УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ МИКРО- И НАНООБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к оптоэлектронике и может быть использована в производстве наноматериалов и в метрологии.
Известно устройство для измерения массы микро- и нанообъектов, которое построено на основе резонансного микровзвешивания, в котором чувствительный элемент - микроосциллятор - установлен таким образом, что он является частью интерферометра Фабри-Перо (В.Ilic, H.G.Craighead, S.Krylov, W.Senaratne, C.Ober, and P.Neuzil. Attogram detection using nanoelectromechanical oscillators // J. Appl. Phys. - 2004. - Vol.95. - P.3694-3703). Излучение непрерывного лазера делится на две световые волны: объектную и опорную. Опорная световая волна светоделителем направляется в фотодетектор. Часть излучения объектной световой волны непрерывного лазера отражается от микроосциллятора, другая часть объектной световой волны проходит через микроосциллятор и отражается от подложки микроосциллятора, после чего обе части объектной световой волны попадают в фотодетектор. Микроосциллятор устанавливается на пьезокерамический элемен, с помощью которого возбуждаются собственные колебания микроосциллятора.
К недостаткам аналога следует отнести:
- микроосциллятор должен быть в известной степени прозрачным для зондирующего излучения, что ограничивает материалы, которые могут быть использованы при его изготовлении;
- повышенные требования к точности изготовления микроосциллятора, повышенные требования к стабильности среднего положения микроосциллятора в процессе работы сенсора, ограниченность динамического диапазона регистрируемых колебаний по амплитуде.
Известно также устройство для измерения массы микро- и нанообъектов (Nickolay V. Lavrik, Panos G. Datskos, Femtogram Mass Detection Using Photo-Thermally Actuated NanoMechanical Resonators, Appl. Phys. Letters, Vol.82 (2003) pp.2697-2699.). Устройство содержит микроосциллятор, помещенный в вакуумную камеру. Возбуждение собственных колебаний микроосциллятора происходит при помощи импульсного лазера. Излучение непрерывного лазера проходит через светофильтр и расширитель пучка, попадает на светоделитель, где делится на две световые волны. Одна из волн отражается от зеркала, установленного на устройство перемещения, проходит через полосовой фильтр, фокусируется линзой и попадает в фотоприемник. Другая волна фокусируется объективом на свободном конце микроосциллятора. Отраженная от микроосциллятора волна попадает в объектив, светоделителем направляется через полосовой фильтр и фокусирующую линзу в фотоприемник. Сигнал с фотоприемника поступает в регистрирующий блок, где происходит обработка сигнала и определение частоты колебаний микроосциллятора. По изменению частоты колебаний микроосциллятора определяется масса объектов, присоединенных к микроосциллятору. Фильтр предназначен для предотвращения попадания излучения импульсного лазера в фотодетектор. Непрерывный лазер, расширитель пучка, светоделитель, зеркало, полосовой фильтр, линза, объектив, фотоприемник в совокупности представляют собой интерферометр. Для стабилизации работы интерферометра зеркало, установленое на перемещения, смещается.
Данное техническое решение по своему функциональному назначению и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- низкая стабильность интерферометра (стабилизацию необходимо проводить вручную, путем подстройки зеркала);
- повышенный шум вследствие подержанности устройства внешним шумам, что в свою очередь повышает порог детектирования массы;
- низкая чувствительность из-за невозможности использования микросцилляторов размером меньше длины волны лазерного излучения.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства для измерения массы микро- и нанообъектов, устойчивого к внешним шумам, позволяющего использовать в качестве микроосцилляторов объекты, характерные размеры которых меньше размера лазерного пучка объектной волны в месте максимальной фокусировки или даже длины волны излучения (наноразмерные объекты), что позволяет значительно понизить порог измерения масс и увеличить чувствительность за счет использования микроосцилляторов меньших размеров.
Поставленная задача решается тем, что устройство содержит импульсный источник излучения, источник излучения когерентной световой волны, светофильтр, светоделитель, который разделяет когерентную световую волну на опорную и объектную. Импульсный источник излучения генерирует световой импульс, который направлен на микроосциллятор. Кроме того, устройство дополнительно содержит зеркало, установленное после источника излучения когерентной световой волны и направляющее волну под углом 90° в светоделитель, систему зеркал, направляющих опорную волну под 90° к объектной световой волне, фазовую четвертьволновую пластинку, линзу и фоторефрактивный кристалл. Опорная волна после светоделителя пропускается через фазовую четвертьволновую пластинку и через систему зеркал, линзу направлена на фоторефрактивный кристалл. Объектная волна после светоделителя через объектив направлена на микроосциллятор, а отраженная от микроосциллятора волна через объектив, светоделитель, светофильтр, фокусирующую линзу, фоторефрактивный кристалл направлена на фотоприемник. Фоторефрактивный кристалл установлен в месте пересечения опорной и объектной волн. Опорная и объектная волны направлены в фоторефрактивный кристалл под прямым углом друг к другу вдоль осей фоторефрактивного кристалла [010] и [100].
В качестве источника излучения когерентной световой волны используется непрерывный лазер.
В качестве фоторефрактивного кристалла используется кристалл теллурида кадмия, установленный в ортогональной геометрии записи динамических голограмм.
В качестве светоделителя используется светоделительная пластина, делящая излучение на два пучка в равном соотношении.
Устройство для измерения массы микро- и нанообъектов построено на основе резонансного микровзвешивания. В качестве чувствительного элемента используется микрокантилевер прямоугольной формы, выполненный из кремния. Один из концов микроканитилевера закреплен на жестком основании, другой остается свободным. Объекты, подлежащие взвешиванию, присоединяются к микрокантилеверу. Определение массы микро- и нанообъектов осуществляется посредством измерения смещения частоты собственных колебаний микроосциллятора.
В заявленном устройстве для измерения массы микро- и нанообъектов общими признаками для него и для его прототипа являются:
- импульсный источник излучения;
- микросциллятор, на который подается лазерный импульс от импульсного источника излучения;
- источник излучения когерентной световой волны;
- светофильтр;
- светоделитель, разделяющий когерентную световую волну на опорную и объектную;
- объектная волна от светоделителя направлена через объектив на микроосциллятор;
- отраженная от микроосциллятора волна направлена на фотодетектор.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что первое имеет в отличие от прототипа следующие существенные признаки:
- зеркало, установленное после источника излучения когерентной световой волны и направляющее волну под углом 90° в светоделитель;
- система зеркал, направляющих опорную волну под 90° к объектной световой волне;
- фазовая четвертьволновая пластина;
- фоторефрактивный кристалл;
- вторая фокусирующая линза;
- опорная волна после светоделителя пропускается через фазовую четвертьволновую пластинку и направляется через систему зеркал, вторую фокусирующую линзу на фоторефрактивный кристалл;
- отраженная от микросциллятора объектная волна через объектив, светоделитель, светофильтр, первую фокусирующую линзу, фоторефрактивный кристалл на фотоприемник;
- фоторефрактивный кристалл установлен в месте пересечения опорной и объектной волн;
- опорная и объектная волны направлены в фоторефрактивный кристалл под прямым углом друг к другу вдоль осей фоторефрактивного кристалла [010] и [100].
Совокупность существенных признаков заявленной полезной модели имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом.
Сущность технического решения поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства для измерения массы микро- и нанообъектов, где обозначены:
1 - импульсный лазер
2 - лазерный импульс
3 - микроосциллятор
4 - непрерывный лазер
5 - зеркало
6 - светоделитель
7 - объектная волна
8 - опорная волна
9 - объектив
10 - светофильтр
11 - первая фокусирующая линза
12 - четвертьволновая пластина
13 - зеркало
14 -зеркало
15 - вторая фокусирующая линза
16 - фоторефрактивный кристалл
17 - фотоприемник.
Схема устройства для измерения масс микро- и нанообъектов поясняется чертежом. Устройство содержит два источника излучения. Первым является импульсный лазер 1. Лазерный импульс 2 данного лазера возбуждает собственные колебания микроосциллятора 3. Вторым источником излучения световой когерентной волны является непрерывный лазер 4. Излучение непрерывного лазера 4 зеркалом 5 направляется на светоделитель 6. Светоделитель 6 разделяет излучение на две волны: объектную 7 и опорную 8. Объектная волна 7 проходит через объектив 9 и попадает на микроосциллятор 3, отражается от него, попадает снова в объектив 9, проходит через светоделитель 6, фильтр 10, первую фокусирующую линзу 11 и попадает в фоторефрактивный кристалл (ФРК) 16. На выходе из кристалла объектная волна 7 попадает в фотоприемник 17. Опорная волна проходит через четвертьволновую пластину 12, отражается от системы зеркал 13 и 14, проходит через вторую фокусирующую линзу 15 и попадает в фоторефрактивный кристалл 16. Элементы 4-16 в совокупности представляют собой адаптивный голографический интерферометр.
Устройство для измерения массы микро и нанообъектов работает следующим образом. Объекты, подлежащие взвешиванию, помещаются на микроосциллятор 3. Собственные колебания микроосциллятора возбуждаются лазерными импульсами 2 от импульсного источника излучения 1. Лазерные импульсы 2 посылаются на микроосциллятор 3 с частотой 1-10 Гц. Отраженная от микроосциллятора 3 объектная волна 7 вследствие колебаний микроосциллятора, модулирована по фазе. Преобразование изменений фазы объектной волны в изменение интенсивности происходит за счет взаимодействия опорной и объектной волны в фоторефрактивном кристалле (ФРК) 16. Изменение интенсивности объектной волны 7 на выходе из фоторефрактивного кристалла 16 регистрируется фотоприемником 17. Из сигнала, регистрируемого фотоприемником, определяется частота колебаний микроосциллятора, по изменению которой вычисляется масса объектов, присоединенных к микроосциллятору 3.
Голографический принцип объединения волн в ФРК позволяет обеспечить точное согласование произвольных фронтов опорной и объектной световых волн, а адаптивные свойства динамической голограммы обеспечивают стабилизацию рабочей точки интерферометра в области его максимальной чувствительности (квадратурные условия) под воздействием неконтролируемых изменений параметров окружающей среды. Благодаря этому повышается стабильность интерферометра, уменьшаются шумы, увеличивается чувствительность, отпадает необходимость в точной юстировке оптических элементов, и появляется возможность использовать в качестве микроосцилляторов объекты, характерные размеры которых меньше размера зондирующего лазерного пучка в месте максимальной фокусировки или даже длины волны излучения (наноразмерные объекты). Это позволяет значительно понизить порог измерения массы объектов.