СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR OPTICAL TOMOGRAPHY OF PHOTOSENSITIVE MATERIALS

Изобретение относится к методам исследования различных свойств материалов и может быть использовано для контроля внутренней структуры оптических материалов, например амплитуды и фазы шумовых, информационных и других локальных неоднородностей толстых оптических сред, предназначенных преимущественно для объемной голографической записи информации.
Известен способ оптической томографии прозрачных материалов [1]. Согласно этому способу оптический материал зондируют встречными пучками с одинаковыми апертурными углами, перемещают точку схождения встречных пучков по объему материала и измеряют уровень проходящего, рассеянного и отраженного от дефектов в материале излучения.
Метод предполагает механическую перестройку положения точки фокусировки пучков, а следовательно, и относительно низкую скорость сканирования. Кроме того, при большой числовой апертуре объективов из-за сферической аберрации размер точки схождения пучков в глубине материале существенно увеличивается, что приводит к снижению разрешающей способности метода.
Известен также способ оптической томографии трехмерных микрообъектов [2], при котором исследуемый образец освещают параллельным предметным световым пучком под различными углами относительно оптической оси системы, формируют отдельный канал опорного пучка, совмещают этот пучок и прошедший через объект предметный пучок, регистрируют в каждом из положений предметного пучка по 4 картины интерференционной структуры при различных фазовых сдвигах опорного пучка и далее путем томографической обработки результатов измерений находят трехмерное пространственное распределение показателя преломления и/или коэффициента поглощения микрообъекта.
Недостаток этого метода - невозможность регистрации на светочувствительном материале в проходящих пучках тестовых голографических решеток, сложность оптической схемы из-за наличия отдельного канала опорного пучка, недостаточное быстродействие из-за механического сканирования предметного и перестройки фазы опорного пучков. Последний недостаток может иметь решающее значение при исследовании материалов, чувствительных на длине волны предметного (считывающего) пучка.
Наиболее близким к предлагаемому является способ тестирования трехмерных фоточувствительных материалов [3], при котором образец материала помещают в зону пересечения двух сходящихся световых пучков, причем размер зоны по глубине выбирают больше толщины материала, экспонируют материал, а затем производят сканирование световым пучком по углу в плоскости схождения пучков записанной в материале дифракционной решетки и измеряют зависимость мощности дифрагированного на решетке пучка от угла сканирования. Основной недостаток способа заключается в том, что по результатам сканирования нельзя получить данные о послойном по глубине материала распределении амплитуды и фазы записанной дифракционной решетки. Другим недостатком способа является низкая скорость сканирования, ограниченная быстродействием электромеханического устройства поворота образца исследуемого материала.
Предложенным изобретением решается задача послойного (по глубине материала) измерения уровня модуляции коэффициентов преломления и поглощения света у тестовой дифракционной решетки, записанной в объеме регистрирующего материала, а также задача уменьшения времени этих измерений.
Для получения такого технического результата в предлагаемом способе оптической томографии светочувствительных материалов, заключающемся в том, что образец материала помещают в зону пересечения двух световых пучков, причем размер зоны по глубине выбирают больше толщины материала, экспонируют материал, а затем производят сканирование световым пучком по углу в плоскости схождения пучков записанной в материале дифракционной решетки и измеряют зависимость мощности дифрагированного на решетке пучка от угла сканировании, при этом согласно предлагаемому изобретению каждый из пучков формируют в результате дифракции на своей бегущей ультразвуковой волне в акустооптическом дефлекторе, сканируют по углу оба пучка одновременно так, чтобы доплеровский сдвиг частоты света каждого из пучков изменялся линейно во времени, а сдвиг частоты света одного пучка по отношению к другому пучку оставался неизменным в течение цикла сканирования, затем изменяют угол схождения пучков и, при каждом значении его, повторяют цикл сканирования, каждый из двух прошедших через объект пучков направляют на свой фотоприемник и по результату гетеродинного детектирования света, рассеянного на образце, определяют послойное распределение амплитуды модуляции показателя преломления и/или коэффициента поглощения материала.
Отличительным признаком предлагаемого способа является то, что каждый из двух пучков света формируют в результате дифракции на своей бегущей ультразвуковой волне в акустооптическом дефлекторе (АОД). Использование АОД позволяет существенно повысить скорость сканирования по сравнению с электромеханическим сканером в прототипе. Наличие доплеровского сдвига частоты света, который приобретают пучки в результате дифракции на бегущей ультразвуковой волне в АОД, является одним из условий реализации режима послойного анализа структуры материала.
Другим отличительным признаком способа является то, что оба пучка света сканируют по углу одновременно так, что доплеровский сдвиг частоты света одного пучка по отношению к другому пучку оставался неизменным в течение цикла сканирования, затем изменяют угол схождения пучков и, при каждом значении его, повторяют цикл сканирования. Такое сканирование позволяет реализовать режим лазерной доплеровской томографии, принцип действия которой основан на частотном разделении сигналов от каждого слоя по глубине материла. Многократное сканирование при различных углах схождения пучков обеспечивает получение информации о характере распределения параметров образца не только по его толщине, но и в направлении вектора записанной дифракционной решетки.
Благодаря тому, что каждый из двух прошедших через объект пучков направляют на свой фотоприемник, а также благодаря гетеродинному детектированию света, рассеянного на образце, удается в каждом слое определить раздельно уровень модуляции коэффициентов как преломления, так и поглощения фоточувствительного материала.
Запись и последующее гетеродинное детектирование записанной структуры в одной и той же оптической системе позволяет снизить влияние фазовых искажений, вызванных несовершенством оптических элементов, поскольку при одинаковых искажениях волновых фронтов полей сигнал на выходе гетеродинного детектора остается без изменений [4].
Предлагаемый способ поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - структурно-функциональная схема устройства для осуществления предложенного способа;
0
0
c
на фиг.2 - экспериментально полученное распределение амплитуды дифрагированного света по глубине материала при различной величине расстройки Δν/ν между частотами записанной ν и считывающей ν решеток;
на фиг.3 - распределение фазы дифрагированного света (цифровые обозначения соответствуют графикам на фиг.2);
0
на фиг.4 - зависимость амплитуды дифрагированного света от относительной величины расстройки Δν/ν для трех слоев по глубине материала (буквенные обозначения соответствуют обозначениям на фиг.2).
На структурно-функциональной схеме (фиг.1) оптическая часть устройства содержит: полупроводниковый лазер 1, коллиматор 3, акустооптический дефлектор (АОД) 4, объектив 5 и микрообъектив 10 конфокальной оптической системы, непрозрачный экран 9, образец исследуемого материала 11, объективы 12 и 13. Электронная часть устройства содержит: фотоприемники (фотодиоды) 14, 15; блок питания 16 полупроводникового лазера 1, управляющий компьютер 17, трехканальный синхронный синтезатор-генератор высокочастотного напряжения 18, сумматор напряжений 19, смесители-перемножители напряжений 20, 21; фильтры нижних частот 22, 23; усилители фототоков 24, 25 и цифровой регистратор 26.
1
2
1
2
2
1
2
1
Пучок света 2 полупроводникового лазера 1 формируется коллиматором 3 и подается далее на оптический вход АОД 4. На электрический вход управления АОД от синтезаторов 18 через сумматор 19 подаются два напряжения U и U, имеющих частоты f и f соответственно. Эти синусоидальные электрические сигналы возбуждают в АОД две бегущие ультразвуковые волны. Световой пучок, освещающий АОД, дифрагирует на этих волнах. Если f>f, то напряжению U соответствует пучок 8, а напряжению U - пучок 7. Пучок 6, который прошел через АОД без дифракции, блокируется экраном 9, а пучки 7 и 8 с помощью конфокальной оптической системы 5, 10 совмещаются в объеме образца материала 11. Апертура пучков выбирается такой, чтобы при максимальном угле схождения их интерференционная решетка перекрывала образец по всей его толщине.
0
2
1
u
0
При записи тестовых голограмм-решеток лазер работает в импульсном режиме. Блок питания лазера 16 синхронизируется от синтезатора 18. Частота импульсов света равна f=f-f, длительность импульсов t<<1/f, поэтому в зоне пересечения пучков 7 и 8 формируется неподвижная (вследствие стробоскопического эффекта) интерференционная решетка интенсивности света и в среде 11 происходит экспонирование и запись трехмерной голограммы.
л
л
2
л
2
0
Считывание параметров записанной решетки - голограммы производится путем фазочувствительного коллинеарного гетеродинного детектирования дифрагированного на решетке пучка света. Суть процесса такого детектирования состоит в следующем. Лазер переключается в режим непрерывного излучения. Световые пучки 7 и 8 формируются при дифракции в АОД на движущихся решетках, поэтому частота лазерного света f вследствие эффекта Доплера сдвигается так, что у пучка 7 становится равной f-f, a у пучка 8: f-f. Пучок 7 дифрагирует на записанной решетке и часть его, обозначенная на фиг.1 пунктиром, будет распространяться коллинеарно с той частью пучка 8, которая прошла образец материала без отклонения. В результате взаимодействия двух коллинеарных пучков с различными частотами света на выходе фотоприемника 14 появляется фототек с разностной частотой f, несущий информацию о параметрах записанной тестовой решетки. Такое же преобразование происходит и с пучками, попадающими на фотоприемник 15. При детектировании фазовой решетки, суммарная интенсивность всех световых пучков до и после голограммы остается неизменной, поэтому электрические сигналы на выходах фотоприемников 14 и 15 равны по амплитуде и противоположны по фазе. Напротив, движение бегущей решетки интенсивности относительно амплитудной голограммы вызывает синфазную модуляцию света на входах обоих фотоприемников. При обработке результатов сканирования формируют два сигнала, которые пропорциональны сумме и разности токов фотоприемников. При этом разностный и суммарный сигналы раздельно несут информацию соответственно о коэффициентах преломления и поглощения у записанной решетки [5].
1
2
2
1
1
2
s
s
Ω
Ω
z
1
2
s
Ω
д
0
д
0
д
0
Режим послойного (томографического) сканирования осуществляется следующим образом. Частота напряжения U, также как и частота напряжения U изменяется по пилообразному (линейному) закону, причем так, что разность частот f-f остается постоянной в течение цикла сканирования. Вследствие этого и доплеровский сдвиг частоты света пучка 8 по отношению к частоте света пучка 7 также остается неизменным в течение цикла сканирования. Положим, что f и f увеличиваются. На фиг.1 показано, что при этом в задней фокальной плоскости А объектива 5 изображения G1 и G2 перемещаются в направлениях, указанных стрелками. При таком перемещении вектор сканирующей интерференционной решетки в задней фокальной плоскости объектива 10 поворачивается с угловой скоростью Ω, и скорость движения этой решетки относительной записанной структуры приобретает две составляющие: одна из них (V) образуется в результате поступательного движения со скоростью V=V/Q, другая (V) - возникает вследствие вращения пучков вокруг «оси» (начала системы координат XYZ): V=Ω, где V - скорость звука в АОД; Q=F/F>>1 (см. фиг.1) - коэффициент уменьшения конфокальной системы; z - расстояние (по координате Z) слоя от «оси» вращения. В результате сложения поступательного и вращательного движений результирующая скорость изменяется по глубине z образца, поэтому изменяется и доплеровский сдвиг частоты, т.е. каждому слою по глубине материала соответствует своя доплеровская частота. На фиг.1 видно, что при z<0 (отрицательная координата) скорости V и V суммируются, поэтому в этой зоне материала доплеровская частота f>f. Соответственно, в области z>0 имеем f<f, а при z=0 выполняется условие f=f. Это приращение частоты выделяется фотоприемниками 14 и 15 путем описанного выше коллинеарного гетеродинного детектирования.
Для того чтобы при сканировании уменьшить влияние неравномерности чувствительности фотодиода по его поверхности, на каждый из фотоприемников помощью объективов 12 и 13 переносится неподвижное изображение зоны сканирования образца 11.
p
Напряжения с выходов усилителей фототока 24 и 25 поступает на два канала преобразования частоты. Каждый из каналов содержит перемножитель (20, 21) и фильтр нижних частот (ФНЧ) (22, 23). В результате перемножения сигналов фотоприемников и напряжения генератора-синтезатора 3 на выходах ФНЧ появляется напряжение разностной частоты f, величина которой выбирается больше максимальной частотной девиации сигналов фотоприемников. Такой режим преобразования частоты позволяет не менее чем на порядок уменьшить количество отсчетов при цифровой регистрации результатов и одновременно исключить неопределенность знака приращения частоты сигналов фотоприемников.
Результаты эксперимента фиксируются цифровым регистратором 26 и далее путем томографической обработки находятся распределение параметров в каждом слое исследуемой среды.
Восстановление томограммы производится по алгоритму Фурье-синтеза [6].
д
z
z
д
0
1
2
2
2
В результате теоретического анализа найдена функциональная зависимость доплеровского сдвига частоты от положения слоя по глубине материала f=mz, m=df/dz=Qλf γ/nV, где λ - длина волны излучения лазера, γ=df/dt=df/dt - скорость изменения частот, n - показатель преломления материала.
z
д
д
z
0
z
0
z
2
2
Величина m определялась также экспериментально. На место образца 11 (фиг.1) помещалась тонкая дифракционная решетка. Период штрихов у решетки - 2,3 мкм. Решетка перемещалась по оси Z шагами по 50 мкм на расстояние ±300 мкм от плоскости XY, после каждого перемещения производилось сканирование и определялась частота f максимума отклика. Время одного сканирования 0,96 мс. Зависимость f от перемещения оказалась линейной, а коэффициент пропорциональности m=141,4 Гц /мкм. По известным параметрам устройства: Q=32; λ=0,65 мкм; V=0,72 км/с и режиму сканирования: f=9,8 МГц; γ=10,417 кГц/мкс, n=1 определялось расчетное значение m=Qλfγ/n V=133,1 Гц/мкм. Разница между расчетным и экспериментальным значениями m, составила 5,9%.
a
a
a
0max
0max
Важнейшим параметром томографии является разрешающая способность по глубине. Основным фактором здесь является апертурное ограничение угла сканирования. Ясно, что чем больше углы между осью Z и направлениями распространения световых пучков 7 и 8 (фиг.1), тем более мелкие структуры по глубине материала могут быть обнаружены. Максимальное значение этих углов ограничено числовой апертурой N микрообъектива 10 (см. фиг.1). Кроме того, если значение N определено, то для достижения предельного разрешения необходимо выбрать Q=2 NV/λf где f - диапазон рабочих частот АОД. При этом обеспечивается сканирование во всем диапазоне углов, ограниченных числовой апертурой микрообъектива.
0max
a
a
a
0max
opt
а
min
a
mах
mах
min
mах
2
Проведенный теоретический анализ позволил также сформулировать оптимальные условия записи и послойного детектирования. Например, если исходными являются следующие параметры АОД, лазера и микрообъектива: диапазон рабочих частот АОД f= 45 МГц; апертурное время АОД t=10 мкс; V=0,72 км/с; λ=0,65 мкм; числовая апертура микрообъектива 10 (см. фиг.1) N=0,65; то: оптимальный коэффициент уменьшения оптической системы Q=2 NV/λf=32; оптимальный период тестовой решетки d=λ/N=1 мкм; минимальная толщина детектируемого слоя (при n=1,5) ΔН=2nλ/N =4,6 мкм; максимальное количество слоев M=95, максимальная толщина материала Н=ΔH М=437 мкм. Здесь АН определена как толщина элементарного слоя, равного расстоянию между двумя нулями аппаратной функции J(z), т.е. равного величине двойного разрешения по критерию Рэлея.
Экспериментальная проверка способа проводилась на примере тестирования усадки вдоль поверхности у фотополимерного материала. Толщина светочувствительной среды 130 мкм. Она нанесена на стеклянную подложку толщиной 1,2 мм и покрыта пленкой из ацетата толщиной 120 мкм.
0
Размер голограммы в направлении вектора решетки 260 мкм, в поперечном направлении - 68 мкм. Запись производилась по симметричной схеме, когда углы схождения опорного и предметного пучков одинаковы относительно оси Z, поэтому у вектора решетки отсутствует Z - составляющая. Пространственный период решетки d=2,3 мкм. Экспонирование образца выполнялось импульсами света, имеющих длительность 5 нс и частоту повторения 9,8 МГц. Суммарная мощность обоих пучков на поверхности образца 0,12 мВт, время экспонирования 20 с.
z
0
0
c
c
0
2
В соответствии с критерием Рэлея разрешающая способность метода по глубине материала составляет δ=nd /λ=11,7 мкм. Детектирование проводилось при различных расстройках пространственных частот ν и ν записывающей и считывающей решеток соответственно. Время одного сканирования 0,96 мс. Контраст сигнала с выхода фотоприемника при ν=v был равен 0,7.
c
0
c
0
c
0
0
c
0
0
Результаты эксперимента приведены на фиг.2. График 1 соответствует случаю, когда ν=ν, т.е. частоты записанной и считывающей решеток совпадают. На графиках 2, 3 ν=1,004 ν и ν=0,996 ν (расстройка Δν/ν=(ν-ν)/ν=±0,41%) соответственно. Результаты расстройки на ±0,82% показаны на графиках 4 и 5 соответственно. Расстройке на ±1,43% соответствуют кривые 6 и 7 соответственно.
Графики отклонения фазы от линейной зависимости приведены на фиг.3. Видно, что для гармоник со значительной амплитудой, т.е. составляющих большую часть мощности дифрагированного пучка отклонения фазы Δφ по толщине материала минимальны. На границах среды с подложкой и защитным слоем происходит скачок фазы.
0
На фиг.4 показаны зависимости амплитуды дифрагированного света от величины расстройки по частоте между записывающей и считывающей решетками. Каждая кривая построена по 13 значениям величины расстройки. Графики приведены для трех слоев по глубине материала: В - на расстоянии 25 мкм от защитного покрытия, С - в середине по толщине материала и D - на расстоянии 28 мкм от подложки. Положение этих слоев показано также на фиг.2. На фиг.4 видно, что наибольшее смещение максимума характеристики относительно значения Δν/ν=0 происходит у слоя С, т.е. продольная усадка в середине больше, чем вблизи поверхностей светочувствительной среды. Сказывается стабилизирующее свойство защитного слоя и подложки. Решетка оказывается как бы «приклеенной» к их поверхностям.
Усадка максимальна у поверхности фотополимера и имеет минимальное значение вблизи подложки. Возможная причина - различный по глубине материала уровень экспонирования, обусловленный поглощением света.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2088904, кл. G01N 21/85, опубл. 1997.08.27.
2. Патент Российской Федерации №2145109, кл. G02B 21/00, G01B 9/04, опубл. 2000.01.27.
3. Бабин С.А., Васильев Е.В., Ковалевский В.И., Пен Е.Ф., Плеханов А.И., Шелковников В.В. Методы и устройства тестирования голографических фотополимерных материалов. // Автометрия. 2003. 39. №2. С.57.
4. Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Лазерное гетеродинирование. М.: Наука. 1985. С.15.
5. Bader Т.R. Hologram gratings: amplitude and phase components. // Appl.Opt. 1975. 14, №12. P.2818.
6. Левин Г.Г., Вишняков Г.Н. Оптическая томография. М.: Радио и связь, 1989.