CC BY
19
УДК 53.082.52
НАНОГРАФИТНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДАТЧИК УГЛА
СТЯПШИН В.М., МИХЕЕВ Г.М.
Институт прикладной механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Описан датчик угла, принцип работы которого основан на измерении оптоэлектрического сигнала, возникающего в нанографитной плёнке при её облучении лазерными импульсами наносекундной длительности и зависящего от ориентации поверхности плёнки относительно направления распространения луча лазера. Предложенный датчик угла обладает высоким быстродействием, широким диапазоном измеряемых углов и стабильностью показаний по отношению к флуктуациям мощности падающего лазерного излучения.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: датчик угла, нанографитная пленка, лазер. ВВЕДЕНИЕ
Задача точного определения ориентации объекта в пространстве также важна, как и задача нахождения его местоположения. Приборы, дистанционно определяющие взаимное угловое положение объектов, различаются по принципу получения и преобразования информации. Например, космические аппараты для своей ориентации могут использовать излучение различных небесных тел (Солнца, звёзд, планет) или создаваемые ими силовые поля (гравитационное, магнитное). А такие приборы как гироскопы во время работы практически не нуждаются во внешних источниках информации. Среди оптических датчиков, используемых для дистанционного определения углового положения, можно выделить лазерные гироскопы [1], интерференционные [2] и проекционные [3] датчики. Лазерные (в частности оптоволоконные) гироскопы - это достаточно сложные устройства, позволяющие очень точно определять угловые перемещения объекта, но требующие периодической калибровки вследствие дрейфа показаний. Интерференционные датчики обладают высокой чувствительностью, однако они имеют малый динамический диапазон измеряемых углов. Проекционные датчики обеспечивают измерение углов в широком диапазоне, не требуют когерентного источника излучения. С другой стороны, они имеют относительно малое быстродействие из-за времени, необходимого на обработку результатов, подвержены засветке, работают в относительно небольшом диапазоне температур.
В работе [4] описан датчик, позволяющий определять угловое положение объекта относительно направления распространения мощного импульсного лазерного излучения. Действие данного датчика основано на оптоэлектрическом эффекте в нанографитной плёнке (НГП) [5, 6], при котором амплитуда импульсного оптоэлектрического сигнала Ц возникающего в НГП при её облучении мощным лазерным импульсом, зависит от ориентации плёнки относительно луча лазера. Амплитуда и также зависит от мощности Ж лазерного излучения, что обуславливает необходимость стабилизации выходных параметров лазерного источника, входящего в состав датчика. В связи с этим возникает необходимость в создании модернизированного лазерного датчика угла, в котором отсутствовала бы зависимость результатов измерений от флуктуаций мощности лазерного излучения, что является целью данной работы.
ОСОБЕННОСТИ ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В НАНОГРАФИТНЫХ ПЛЁНКАХ
Нанографитные плёнки синтезируются с использованием методики и оборудования по газофазному химическому осаждению из метан-водородной газовой смеси, активированной разрядом постоянного тока [7]. Основными структурными элементами данных плёнок являются пластинчатые кристаллиты, состоящие из нескольких параллельных хорошо упорядоченных атомных слоёв графита [8]. Толщина этих
кристаллитов колеблется от 2 нм до 20 нм при размерах в других измерениях (1^3) мкм. При этом плоскости кристаллитов ориентированы преимущественно перпендикулярно к поверхности подложки. Расстояние между отдельными кристаллитами варьируется в пределах (0,5^1) мкм.
В работах [5, 6] было установлено, что при облучении нанографитной плёнки излучением лазера наносекундной длительности между параллельными электродами, нанесёнными на её противоположные стороны, возникает импульс электрического напряжения, повторяющий форму лазерного импульса. Наблюдаемое явление можно объяснить эффектом оптического выпрямления (детектирования) [9] на квадрупольном вкладе нелинейной диэлектрической восприимчивости второго порядка [6].
Экспериментально показано, что оптоэлектрический сигнал, индуцируемый в нанографитных плёнках, обладает следующими особенностями:
- наблюдается в широком спектральном диапазоне (266^5000) нм;
- временная форма сигнала повторяет форму импульса лазера, причём зарегистрированное время нарастания составляет менее 0,5 нс;
- амплитуда сигнала не зависит от плотности мощности, а линейно зависит от мощности падающего лазерного излучения;
- сигнал существенно зависит от пространственной ориентации плёнки относительно падающего луча и от поляризации лазерного излучения.
Ориентационная зависимость оптоэлектрического сигнала исследовалась в эксперименте [5], схематично изображённом на рис. 1. Плёнка облучалась линейно-поляризованным излучением одномодового одночастотного YAG:Nd3+-лазера с пассивной модуляцией добротности, полуширина лазерных импульсов которого составляла около 20 нс. В эксперименте исследовались зависимости и от угла падения а ^-поляризованного излучения на плёнку и от угла поворота в плёнки вокруг нормали ОМ к её поверхности.
1 - нанографитная плёнка; 2 - кремниевая подложка; 3 - электроды;
4 - диэлектрический держатель; 5 - осциллограф
Рис. 1. Схема эксперимента по наблюдению ориентационной зависимости оптоэлектрического сигнала в нанографитных плёнках
Согласно кривой 1 (рис. 2) при а = 0° (нормальное падение луча на поверхность плёнки) оптоэлектрический сигнал не наблюдается. Однако с увеличением абсолютного значения угла а амплитуда сигнала начинает возрастать, достигая экстремумов при значениях около ±(45^50)°, а затем плавно спадает.
Кривая 2 (рис. 2) наглядно демонстрирует, что эту экспериментальную зависимость, нормированную на максимальное значение, можно описать функцией вида и/и0 = а) sin2 а, где и0 - максимальное значение оптоэлектрического сигнала, а) -слабо меняющаяся а -функция.
1 - эксперимент; 2 - приближённая аппроксимирующая зависимость U/U0 = sin2 а
Рис. 2. Зависимость относительной амплитуды и/и0 оптоэлектрического сигнала от угла падения а луча лазера на нанографитную плёнку для ^-поляризованного излучения
Нормированная на максимальное значение зависимость амплитуды оптоэлектрического сигнала от угла в описывается функцией вида U/U0 = cos в. Таким образом, ориентационная зависимость амплитуды оптоэлектрического сигнала для p-поляризации падающего излучения имеет вид:
U = kF (a )W sin 2acosP, (1)
где k - коэффициент оптоэлектрического преобразования.
Из зависимости (1) следует, что при фиксированной мощности лазерного излучения по амплитуде U можно определить угол падения а. Это даёт возможность создать на основе НГП лазерный датчик угла.
Конструкция наиболее простого из возможных вариантов датчика угла из НГП, предназначенного для определения угла а, схематично изображена на рис. 1. В работах [4, 10] описан датчик, позволяющий определять как угол а, так и угол в за счёт нанесения на плёнку двух взаимно перпендикулярных пар параллельных электродов. Для ^-поляризованного излучения данные датчики могут работать в диапазоне углов а приблизительно от -45° до +45° (рис. 2). В этих пределах происходит монотонное изменение амплитуды оптоэлектрического сигнала, необходимое для определения угловой координаты (в диапазоне углов -90° < а < 90° имеется неоднозначность, так как одному и тому же значению U соответствуют два разных угла а ).
Нанесение на НГП тонкого слоя прозрачной смачивающей жидкости с низкой электропроводностью позволяет расширить диапазон измеряемых датчиком углов а [11].
Поскольку у имеющихся вариантов датчика угла на основе НГП результат измерений напрямую зависит от мощности падающего на плёнку излучения, то для их корректной работы необходимо либо измерять эту мощность отдельно, либо поддерживать с высокой точностью мощность, генерируемую лазером (что бесперспективно, если оптические свойства среды распространения излучения флуктуируют). Оба пути ведут к существенному усложнению и удорожанию конструкции датчика и (или) лазера, тем самым снижаются эксплуатационные характеристики измерительной системы. Ниже описан модернизированный датчик угла из НГП, лишённый указанных недостатков.
ПРИНЦИП РАБОТЫ НАНОГРАФИТНОГО ДАТЧИКА УГЛА
На рис. 3 изображена схема фотоприёмника модернизированного датчика угла, состоящего из диэлектрического держателя в форме прямой равнобедренной треугольной
призмы и двух закреплённых на его гранях нанографитных плёнок с электродами так, что плоскости плёнок пересекаются под углом у.
1 - нанографитная плёнка; 2 - диэлектрический держатель; 3 - электроды Рис. 3. Схема модернизированного датчика углового положения
Обозначим 0 как угол падения излучения на фотоприёмник (угол между направлением распространения излучения и основанием держателя), а углы падения излучения на его рабочие грани как а 1 и а 2. Рассмотрим простейший случай работы датчика, когда угол в = 0°. Тогда углы а 1 и а 2 можно выразить через у и 0 следующим образом:
а = 0 -(90°- у/2),
1 (2) а2 = 0 + (90°- у/2).
Допустим, что лазерное излучение падает на фотоприёмник сплошным однородным параллельным пучком. При изменении угла 0 меняются мощности W1 и W2 излучения, попадающего на первую и вторую грани фотоприёмника, соответственно. Зависимости W1 и W2 от 0 имеют следующий вид:
W = W sin (у/2 + 0),
1 0 (3)
W2 = W0 sin (у/2 - 0),
где W0 - мощность падающего на грань излучения при её перпендикулярной ориентации к лазерному пучку.
Приняв F( а 1) = F( а 2) = F и подставив (2) и (3) в (1), получим амплитуды оптоэлектрических сигналов, возникающих на рабочих гранях фотоприёмника:
U1 = kFW0 sin (у/2 + 0) sin [2 (0 - (90° - у/2))],
U2 = kFW0 sin (у/2 - 0) sin [2 (0 + (90° - у/2))].
(4)
Кривые этих зависимостей, построенные при у = 160° и нормированные на максимальное значение, представлены на рис. 4. Видно, что между ними имеется сдвиг по фазе на 20°.
Поделив второе из выражений (4) на первое, получим отношение амплитуд оптоэлектрических сигналов с рабочих граней фотоприёмника г( 0):
г (0 ) = вт(у/2 - 0) вт[2(0 + (90°- у/2))]
вш(у/2 + 0)бш[2(0 - (90° - у/2))]' Данное выражение устанавливает однозначное (при условии, что известны знаки и и и2) соответствие между углом 0 и отношением г, поскольку не содержит множителя, отвечающего за мощность лазерного излучения. Если теперь измерить амплитуды и и и2,
затем найти их отношение и сравнить полученнный результат с зависимостью (5), то можно определить искомый угол 0 .
На рис. 5 показана кривая, описываемая функцией г( 0) для у = 160°. Видно, что при 0 = 10° в ней имеется особенность, связанная с обращением знаменателя выражения (5) в ноль. Рис. 4 показывает, что кривая 1 в этой точке пересекает ось абсцисс. Всё это объясняется тем, что при 0 = 10° угол а 1 = 0°, т. е. лазерное излучение падает на первую рабочую грань перпендикулярно.
В окрестностях критической точки а 1 = 0° точность измерения существенно выше, чем в целом по диапазону измерений, поскольку динамика изменения г( 0) здесь значительно больше. Данное свойство можно использовать для более точного измерения угла в узком диапазоне.
Рис. 4. Нормированные амплитуды и/и0 сигналов,
возникающих на первой (кривая 1) и второй (кривая 2) рабочих гранях фотоприёмника, в зависимости от угла 0 при у = 160°
Рис. 5. Зависимость отношения г сигналов, возникающих на первой и второй рабочих гранях фотоприёмника, от угла падения 0 при у = 160°
Необходимо иметь в виду, что расчёт функции г( 0) представлен для идеализированного случая. Для реального фотоприёмника коэффициенты а 1) и а 2) не являются константами и могут отличаться друг от друга. Поэтому каждый лазерный датчик угла из нанографитной плёнки необходимо предварительно калибровать, то есть экспериментально определять зависимость г( 0).
Приведённые расчёты основаны на экспериментальных данных, поэтому предложенный вариант датчика угла устраняет влияние колебаний мощности лазерного излучения на результат измерений. Помимо этого, как следует из (4) и (5), в зависимости от величины у, диапазон измеряемых датчиком углов можно существенно расширить по сравнению с вариантом датчика, описанным в [11]. Так при у = 160° диапазон измерений находится примерно в пределах -75° < 0 < +75°.
В соответствии с экспериментальными результатами, полученными в [12], такой датчик угла (точнее его фотоприёмная часть) может работать в жёстких эксплуатационных условиях (высокий вакуум, большие перепады температур, существенный нагрев в присутствии окисляющей атмосферы). Исходя из указанных выше особенностей оптоэлектрического эффекта в НГП, измерения могут проводиться при помощи лазеров, генерирующих излучение на различных длинах волн в широком спектральном диапазоне. Датчик относится к генераторному типу, кроме того, для него не требуется применение какой-либо дополнительной оптической системы, что удешевляет конструкцию и избавляет от необходимости юстировки. Электронная схема обработки может быть очень простой. Засветка посторонними источниками некогерентного излучения не влияет на результат
измерений. Как показывают расчёты, такой датчик позволяет регистрировать угловое отклонение объекта с чувствительностью не менее чем в одну угловую минуту при применении лазера импульсной мощностью не более 10 МВт. Предлагаемый датчик угла можно использовать для контроля технологических процессов, проходящих в жёстких внешних условиях, как точное и быстродействующее средство контроля при проведении различных испытаний.
Следует отметить, что при угле ß не равном нулю зависимость r( 9 ) преобразуется в r(9, ß): в ней появляется косинусоидальный множитель с параметром ß. Если угол ß неизвестен, то возникает неоднозначность в определении угла 9 . Существует возможность устранить данную неопределённость, но этот вопрос выходит за рамки настоящей статьи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, показано, что лазерный датчик угла, работающий на оптоэлектрическом эффекте в нанографитной плёнке, позволяет измерять взаимное угловое положение источника лазерного излучения и фотоприёмника из нанографитной плёнки. Достоинством датчика является независимость показаний от мощности лазерного излучения и более широкий диапазон измеряемых углов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Земцов М.С. Волоконно-оптические и лазерные гироскопические датчики измерений угловых скоростей // Авиакосмическое приборостроение. 2006. № 9. С. 15-21.
2. Xiaoyong F., Maosheng C. Theoretical analysis of laser angle sensor and several design parameters // Optics & Laser Technology. 2002. V. 34. P. 225-229.
3. Baba M., Ohtani K. A new sensor system for simultaneously detecting the position and incident angle of a light spot // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2002. V. 4. P. 391-399.
4. Зонов Р.Г., Михеев Г.М., Образцов А.Н. Нанографитовый плёночный фотоприемник // Нанотехника. 2007. Т. 11, № 3. С. 19-24.
5. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н. и др. Оптическое выпрямление в углеродных наноплёнках // ЖЭТФ. 2004. Т. 126, № 5. С. 1083-1088.
6. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N. et al. Giant optical rectification effect in nanocarbon films // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 84, № 24. P. 4854-4856.
7. Павловский И.Ю., Образцов А.Н. Автоматизированная установка для газофазного осаждения алмазных плёнок в разряде постоянного тока // ПТЭ. 1998. № 1. С. 152-156.
8. Obraztsov A.N., Zakhidov Al.A., Volkov A.P. et al. Nano-carbon materials for cold cathode applications // Microelectronic Engineering. 2003. V. 69. P. 405-411.
9. Морозов Б.Н., Айвазян Ю.М. Эффект оптического выпрямления и его применения (обзор) // Квантовая электроника. 1980. Т. 7, № 1. С. 5-33.
10.Михеев Г.М., Образцов А.Н., Свирко Ю.П. и др. Оптоэлектронный датчик угла // Патент РФ RU2320960C2. 2008.
11.Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н. и др. Влияние прозрачного покрытия на оптоэлектрический сигнал в нанографитных плёнках // Известия Вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 3. С. 51-56.
12.Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н. и др. Испытание быстродействующего нанографитного фотоприёмника при высоких температурах // Приборы и техника эксперимента. 2008. № 3. С. 137-142.
A NANOGRAPHITE LASER ANGULAR SENSOR
Styapshin V.M., Mikheev G.M.
Institute of Applied Mechanics Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The angular sensor, based on a nanographite film, grown on a silicon substrate, is presented. The optoelectric signal of this sensor depends on the incident angle of the laser beam pulses of nanosecond durations to surface of nanographite film. The developed angular sensor is fast response, insensitive to fluctuations of power of incident laser radiation and has a wide dynamic measurement range.
KEYWORDS: angle sensor, nanographite film, laser.
Стяпшин Василий Михайлович, аспирант, младший научный сотрудник ИПМ УрО РАН, тел. (3412) 216-611, е-mail: vms@udman.ru
Михеев Геннадий Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ИПМ УрО РАН, тел. (3412) 218-955, е-mail: mikheev@udman.ru
