глубина модуляции регистрируемого сигнала составила 6,6% при соотношении мощностей объектного и опорного пучков 1,6/1000. При этом ОПД адаптивного интерферометра составил 2,9*10-8 рад^(Вт/Гц). Для плоского зеркала, используемого в качестве исследуемого объекта, чувствительность в данной геометрии составила 1,5*10-8 рад^(Вт/Гц).
В отражательной геометрии часть излучения опорного луча попадала в фотоприемник из-за отражения и рассеяния излучения опорного луча на гранях ФРК. Вследствие этого амплитуда регистрируемого сигнала модуляции была сравнимой с собственными шумами адаптивного интерферометра. Для решения этой проблемы, во-первых, была уменьшена мощность опорного пучка при сохранении интенсивности в ФРК за счет использования дополнительной фокусирующей линзы, во-вторых, были добавлены пространственные фильтры. После указанных изменений отношение переменной составляющей регистрируемого сигнала к постоянной составляющей было не более 0,7%. При этом ОПД адаптивного интерферометра составил 35* 10-8 рад^(Вт/Гц). При использовании плоского зеркала чувствительность в данной геометрии составила 1,3*10-8 рад^ (Вт/Гц).
Экспериментальные данные для ортогональной, пропускающей и отражательной геометрий записи динамических голограмм в ФРК представлены в таблице. Анализ представленных экспериментальных данных, полученных с использованием ортогональной, пропускающей и отражательной геометрий записи динамических голограмм в ФРК, позволяет сделать вывод, что наиболее эффективная демодуляция фазы волны, при которой достигаются наибольшая чувствительность и глубина модуляции регистрируемого сигнала при детектировании колебаний микроосциллятора, обеспечивается при использовании ортогональной геометрии записи динамических голограмм в ФРК. В случае детектирования колебаний плоского зеркала наиболее эффективная работа адаптивного интерферометра достигается в отражательной геометрии, что находится в соответствии с теоретическим и экспериментальным анализом, представленным в работе [6].
Экспериментальные данные для
разных геометрий записи динамических голограмм в ФРК
Параметр Ортогональная геометрия Пропускающая геометрия Отражательная геометрия
Максимальная глубина модуляции (микроосциллятор), % 10,4 6,6 0,7
Оптимальное соотношение мощностей пучков (объектного к опорному) 1,4/1000 1,6/1000 —
Порог детектирования (микроосциллятор), рад^(Вт/Гц) 2,4х10-8 2,9х10-8 35Х10-8
Порог детектирования (плоское зеркало), рад^(Вт/Гц) 5,2х10-8 1,5х10-8 1,3х10-8
Заключение. Таким образом, наиболее эффективная работа адаптивного голографического интерферометра в задаче детектирования колебаний микроосцилляторов, при которой наблюдается наибольшая чувствительность и глубина модуляции регистрируемого сигнала, достигается при использовании ортогональной геометрии записи динамических голограмм в ФРК.
Исследование выполнено при поддержке Программы «Научный фонд» ДВФУ», а также Президиума ДВО РАН.
Литература
1. Study of intrinsic localized vibrational modes in micromechanical oscillator arrays / M. Sato, B.E. Hubbard, L.Q. English, and A.J. Sievers // Chaos. - 2003. - Vol. 1382. - P. 702-715.
2. Sekaric L. et al. Nanomechanical resonant structures as tunable passive modulators of light // Applied physics letters. - 2002. - Vol. 80, № 19. - P. 3617-3619.
3. Romashko R.V. et al. Detection of micro-objects nano-scale vibration by adaptive interferometer // Pacific Science Review. - 2012. - Vol. 14, № 3. - P. 233-234.
4. Romashko R.V. et al. Resonance Microweighting Approach with Using Adaptive Interferometer // Pacific Science Review - 2012. - Vol. 14, № 3. - P. 334-336.
5. Fast adaptive interferometer on dynamic reflection hologram in CdTe: V / S.Di Girolamo, A.A. Kamshilin, R.V. Romashko et al. // Optics express. - 2007. - Vol. 15, № 2. - P. 545-555.
6. Photorefractive vectorial wave mixing in different geometries / R.V. Romashko et al. //JOSA B. -2010. - Vol. 27, № 2. - P. 311-317.
7. Orthogonal geometry of wave interaction in a photorefractive crystal for linear phase demodulation / S.Di Girolamo et al. // Optics Communications. - 2010. - Vol. 283, № 1. - P. 128-131.
Ромашко Роман Владимирович
Д-р физ.-мат. наук, профессор каф. теоретической и экспериментальной физики (ТЭФ) Дальневосточного федерального университета (ДВФУ);
вед. науч. сотрудник лаборатории прецизионных оптических методов измерений
Института автоматики и процессов управления
Дальневосточного отделения РАН (ИАПУ ДВО РАН), г. Владивосток
Тел.: 8 (423-2) 231-04-39
Эл. почта: romashko@iacp.dvo.ru
Яшкузин Игорь Олегович
Студент каф. ТЭФ ДВФУ Тел.: 8 (924) 250-67-87 Эл. почта: alex_202@mail.ru
Ефимов Тимофей Аександрович
Аспирант ИАПУ ДВО РАН Тел.: 8 (423-2) 231-04-39 Эл. почта: tim2vl@yandex.ru
Асалханова Мария Алексеевна
Аспирант ИАПУ ДВО РАН Тел.: 8 (914) 328-06-94 Эл. почта: facir@mail.ru
Romashko R.V, Yashkuzin I.O., Efimov T.A., Asalkhanova M.A.
The geometry of the recording of dynamic holograms in a photorefractive crystal to detect the vibration of microoscillators
The holographic system for measurement of nanoscale displacements of micro- and macro-objects based on an adaptive interferometer is developed in different geometries. Effectiveness of the interaction, the depth of modulation and detection threshold of measuring system was studied. Keywords: microoscillator, an adaptive interferometer, hologram.
