CC BY
9ISSNG868-5886
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2GG2, том 12, № 3, с. 64-67
- 25 лет Институту аналитического приборостроения РАН
УДК 535.44.621
© Я. А. Фофанов, Б. В. Бардин
О ПРИНЦИПАХ И ПОДХОДАХ К АВТОМАТИЗАЦИИ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРНЫХ МЕТОДОВ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Рассмотрена проблема автоматизации высокочувствительных лазерных методов количественного поляризационно-оптического анализа. Сформулированы основные принципы, определяющие подход авторов к разработке данной проблемы.
АКТУАЛЬНОСТЬ ПОЛЯРИЗАЦИОННООПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Аналитические методы, основанные на использовании поляризационных свойств света, обладают высокой чувствительностью и позволяют регистрировать малые изменения оптических свойств, происходящие в изучаемых объектах по разным причинам [1-4]. Класс исследуемых процессов и объектов весьма велик: различные вещества и материалы (стекла, кристаллы, полимеры и др.), обладающие собственной или наведенной оптической анизотропией, границы раздела и т.д. [3-10]. Измерение оптического двулучепреломления (ДЛП) является одним из способов технологического контроля при создании оптических, оптоэлектронных, голографических и др. материалов и элементов [3, 9]. В последние годы в связи с развитием оптического и лазерного приборостроения особенно актуальной проблемой являются измерения и исследования малого (единицы градусов и менее) ДЛП. Чувствительность обычно используемых для этих целей традиционных методик и серийно выпускаемых приборов оказывается в ряде случаев уже явно недостаточной, что определяет необходимость развития соответствующих методов измерений и создания аппаратноинструментальных средств [11-14].
В ИАнП РАН разрабатывается поляризационно-оптический анализатор (ПОА), предназначенный для высокочувствительных исследований поляризационных характеристик прозрачных объектов. Принцип действия ПОА основан на глубокой модуляции поляризации зондирующего исследуемые объекты лазерного излучения с последующими выделением и регистрацией информативных Фурье-компонент в спектрах фототоков. Оригинальные измерительные конфигурации исключают влияние поверхностных поляризационных эффектов и позволяют количественно определять малое
внутреннее ДЛП. Предельная чувствительность измерений нестационарного ДЛП ограничена только фотонными шумами зондирующего излучения (дробовым шумом фотоприема) и составляет около 2-10- 4 угл. мин. [15].
Эффективность использования ПОА продемонстрирована на примерах исследований поляризационных характеристик прецизионных элементов поляризационной оптики и уникальных образцов совершенных оптических кристаллов [13, 16-20]. ПОА может найти широкое применение для лабораторных исследований и технологического контроля элементов и материалов высокого оптического качества, используемых в современном приборостроении, а также для исследований различных образцов, проб, лекарств, в материаловедении, биологии, медицине, экологии и т.д.
ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОА
Автоматизация исследований, проводимых с помощью ПОА, осуществляется системой автоматизации (СА), состоящей из аппаратных средств (АС) и программного обеспечения (ПО). Автоматизацию ПОА мы рассматриваем в контексте проблемы автоматизации поляризационно-оптических исследований и измерений в целом. Наш подход к вышеуказанной проблеме базируется на следующих основных принципах.
1. Оптимальное распределение функций между АС и ПО, а также оптимальное соотношение аналоговой и цифровой обработки информации
Процесс регистрации информации на ПОА требует измерения малых информативных сигналов на большом уровне неинформативных компонент (фоновая составляющая). Основными элементами канала регистрации являются синхронные детек-
торы и селективные усилители. С помощью этих устройств целесообразно одновременно производить фильтрацию сигнала и спектральный анализ. При этом существенно упрощается и удешевляется задача кодирования информации и ее ввода в компьютер.
2. Разработка и использование специализированного ПО
Целесообразность разработки специализированного ПО обусловлена тем, что хорошо известные пакеты, например LabView и др., хотя и обладают универсальностью, но конкретные задачи решают менее эффективно, чем специализированные программы. Помимо этого, для профессиональных программистов готовые универсальные пакеты не дают заметного выигрыша в трудоемкости при создании ПО по сравнению с использованием языка программирования высокого уровня. В разработанной специализированной программе легко варьируются исходные параметры эксперимента и достаточно просто осуществляется оперативный контроль его протекания.
3. Совместимость разрабатываемого ПО с другими стандартными программными системами
Поскольку при экспериментальных исследованиях, как правило, трудно предусмотреть заранее все возможные задачи по обработке и отображению полученной информации, то необходимо иметь возможность использования стандартных коммерческих программных пакетов, например Origin и др. С этой целью в разработанной системе предусмотрена запись получаемых данных как во внутреннем формате, так и в стандартных форматах представления данных в файлах.
4. Максимальное использование готового (коммерческого) интерфейсного оборудования
Принятая структура СА существенно упрощает задачу ввода информации в компьютер. Для ее решения может быть использована, например, весьма простая, встраиваемая в компьютер, плата фирмы "Алтей", основой которой является 12разрядный аналого-цифровой преобразова-
тель(АЦП) с 8-канальным коммутатором сигнала на входе.
Окно программы ПОА-1, предназначенной для автоматизации количественного поляризацинно-оптического анализа
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ, ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОА-1 В ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
На рисунке представлено основное окно экранного пользовательского интерфейса разработанной программы ПОА-1. Состояние окна соответствует окончанию регистрации ПОА-спектра в основном режиме работы установки — "Анализ". В верхней части экрана располагаются несколько окон, в которые выводятся параметры, измеряемые в ходе проведения эксперимента или рассчитанные по результатам измерений. В нижней части экрана размещаются две строки меню.
Верхняя строка меню задает режим работы ПОА-1. Помимо основного режима "Анализ" ПОА-1 может работать в режиме "Калибровка", в котором производится определение калибровочных коэффициентов установки; в режиме "Развертка по времени" и в специальном режиме "Ручной анализ". Режим "Развертка по времени" предназначен для исследования развития во времени процессов в исследуемых объектах. Этот режим может быть использован также для исследования стабильности параметров ПОА.
Нижняя строка меню задает операции, выполняемые при работе на ПОА. Ввод и отображение данных, задаваемых или используемых в этих операциях, производится в дополнительных окнах, открывающихся при активизации операций. Так, в основном режиме "Анализ" опция меню "параметры" задает исходные параметры эксперимента, такие как минимальное и максимальное значения сканируемой координаты Х, шаг по Х между измеряемыми точками и др. Опция "регистрация" запускает процесс регистрации ПОА-спектров. Всего в ходе одного эксперимента может быть снято до 20 спектров (сканов) с числом точек в каждом до 200. Остальные опции задают цвета и стили линий графиков спектров разных сканов, отображают параметры документа, формируемого в процессе эксперимента и сохраняемого в файле, и т. д.
В центральной части основного окна для примера представлены поляризационные характеристики опытного образца оптического стекла, снятые с помощью ПОА. Представленные характеристики получены в режиме "Анализ" при сканирующем просвечивании исследуемого образца лазерным излучением [19, 20].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аззам З.М., Башара Т.М. Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981. 583 с.
2. Запасский В.С. // ЖПС. 1982. Т. 37, № 2. C.181-196.
3. Aben H. Photoelasticity of Glass. Springer-Verlag, 1993. 255 p.
4. Krishnan S. // J. Opt. Soc. Am. A. 1992. V. 9. P.1615-1622.
5. Acher O., Bigan E., Drevillon B. // Rev. Sci. Instrum. 1989. Vol. 60, N 1. P. 65-77.
6. Collins R.W. // Rev. Sci. Instrum. 1990. V. 61. P. 2029-2062.
7. Shindo Y., Mizuno K., Sudani M. et al. // Rev. Sci. Instr. 1989. V. 60, N 12. P. 32-38.
8. Грищенко А.Е., Черкасов А.Н. // УФН, 1997. Т.167,№ 3. С. 269-285.
9. Материалы международной конференции "Прикладная оптика-96", Санкт-Петербург. Оптический журнал. 1997. № 2, 3, 8.
10. Jasperson S.N., Burge D.K., O’Handley R.C. // Surf. Sci. 1973. V 37. P. 548.
11. Индисов В.О., Курятов В.Н., Семенов Б.Н.
и др. // Оптика и спектр. 1993. Т. 75, В. 2.
С.451-460.
12. Фофанов Я.А. // Квантовая электроника. 1989. Т. 16, № 12. С. 2593-2595.
13. Sokolov I.M., and Fofanov Ja.A. // J. Opt. Soc. Am. A. 1995. V. 12, N 7. P. 1579-1588.
14. Фофанов Я.А., Афанасьев И.И., Бороздин С.Н. // Оптический журнал. 1998. Т. 60, № 9. С. 2225.
15. Fofanov Ya.A. // The Report of Tenth Union
Simposium and Seminar on High-Resolution
Molecular Spectroscopy. Prog. SPIE, 1991. V. 1811. P.413-414.
16. Соколов И.В., Фофанов Я.А. // Оптика и
спектр. 1993. Т. 74, № 4. С. 764-773.
17. Фофанов Я.А. // Оптика и спектр. 1997. Т. 82, № 6. С. 1004-1009.
18. Соколов И.М., Фофанов Я.А. // Оптика и
спектр. 1999. Т. 86, № 5. C. 833-841.
19. Фофанов Я.А. // Научное приборостроение. 1999. T. 9. № 3. С. 104-110.
20. Фофанов Я.А. // Тез. докладов на 1-й Всероссийской конференции "Аналитические приборы".СПб., 18-21 июня 2002.
Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург
Материал поступил в редакцию 19.07.2002.
ON THE PRINCIPLES OF AUTOMATION OF HIGH SENSITIVITY LASER METHODS FOR QUALITATIVE POLARIZATION-OPTICAL ANALYSIS
Ja. А. Fofаnоv, B. V. Bardin
Institute for Analytical Instrumentation RAS, Saint-Petersburg
The problem of automation of high sensitivity laser methods for qualitative polarization-optical analysis is considered. The methods of attack of the problem considered have been suggested.
