ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ НАНОПОЗИЦИОНЕР СФОКУСИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
WIDE-RANGE NANOPOSITIONER OF FOCUSED ELECTROMAGNETIC RADIATION

Настоящее изобретение относится к области технической физики, в частности к области волоконной оптики, и может быть использовано для ввода излучения в оптические световоды. Кроме того, предложенное устройство может быть использовано для нанопозиционирования сфокусированного лазерного излучения на поверхности оптических дисков, пленочных модуляторов или голографических систем памяти, для записи и считывания оптической информации и т.д.
В настоящее время эффективность ввода оптического излучения, например, в оптические световоды является главной характеристикой системы источник излучения - волокно, и от ее значения зависит величина оптический мощности, которую можно ввести в световод. Следует также отметить, что высокоточное позиционирование сфокусированного светового излучения на поверхности оптических дисков или голографических систем памяти является чрезвычайно важным для помехоустойчивого считывания информации с оптических носителей информации.
Точное позиционирование сфокусированного излучения, например, на входном торце волновода с размерами порядка нескольких микрон является достаточно сложной задачей. Эта задача обычно выполняется с помощью разнообразных котировочных устройств совмещения источников света, например, с оптическим волокном.
В качестве первого аналога выбрано устройство (Патент Российской Федерации, №2029325 «Юстировочное устройство», МПК G02B 6/26, C02B 7/00, дата публикации 20.02.1995) для стыковки волоконного световода с излучателем, позволяющее осуществить позиционирование сфокусированного излучения на входном торце световода. Для решения задачи используется пространственный параллелограммный механизм с упруго соединенными рычагами, в котором звено с подвижным основанием расположено относительно звена с неподвижным основанием с возможностью поступательного перемещения и двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Авторы считают, что повышение точности позиционирования, например, фокусирующей линзы, в данном устройстве достигается устранением подвижных соединений в механической передаче между юстируемыми элементами и замена трения скольжения в оптических столиках молекулярным трением упругости в параллелограммном механизме.
Это решение только частично устраняет вышеупомянутые недостатки механических позиционеров. Однако в устройстве прототипа перемещение линзы относительно световода (или наоборот перемещение световода относительно линзы) осуществляется посредством микрометрических винтовых механизмов, в которых неконтролируемые деформации пленки масла, используемой для смазки трущихся поверхностей микровинтов, а также неизбежные люфты не позволяют осуществлять позиционирование сфокусированного лазерного излучения на торце волновода с точностями порядка 10 нм. Наличие гистерезиса у микровинтов препятствует воспроизводимости позиционирования.
Известно техническое решение, представленное в трехкоординатном пьезоэлектрическом позиционере (патент Российской федерации №2297078 «Позиционер трехкоординатный», МПК H01L 41/09, H02N 2/02, опубликован 10.04.2007). В этом устройстве объект позиционируется за счет приложения электрического напряжения.
Недостатком известного технического решения является то, что для работы такого устройства необходимо непрерывное наличие управляющего напряжения. Кроме того, известно, что пьезоэлектрические элементы обладают гистерезисом, что затрудняет достижения воспроизводимости позиционирования.
Известно техническое решение, представленное в устройстве для стыковки волоконного световода с излучателем, позволяющее осуществить позиционирование сфокусированного излучения на входном торце волновода - UnitedStatesPatent №5136433 «Optical positioner and connector», МПК G02B6/28, G02B6/32, G02B6/42, G02B7/00, опубликован 04.08.1992 г.), выбранное в качестве прототипа. В этом изобретении решение проблемы фокусировки состоит в малых и очень точных перемещениях фокусирующей линзы (или торца световода) в двух направлениях поперек лазерного луча с точностями порядка десятых долей микрометра.
Недостатком представленного технического решения является то, что такая точность для механических позиционеров является трудно достижимой задачей из-за неизбежного люфта в направляющих оптических столиков, на котором закреплены фокусирующая линза или волокно. На относительное расположение юстируемых оптических элементов влияют трение, износ и погрешности изготовления подвижных деталей, участвующих в передаче движения между элементами. Кроме того, наличие гистерезиса у микровинтов и связанный с ними гистерезис в перемещении механизма с линзой или волокном в одном направлении и обратно делает почти невозможным многократное и точное попадание сфокусированного света на заранее выбранную точку на входном торце оптического волокна.
Перед авторами стояла задача создания устройства воспроизводимого совмещения осей юстируемых элементов, например световода и источника излучения плоскости, в широком пространственном (микро- и нанометровом) диапазоне с нанометровой точностью при максимальном устранении влияния люфтов.
Поставленная задача решается тем, что широкодиапазонный нанопозиционер сфокусированного электромагнитного излучения, содержащий неподвижную платформу, на которой закреплено звено с подвижным в трех взаимоперпендикулярных направлениях основанием, и первую фокусирующую линзу, дополнительно оснащен второй фокусирующей линзой, размещенной на неподвижной платформе и выполненной оптически связанной с первой фокусирующей линзой, при этом расстояние между ними много больше фокусного расстояния первой фокусирующей линзы, и хотя бы одной плоскопараллельной пластинкой, выполненной вращающейся вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, причем в случае оснащения нанопозиционера хотя бы двумя плоскопараллельными пластинками, плоскопараллельные пластинки выполнены либо одинаковой толщины, либо разной толщины, в диапазоне от 0,5 мм до 1 см толщин, при этом плоскопараллельная пластинка выполнена прозрачной для электромагнитного излучения.
Технический эффект заявляемого устройства заключается в увеличении точности, обеспечивании надежности и повторяемости позиционирования электромагнитного излучения, в улучшении возможностей компенсации дрейфа смещения положения объекта, упрощении конструкции, а также в расширении ассортимента устройств данного назначения и расширении функциональных возможностей.
На фиг. 1 представлена оптическая схема заявляемого устройства, где 1 - звено с подвижным основанием; 2 - первая фокусирующая линза; 3 - плоскопараллельная пластинка; 4 - вторая фокусирующая линза; 5 - неподвижная платформа.
На фиг. 2 представлена зависимость отклонения точки позиционирования a от угла поворота плоскопараллельной пластинки 3.
Заявляемый широкодиапазонный нанопозиционер сфокусированного электромагнитного излучения работает следующим образом. Для точного перемещения сфокусированного луча электромагнитного излучения в устройстве применяется сдвиг, параллельный самому себе, луча лазера с помощью поворота плоскопараллельной пластинки 3, выполненной прозрачной для электромагнитного излучения. Благодаря «нематериальности» света, точное позиционирование луча электромагнитного излучения может быть осуществлено без грубых перемещений механических деталей позиционеров.
Устройство работает следующим образом. На неподвижной платформе 5 размещено звено с подвижным основанием 1 в трех взаимоперпендикулярных направлениях, первая фокусирующая линза 2, далее устройство оснащают второй фокусирующей линзой 4, которая выполнена оптически связанной с первой фокусирующей линзой 2, при этом расстояние между ними много больше фокусного расстояния первой фокусирующей линзы 2, и хотя бы одной плоскопараллельной пластинкой 3, выполненной вращающейся вокруг двух взаимно перпендикулярных осей.
Вначале осуществляется предварительное совмещение звена с подвижным основанием 1 (например, оптического диска или волоконного световода) с осью луча электромагнитного излучения, например лазерного луча. После этого все элементы устройства фиксируются. Затем с помощью плоскопараллельной пластинки 3, выполненной вращающейся вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, производится окончательная и точная юстировка положения луча электромагнитного излучения, например лазерного луча. При этом плоскопараллельная пластинка 3 выполнена прозрачной для электромагнитного излучения. При повороте плоскопараллельной пластинки 3 (вокруг какой-либо из осей) происходит параллельное смещение лазерного луча, а также смещение первого диска Эйри во второй фокусирующей линзе 4 поперек направления распространения лазерного луча. Это, в свою очередь, приводит к малым смещениям второго диска на поверхности оптического объекта. Зависимость величины смещения α сфокусированного излучения от угла поворота φ плоскопараллельной пластинки 3 определяется следующей зависимостью:
2
4
4
где d - толщина плоскопараллельной пластинки 3; φ - угол поворота плоскопараллельной пластинки 3 (см. фиг. 1); n - показатель преломления плоскопараллельной пластинки 3; 2β - угол сходимости пучка после второй фокусирующей линзы 4; F - фокусное расстояние первой фокусирующей линзы 2; F - фокусное расстояние второй фокусирующей линзы 4. График этой зависимости представлен на фиг. 2. Формула (1) справедлива для лучей электромагнитного излучения, распространяющихся в тонком конусе с углом при вершине 2β. Зависимость α от β приводит к искажениям формы первого диска Эйри. Однако при использовании второй фокусирующей линзы 4, когда 2β<<1 эти искажения практически устраняются. При диаметре лазерного луча 5 мм на второй фокусирующей линзе 4 и F=150 мм β<0.017 рад. В этом случае формула (1) может быть разложена в ряд Тейлора по малому параметру β:
Второе слагаемое в (2) определяет величину искажений первого диска Эйри.
-4
Максимальные искажения будут наблюдаться при φ≈0.84 рад и их величина будет менее 1.5·10 от толщины плоскопараллельной пластинки 3 (для n=1.5). При толщине плоскопараллельной пластинки 3-10 мм искажения намного меньше размера первого диска Эйри и ими можно пренебречь.
Из соотношения (1) видно, что область перемещения сфокусированного пятна прямо пропорциональна толщине d плоскопараллельной пластинки 3. Поэтому легко осуществить широкий диапазон перемещения, поместив не одну, а несколько плоскопараллельных пластинок 3 разной толщины, которые поворачиваются независимо. В данном устройстве фокусное расстояние первой фокусирующей линзы 2 выбиралось равное 2 мм, а вторая фокусирующая линза 4 имела фокусное расстояние 150 мм. Линзы располагались на расстоянии 300 мм друг от друга. В этой конфигурации первая фокусирующая линза 2, с учетом расходимости лазерного электромагнитного излучения, фокусировала это излучение в первый диск Эйри с диаметром 60 мкм, а звено с подвижным основанием 1 отображало этот диск на поверхности объекта с уменьшением в 75 раз (150 мм/2 мм) в фокус с меньшим диаметром порядка 0,8 мкм.
При повороте плоскопараллельной пластинки 3 в общем случае должно наблюдаться смещение первого диска Эйри вдоль оптической оси. Покажем, что этим смещением можно пренебречь. Общее выражение для смещения первого диска Эйри вдоль оптической оси имеет вид:
Его разложение в ряд Тейлора по малому параметру β:
Величина -1.7d<Δz<0.85d дает смещение эффективного фокусного расстояния второй фокусирующей линзы 4 при изменении угла φ -π/2 до -π/2. Первая фокусирующая линза 2, работая с уменьшением в 75 раз, даст величину продольного уменьшения, равную по модулю квадрату поперечного, соответственно Δz после первой фокусирующей линзы 2 уменьшится в 5625 раз и станет меньше микрона (для d=10 мм).
-6
-7
Предложенное решение не чувствительно к изменению пространственного положения плоскопараллельной пластинки 3 при смещении плоскопараллельной пластинки 3 параллельно самой себе, например, из-за люфта карданного подвеса. Влияние же угловых люфтов подвеса сводятся к минимуму. Это видно на графике, приведенном на фиг. 2. Действительно, для того чтобы сместить сфокусированное пятно на 9 мкм, при выбранных параметрах плоскопараллельной пластинки 3 (d=1 мм, n=1,52), необходим поворот плоскопараллельной пластинки 3 на 76°. Типичная величина люфтов по углу в поворотном механизме составляет 10-10 град. Такой люфт вызывает смещение фокуса на объекте позиционирования на величину всего 0,1-0,01 мкм. Поэтому предельная точность предложенного устройства (которая может быть достигнута после устранения влияния турбулентности воздуха и вибраций механических деталей устройства) в достижения прецизионного положении сфокусированного электромагнитного излучения в плоскости торца оптоволокна очень высока. Выбирая толщину плоскопараллельной пластинки 3, можно добиться желаемой точности в перемещении лазерного фокуса на поверхности объекта. В случае оснащения нанопозиционера хотя бы двумя плоскопараллельными пластинками 3, плоскопараллельные пластинки 3 выполнены либо одинаковой толщины, либо разной толщины, в диапазоне от 0,5 мм до 1 см толщин.
Измерения показали, что при толщине плоскопараллельной пластинки 7 мм и при максимальном угле поворота порядка ±15 градусов, смещение первого пятна поперек луча электромагнитного излучения было ±500 мкм, что приводило к малому смещению второго пятна на величину порядка ±8 мкм. Точное положения фокуса на торце волокна определялось по достижению точного максимума интенсивности света, прошедшего через волокно. Неопределенность фокусировки оценивалось нами, исходя из измеренных колебаний положения луча электромагнитного излучения по углу (из-за турбулентности воздуха, вибрации лазерных зеркал и пр.), и измерялась в модельном эксперименте по медленным и быстрым вариациям интенсивности света, прошедшего через малое отверстие с внутренним диаметром 1,7 микрона в металлической пленке. Согласно нашим измерениям неопределенность положения фокуса на торце оптоволокна для данного устройстве составила величину порядка 10 нм. Эта величина много меньше, чем диаметр сфокусированного луча электромагнитного излучения (~1 мкм), и вполне достаточна для многих практических приложений предложенного устройства. Таким образом, за счет термомеханических эффектов достигается улучшение возможностей компенсации дрейфа смещения положения объекта.
Преимуществом заявляемого широкодиапазонного нанопозиционера сфокусированного электромагнитного излучения является возможность воспроизводимого пространственного позиционирования в диапазоне от микрон до нанометров при максимальном устранении влияния различного рода паразитных люфтов, например, для сканирования луча записи и считывания оптической информации и возвращения его в заданную точку с нанометровой точностью. Кроме того, устройство очень просто технологически.