Геометрия записи динамических голограмм в фоторефрактивном кристалле для детектирования колебаний микроосцилляторов

УДК 535.417

Р.В. Ромашко, И.О. Яшкузин, Т.А. Ефимов, М.А. Асалханова

Геометрия записи динамических голограмм

в фоторефрактивном кристалле

для детектирования колебаний микроосцилляторов

Проводится анализ эффективности применения адаптивных интерферометров, построенных в различных геометриях записи динамических голограмм в фоторефрактивном кристалле, в задачах детектирования колебаний микромасштабных объектов. Исследуются эффективность взаимодействия, глубина модуляции и порог детектирования измерительных систем. Ключевые слова: микроосциллятор, адаптивный интерферометр, голограмма.

Задача детектирования колебаний микроосцилляторов. Важной задачей исследования микрообъектов является определение их перемещений [1—2]. В работах [3, 4] показана эффективность использования адаптивного голографического интерферометра для детектирования колебаний мик-рокантилеверов. Голографический принцип объединения волн в фоторефрактивном кристалле (ФРК) позволяет обеспечить точное согласование волновых фронтов опорного и объектного лазерных пучков [5]. Существуют различные схемы построения адаптивных голографических интерферометров, в основе которых лежат разные геометрии записи динамической голограммы в ФРК [6]. Динамические голограммы могут записываться в ФРК в отражательной, пропускающей и ортогональной геометриях. Геометрия формирования динамической голограммы определяет различные метрологические характеристики (рис. 1). В работах [3, 4] использована ортогональная геометрия записи динамических голограмм в ФРК. В настоящей работе проводится анализ эффективности применения адаптивных интерферометров, построенных при применении различных геометрий записи динамических голограмм в ФРК, в задаче детектирования колебаний микромасштабных объектов, исследуются эффективность взаимодействия, глубина модуляции, порог детектирования измерительных систем.

ФП

У опорный луч

Г 1 [100]'

ФРК 1

'' 11"'1 объектный

луч

ФП

в

Рис. 1. Геометрии записи динамических голограмм в ФРК: ФП - фото приемник; а - угол между объектным и опорным лучом: а - ортогональная геометрия; б - пропускающая геометрия

Из анализа геометрий записи динамических голограмм в ФРК в работе [6] следует, что наибольшая глубина модуляции сигнала при детектировании колебаний микрообъектов может быть

а

достигнута при использовании отражательной геометрии записи. В свою очередь ортогональная геометрия записи позволяет добиться поляризационной независимости, что особенно важно при исследовании колебаний микроосцилляторов предельно малых размеров. Для экспериментального исследования особенностей взаимодействия световых пучков в кристалле в различных геометриях было изготовлено три модификации адаптивного голографического интерферометра. В качестве источника излучения использовался К^УАО-лазер, работающий в непрерывном режиме на длине волны 1064 нм, мощностью 25 мВт. Лазерный пучок делился на объектный и опорный пучки. Объектный пучок фокусировался линзой и направлялся на микроосциллятор, закрепленный на калиброванном электродинамическом преобразователе, с помощью которого осуществлялась передача колебаний исследуемому микроосциллятору. Вследствие колебаний микроосциллятора отраженное от него излучение было модулировано по фазе. Отраженное излучение собиралось линзой и фокусировалось в ФРК С^е. Опорный пучок проходил через четвертьволновую фазовую пластинку и направлялся в ФРК. Демодуляция фазы волны, отраженной от микроосциллятора, осуществлялась посредством ее взаимодействия с опорной волной, входящей в кристалл по нормали к объектной волне. Интенсивность объектного пучка на выходе из ФРК регистрировалась с помощью фотоприемника. Опорный луч не фокусировался для обеспечения одинаковой интенсивности излучения в кристалле в разных геометриях. Особенность работы адаптивного интерферометра в различных геометриях была также проверена для плоского зеркала, которое устанавливалось вместо микроосциллятора.

Экспериментальные результаты. В качестве микроосциллятора использовался кремниевый микрокантилевер с размерами 180*45*15 мкм3. Для ортогональной и пропускающей геометрий записи показаны экспериментально полученные зависимости амплитуды модуляции регистрируемого сигнала от амплитуды напряжения на электродинамическом преобразователе для разных соотношений мощности объектного и опорного пучков (рис. 2).

Чувствительность адаптивного интерферометра в ортогональной геометрии (рис. 2, а) слабо зависит от отношения мощности объектного пучка к мощности опорного. Наибольшая глубина модуляции регистрируемого сигнала составила 10,4% при соотношении мощностей объектного и опорного пучков 1,4/1000. При этом относительный порог детектирования (ОПД) [7] адаптивного интерферометра составил 5,2*10-8 рад^ (Вт/Гц). Для плоского зеркала, используемого в качестве исследуемого объекта, чувствительность в ортогональной геометрии составила 2,4* 1СГ8 радл/(Вт/Гц).

0,12-,

0,08 -0,060,040,020,0

Урр/Ус

отношение мощности объектного пучка к мощности опорного

Урр/К

и, В

ср 0.Ц7 -

0,06 -0,05 -0,040,030,020,01 -0,00-

отношение мощности объектного пучка к

мощности опорного

43/1000

—•— 4.8(1000

—А— 3/1000

—— 1,01000

♦ 1,2/1000

и, В

0,5

1,0

1,5

2.0

0,0

0,5

и, В

а

1.0 и, в

1.5

2.0

б

Рис. 2. Зависимости амплитуды модуляции регистрируемого сигнала (^рр/Кср) от амплитуды напряжения на электродинамическом преобразователе (и, В): а - ортогональная геометрия; б - пропускающая геометрия

Максимальная чувствительность адаптивного интерферометра в пропускающей геометрии (рис. 2, б) достигается при отношении мощности объектного пучка к мощности опорного 4,8/1000. Наибольшая глубина модуляции регистрируемого сигнала составила 6,6% при соотношении мощностей объектного и опорного пучков 1,6/1000. При этом ОПД адаптивного интерферометра составил 2,9*10-8 рад^(Вт/Гц). Для плоского зеркала, используемого в качестве исследуемого объекта, чувствительность в данной геометрии составила 1,5*10-8 рад^(Вт/Гц).

В отражательной геометрии часть излучения опорного луча попадала в фотоприемник из-за отражения и рассеяния излучения опорного луча на гранях ФРК. Вследствие этого амплитуда регистрируемого сигнала модуляции была сравнимой с собственными шумами адаптивного интерферометра. Для решения этой проблемы, во-первых, была уменьшена мощность опорного пучка при сохранении интенсивности в ФРК за счет использования дополнительной фокусирующей линзы, во-вторых, были добавлены пространственные фильтры. После указанных изменений отношение переменной составляющей регистрируемого сигнала к постоянной составляющей было не более 0,7%. При этом ОПД адаптивного интерферометра составил 35* 10-8 рад^(Вт/Гц). При использовании плоского зеркала чувствительность в данной геометрии составила 1,3*10-8 рад^ (Вт/Гц).

Экспериментальные данные для ортогональной, пропускающей и отражательной геометрий записи динамических голограмм в ФРК представлены в таблице. Анализ представленных экспериментальных данных, полученных с использованием ортогональной, пропускающей и отражательной геометрий записи динамических голограмм в ФРК, позволяет сделать вывод, что наиболее эффективная демодуляция фазы волны, при которой достигаются наибольшая чувствительность и глубина модуляции регистрируемого сигнала при детектировании колебаний микроосциллятора, обеспечивается при использовании ортогональной геометрии записи динамических голограмм в ФРК. В случае детектирования колебаний плоского зеркала наиболее эффективная работа адаптивного интерферометра достигается в отражательной геометрии, что находится в соответствии с теоретическим и экспериментальным анализом, представленным в работе [6].

Экспериментальные данные для

разных геометрий записи динамических голограмм в ФРК

Параметр Ортогональная геометрия Пропускающая геометрия Отражательная геометрия

Максимальная глубина модуляции (микроосциллятор), % 10,4 6,6 0,7

Оптимальное соотношение мощностей пучков (объектного к опорному) 1,4/1000 1,6/1000 —

Порог детектирования (микроосциллятор), рад^(Вт/Гц) 2,4х10-8 2,9х10-8 35Х10-8

Порог детектирования (плоское зеркало), рад^(Вт/Гц) 5,2х10-8 1,5х10-8 1,3х10-8

Заключение. Таким образом, наиболее эффективная работа адаптивного голографического интерферометра в задаче детектирования колебаний микроосцилляторов, при которой наблюдается наибольшая чувствительность и глубина модуляции регистрируемого сигнала, достигается при использовании ортогональной геометрии записи динамических голограмм в ФРК.

Исследование выполнено при поддержке Программы «Научный фонд» ДВФУ», а также Президиума ДВО РАН.

Литература

1. Study of intrinsic localized vibrational modes in micromechanical oscillator arrays / M. Sato, B.E. Hubbard, L.Q. English, and A.J. Sievers // Chaos. - 2003. - Vol. 1382. - P. 702-715.

2. Sekaric L. et al. Nanomechanical resonant structures as tunable passive modulators of light // Applied physics letters. - 2002. - Vol. 80, № 19. - P. 3617-3619.

3. Romashko R.V. et al. Detection of micro-objects nano-scale vibration by adaptive interferometer // Pacific Science Review. - 2012. - Vol. 14, № 3. - P. 233-234.

4. Romashko R.V. et al. Resonance Microweighting Approach with Using Adaptive Interferometer // Pacific Science Review - 2012. - Vol. 14, № 3. - P. 334-336.

5. Fast adaptive interferometer on dynamic reflection hologram in CdTe: V / S.Di Girolamo, A.A. Kamshilin, R.V. Romashko et al. // Optics express. - 2007. - Vol. 15, № 2. - P. 545-555.

6. Photorefractive vectorial wave mixing in different geometries / R.V. Romashko et al. //JOSA B. -2010. - Vol. 27, № 2. - P. 311-317.

7. Orthogonal geometry of wave interaction in a photorefractive crystal for linear phase demodulation / S.Di Girolamo et al. // Optics Communications. - 2010. - Vol. 283, № 1. - P. 128-131.

Ромашко Роман Владимирович

Д-р физ.-мат. наук, профессор каф. теоретической и экспериментальной физики (ТЭФ) Дальневосточного федерального университета (ДВФУ);

вед. науч. сотрудник лаборатории прецизионных оптических методов измерений

Института автоматики и процессов управления

Дальневосточного отделения РАН (ИАПУ ДВО РАН), г. Владивосток

Тел.: 8 (423-2) 231-04-39

Эл. почта: romashko@iacp.dvo.ru

Яшкузин Игорь Олегович

Студент каф. ТЭФ ДВФУ Тел.: 8 (924) 250-67-87 Эл. почта: alex_202@mail.ru

Ефимов Тимофей Аександрович

Аспирант ИАПУ ДВО РАН Тел.: 8 (423-2) 231-04-39 Эл. почта: tim2vl@yandex.ru

Асалханова Мария Алексеевна

Аспирант ИАПУ ДВО РАН Тел.: 8 (914) 328-06-94 Эл. почта: facir@mail.ru

Romashko R.V, Yashkuzin I.O., Efimov T.A., Asalkhanova M.A.

The geometry of the recording of dynamic holograms in a photorefractive crystal to detect the vibration of microoscillators

The holographic system for measurement of nanoscale displacements of micro- and macro-objects based on an adaptive interferometer is developed in different geometries. Effectiveness of the interaction, the depth of modulation and detection threshold of measuring system was studied. Keywords: microoscillator, an adaptive interferometer, hologram.