CC BY
7
УДК 681.7 : 535.421
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ ВОЛНОВЫХ ФРОНТОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ОТРАЖЕННОГО ЭЛЕМЕНТАМИ МОЭМС
Анна Андреевна Дмитриева
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры фотоники и приборостроения, тел. (951)386-36-44, e-mail: аnna89513863644@yandex.ru
В статье рассмотрены особенности и результаты разработки методики испытания лабораторных и макетных образцов акустооптических преобразователей на изгибных волнах.
Ключевые слова: МОЭМС, микромеханические устройства, оптическая схема, ПАВ.
DEVELOPMENT OF THE METHOD OF MEASURING OF THESHAPE OF WAVE FRONT OF LASER RADATION REFLECTED BY THE ELEMENTS OF MOEMS
Anna A. Dmitrieva
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Graduate, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (951)386-36-44, e-mail: аnna89513863644@yandex.ru
The article describes the features and results of the development of methods of laboratory testing and prototypes of optical-acoustic transducers on the flexural waves.
Key words: MOEMS, micromechanical devices, optical layout, surfactants.
В настоящее время разработано множество типов оптико-механических устройств и методов оптического сканирования [1]. Сканирование позволяет обеспечить последовательное перемещение мгновенного поля зрения по полному полю обзора. Среди них распространены устройства с вращающимися или колеблющимися призмами или пластинками, колеблющимися зеркалами, используются электрооптические сканеры, разрабатываются и используются микрооптоэлектромеханические системы (МОЭМС). Быстродействие сканеров ограничено их инерционностью в случае призменных и пластинчатых устройств; микромеханические устройства имеют малые габариты и инерционность, однако до сих пор нет микромеханических сканеров, обеспечивающих возможность сканирования световым пучком с большим поперечным сечением. Последнее объясняется сложностью создания методами современных микротехнологий массивов совершенно идентичных электроуправляемых подвижных микрозеркал, которые могли бы создать составное зеркало с типичными по плоскостности для обычных оптических зеркал параметрами. Активно развивается адаптивная оптика [2], в рамках которой созданы системы фокусировки излучения с электроуправляемой фазовой коррекцией участков отражающих оптических поверхностей, что, в принципе, позволяет получить совершенные по оптическим качествам поверхности, однако зеркало при этом превращается в радиофизическую автоматически регулируемую систему. Для целей сканиро-
вания, например, при оптической локации целей или поддержания оптического контакта между удалёнными пользователями цепей оптической связи, устройства адаптивной оптики не предназначены.
Рассматриваемая концепция мембранных зеркальных устройств, в которых управление отраженным оптическим лучом производится без механических относительных перемещений частей зеркала, то есть, с сохранением заданной при изготовлении оптической плоскостности мембраны, обеспечивает возможность управления световыми потоками с большой оптической апертурой, при этом угловое перемещение луча производится без изменения положения мембраны, практически безынерционное, плавное, с цифровой адресацией мгновенного положения луча в пространстве.
При испытаниях оптоакустических преобразователей, кроме измерения геометрических параметров изготовленных образцов, необходимы измерения параметров фазового рельефа, наведённого на поверхности мембраны при прохождении в мембране изгибных волн необходимой мегагерцовой частоты. Фазовый рельеф возникает как геометрический рельеф зеркально отражающей поверхности, возникающий при распространении бегущей упругой волны; рельеф имеет динамический характер, то есть, с частотой возбуждающего упругую волну сигнала элементы рельефа возникают и исчезают, при этом места их появления перемещаются вдоль поверхности мембраны со скоростью изгибной волны, бегущей в ней.
Особенности дифракции света на ПАВ состоят в том, что связь между упругим и электромагнитным полями осуществляется в этом случае не только через механизм фотоупругости, но и за счет искажений поверхности, сопровождающих распространенно ПАВ. В частности, при нормальном падении света на поверхность с распространяющейся вдоль нее поверхностной волной углы в\ определяющие первые дифракционные порядки, как для прохождения, так и для отражения определяются из выражения = , как и в случае объемных
волн, где X - длина волны света в среде или в вакууме, Л - длина ПАВ.
Задача измерения такого рельефа имеет два традиционных решения, найденных при исследованиях устройств на ПАВах [5,7,9]: можно параметры рельефа измерять по дифракции отражённого света, при этом характеризуется ус-реднённо весь участок мембраны с рельефом; можно исследовать рельеф локально по изменению угла отражения сфокусированного в точку на поверхности мембраны оптического луча.
В данной работе разрабатывается методика исследования изгибных волн, соответствующая второму решению.
На рис. 1 приведена схема эксперимента по исследованию поверхности методом отклонения светового луча.
Отражённый луч фокусируется на кромку клина, который носит название «ножа Фуко». При изменениях рельефа проходящая к фотодетектору часть падающего излучения модулируется по интенсивности, величина сигнала фотодетектора является мерой угла наклона рельефа. Перемещая образец под свето-
вым лучом, можно измерять изменения амплитуды рельефа в любой точке мембраны, в том числе, по направлению распространения бегущей волны, что позволит количественно измерять затухание бегущих в мембране упругих волн.
Рис. 1. Схема эксперимента по исследованию поверхности методом отклонения светового луча
По обсуждаемым принципам разработан оптический профилометр для измерения параметров бегущих изгибных волн в тонкоплёночных мембранах.
Схема к расчёту коэффициента модуляции по интенсивности отражённого луча приведена на рис. 2.
Пробный луч
Нож Л: ,Фуко
Мембрана
Нож Фуко
Рис. 2. Схема к расчёту коэффициента модуляции
Отражённый от рельефной поверхности пробный лазерный коллимиро-ванный луч линзой Л фокусируется на кромку лезвия ножа Фуко, Часть луча проходить к фотодиоду и детектируется. На поле рисунка справа показано сечение луча в фокальной плоскости, пересекаемое кромкой лезвия ножа. При
перемещении на 8х сечения как целого относительно кромки, вызванного наклоном луча при отражении от наклонного участка рельефа, площадь сечения прошедшего луча изменится на величину Л? = 8х • 2г, и коэффициент модуляции
луча можно записать в виде у =
Л? 28х
, где г - радиус фокального пятна при
жг" жг
равномерном распределении интенсивности в луче. Радиус дифракционно ограниченного фокального пятна равен г - , где О - диаметр пучка в области
линзы. Величина 8х связана с изменением угла наклона 86 поверхности рельефа при перемещениях луча относительно рельефа формулой 8х = 2/86. Окончательно можно получить:
486О
у-——, (1)
жк
Из формулы (1) следует независимость коэффициента модуляции от фокусного расстояния линзы. Расчет при значении амплитуды рельефа поверхности и0 = 0,1нм, величине Л = 10 мкм, О = 5 мм даёт значение у- 0,1, вполне измеряемую величину.
Метод модуляции пробного луча применим в случае, если диаметр луча в области падения на рельеф много меньше величины периода Л рельефа, поэтому требуется оптическая схема с фокусировкой падающего луча на рельеф. Оптическая схема профилометра приведена на рис. 3.
Лазер
---
Нож Фуко
Полупрозрачное зеркало
и г„, - ■ - - гд Образец
на предметном столике
Рис. 3. Оптическая схема профилометра измерения параметров изгибных поверхностных волн в мембранах
Здесь лазерное излучение линзой Л1 и объективом фокусируется на исследуемую поверхность образца, отраженное излучение проходит тот же объектив, полупрозрачное зеркало и линзу Л2, фокусируется на кромку ножа Фуко и проходит к фотодиоду.
Оптическая схема разработанного и изготовленного профилометра изгиб-ных поверхностных волн на мембранах приведена на рис. 4.
21
Рис. 4. Оптическая схема профилометра изгибных поверхностных волн
на мембранах:
1 - исследуемая мембрана, 2 - подложка мембраны, 3 - пьезоэлемент возбуждения упругой волны, 4 - предметный столик профилометра, 5 - диафрагма, 6 - полупрозрачное зеркало, 7 - микроскопный объектив с фокусным расстоянием 6 мм, 8 - микрообъектив фокусировки луча на кромку ножа Фуко, 9 - линза, 10 - окуляр визуального канала наблюдения за мембраной, 11 - 12 - блок призм, разделяющих поле зрения на визуальный канал и измерительный канал, 13 - диафрагма, 14 - поляризатор, 15 - светофильтр, 16 - светофильтр, 17 - коллектор, 18 - источник света, 19 - теплофильтр, 20 - осветительная линза, 21 - клин, 22 - фотодиод
Выводы
Разработана лабораторная методика исследования оптических свойств макетных образцов и проведена юстировка профилометра.
Доработана оптическая схема проектируемого устройства на основе микроскопа Метам-М.
Проведена юстировка устройства и измерен размер фокального пятна на предметном стекле: r = 50 мкм.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Волф У. Справочник по инфракрасной технике. В 4-х томах. Том 2. Проектирование оптических систем / Под ред. У. Вулф, Г. Цисис. Пер. с англ. - М. : Мир, 1998. - 347с.
2. Воронцов М. А., Шмальгаузен В. И. Принципы адаптивной оптики. - М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. Лит., 1985. - 336 с.
3. Дьелесн Э. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов. / Дьелесан Э., Руайле Э. Под ред. В. В. Леманова. Пер. с франц. - М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. Лит., 1982. - 424 с.
4. Карпинский С. С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. - М. : Советское радио, 1975. - 176 с.
5. Корнеев В. С. Разработка и исследование оптических магнитоуправляемых микромеханических устройств // Автореферат диссертации. - Новосибирск : СГГА. 2010. - 28 с.
6. Ноздрёв В. Ф., Федорищенко Н. В. Молекулярная акустика. - М. : Высшая школа, 1974. - 288 с.
7. Олинер А. Поверхностные акустические волны / Под ред. А. Олинера. Пер. с англ. -М. : Мир, 1981. - 390 с.
8. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы. - М. : Мир, 1971.
9. Хасс Г. Физика тонких плёнок / Под общей редакцией Г. Хасса и Р. Э. Туна. Т. 3. пер. с англ. - М. : Мир, 1968. - 332 с.
10. Чесноков В. В. Микромеханический модулятор света // Изв. вузов СССР. Приборостроение. - 1990. - № 6. - С. 82.
11. Чесноков В. В., Чесноков Д. В., Райхерт В. А. Пьезоэлектрическое возбуждение упругих изгибных волн в свободных тонкоплёночных структурах // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). -Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 55-63.
12. Чесноков, Д. В. Дифракция света на упругих волнах в тонкоплёночных мембранных структурах / Д.В. Чесноков, В.В. Чесноков, Д.М. Никулин // ГЕО-Сибирь-2007. III Между-нар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). - Новосибирск : СГГА, 2007. Т. 4, ч. 1. - С. 201-203.
13. Чесноков Д. В., Чесноков В. В., Никулин Д. М. Лазерное возбуждение изгибных волн в мембранных полосковых волноводах // ГЕ0-Сибирь-2007. III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). - Новосибирск : СГГА, 2007. Т. 4, ч. 1. - С. 209-214.
14. Чесноков Д.В. Микромеханический дефлектор световых потоков // Оптический журнал. - 2007. - № 4. - С. 51-54.
15. Чесноков Д. В., Чесноков В. В., Никулин Д. М. Электростатическое и лазерное возбуждение упругих волн в тонкопленочных полосковых волноводах // ГЕО-Сибирь-2007. III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). - Новосибирск : СГГА, 2007. Т. 4, ч. 1. - С. 203-209.
16. Яковкин И. Б., Петров Д. В. Дифракция света на акустических поверхностных волнах. - Новосибирск : Наука 1979. - 184 с.
© А. А. Дмитриева, 2018
