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 (B. Ilic, H.G. Craigheat, 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 элемент, 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, содержащее импульсный лазер, оптически сообщенный с микроосциллятором, непрерывный лазер оптически сообщенный со светоделителем, который через объектив оптически сообщен с микроосциллятором, а через фокусирующую линзу оптически сообщен с фотоприемником (Nickolay V. Lavrik, Panos G. Datskos, Femtogram Mass Detection Using Photo-Thermally Actuated NanoMechanical Resonators, Appl. Phys. Letters, Vol. 82 (2003) pp. 2697-2699.).
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 (стабилизацию необходимо проводить вручную, путем подстройки зеркала);
- повышенный шум вследствие подверженности устройства внешним шумам, что в свою очередь повышает порог детектирования массы;
- низкая чувствительность из-за невозможности использования микросцилляторов размером меньше длины волны лазерного излучения;
- наличие только одного измерительного канала.
Задачей настоящей полезной модели является повышение стабильности и чувствительности устройства, снижение его подверженности внешним шумам, увеличение числа измерительных каналов.
Результатом, проявляющимся при решении поставленной задачи, является создание многоканального 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 для измерения массы микро- и нанообъектов, содержащее импульсный лазер, оптически сообщенный с микроосциллятором, непрерывный лазер, оптически сообщенный со светоделителем, который через объектив оптически сообщен с микроосциллятором, а через фокусирующую линзу оптически сообщен с фотоприемником, отличается тем, что в составе устройства использованы четыре микроосциллятора расположенные на одной горизонтальной линии так, что расстояние между крайними микроосцилляторами не превышает ширину пучка, формируемого объективом, при этом каждый микроосцилятор оптически сообщен с импульсным лазером, кроме того, в составе устройства использованы четыре фотоприемника, кроме того, выходы микроосцилляторов оптически сообщены с фотоприемником через объектив, светоделитель, светофильтр, первую фокусирующую линзу и фоторефрактивный кристалл вдоль его оси [100], при этом, непрерывный лазер через систему зеркал, светоделитель, фазовую четвертьволновую пластину и вторую фокусирующую линзу оптически сообщен с фоторефрактивным кристаллом вдоль его оси [010], кроме того светоделитель через объектив оптически сообщен с микроосцилляторами. Кроме того, в качестве фоторефрактивного кристалла использован кристалл теллурида кадмия. Кроме того, в качестве источника световой когерентной волны использован непрерывный твердотельный инфракрасный лазер. Кроме того, в качестве объектива использована цилиндрическая линза, одна сторона которой выполнена плоской, а другая - выпуклой, сечение которой соответствует дуге окружности, при этом линза обращена выпуклой стороной к микроосцилляторам, а ее продольная ось ориентирована горизонтально.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного решения с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию ”новизна”.
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает решение технической задачи полезной модели, а именно повышение стабильности и чувствительности устройства, снижение его подверженности внешним шумам, увеличение числа измерительных каналов, т.е. имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема устройства для измерения массы микро- и нанообъектов (вид сверху); на фиг. 2 и на фиг. 3 показана схема взаимодействия объектной волны с микроосцилляторами, соответственно, вид сверху и вид сбоку относительно цилиндрической линзы (вдоль оси световых пучков).
На чертежах показаны: 1 - импульсный лазер; 2 - лазерный импульс; 3 - микроосцилляторы; 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 - первое зеркало; 14 - второе зеркало; 15 - вторая фокусирующая линза; 16 - фоторефрактивный кристалл; 17 - фотоприемник, 18 - отраженные световые пучки, составляющие отраженную объектную волну 7.
В качестве непрерывного лазера 4 (источника излучения когерентной световой волны) используется непрерывный твердотельный инфракрасный лазер известной конструкции.
В качестве фоторефрактивного кристалла 16 используется кристалл теллурида кадмия.
В качестве светоделителя 6 используется светоделительная пластина, выполненная известным образом и ориентированная с возможностью разделения излучения на два световых пучка в равном соотношении (объектную волну 7 и опорную волну 8).
Устройство для измерения массы микро- и нанообъектов построено на основе резонансного микровзвешивания. В качестве чувствительных элементов используют микроосцилляторы 3 (микрокантилеверы) прямоугольной формы, выполненные из кремния. Один из концов микрокантилевера закреплен на жестком основании, другой остается свободным. Объекты, подлежащие взвешиванию, присоединяют к микрокантилеверу. Определение массы микро- и нанообъектов осуществляют посредством измерения смещения частоты собственных колебаний микроосциллятора. Микроосцилляторы расположены на одной горизонтальной линии так, что расстояние между крайними микроосцилляторами не превышает ширину пучка, формируемого объективом, при этом каждый микроосцилятор оптически сообщен с импульсным лазером. Система зеркал включает: зеркало 5, первое зеркало 13 и второе зеркало 14, обеспечивающие необходимый разворот когерентной световой волны, генерируемой непрерывным лазером 4.
Лазерный импульс 2 импульсного лазера 1 возбуждает собственные колебания микроосцилляторов 3. 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 микроосцилляторы 3, отражается от них, возвращается снова в объектив 9 (пучками, число которых соответствует числу микроосциляторов). При этом микроосцилляторы расположены вертикально. Цилиндрическая линза, используемая в качестве объектива 9, делает пучок вытянутым в горизонтальной плоскости. Отраженные от микроосцилляторов 3 пучки проходят через цилиндрическую линзу 9, собирающую отраженное излучение. Эти пучки проходят через светоделитель 6, фильтр 10, первую фокусирующую линзу 11 и попадают в фоторефрактивный кристалл (ФРК) 16. Опорная волна проходит через четвертьволновую пластину 12, последовательно отражается от зеркал 13 и 14, проходит через вторую фокусирующую линзу 15 и попадает в фоторефрактивный кристалл 16. При этом отраженные световые пучки, составляющие объектную волну 7, вводятся в фоторефрактивный кристалл вдоль его оси [100], а опорная волна вводится в фоторефрактивный кристалл вдоль его оси [010]. В фоторефрактивном кристалле опорная волна объединяется с каждым световым пучком и после объединения полученные световые сигналы направляются на фотоприемники.
Как упомянуто выше, благодаря первой фокусирующей линзе 11 пучки, составляющие объектную волну 7, фокусируются в кристалл (ФРК) 16, соответственно, благодаря ей, после кристалла 16 пучки начинают расходиться, поэтому обеспечивается их попадание в соответствующие фотоприемники. Удаление фотоприемников от кристалла 16 определяется, как место, где световые пучки расходятся на расстояние достаточное для установки фотоприемников 17 (число которых соответствует числу микроосциляторов 3). Элементы 4-16 в совокупности представляют собой адаптивный голографический интерферометр.
Устройство может быть использовано, при детектировании наличия и изменения количества каких-либо веществ, например, определенных белков в жидкостях или воздухе; каждый микроосциллятор может детектировать свое вещество (в зависимости от нанесенного активного слоя на его поверхность) в режиме реального времени.
Устройство для измерения массы микро- и нанообъектов работает следующим образом. Объекты, подлежащие взвешиванию, известным образом помещают на микроосцилляторы 3. Собственные колебания микроосциляторов 3 возбуждаются лазерными импульсами 2 от импульсного источника излучения 1. Лазерные импульсы 2 посылаются на микроосциллятор 3 с частотой 1-10 Гц. Отраженные от микроосцилляторов 3 пучки объектной волны 7 вследствие колебаний микроосцилляторов оказываются промодулированы по фазе (от каждого отдельного микроосциллятора 3 отражается один световой пучок). Преобразование изменений фазы каждого пучка объектной волны 7 в изменение интенсивности происходит за счет их взаимодействия с опорной волной 8 в фоторефрактивном кристалле (ФРК) 16. Изменение интенсивности каждого пучка 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 конкретному микроосциллятору 3. При этом между световыми пучками, составляющими объектную волну 7, не возникает взаимодействия, поскольку в такой геометрии, где опорная и объектная волны пересекаются в фоторефрактивном кристалле 16 под прямым углом, в силу анизотропии электрооптического эффекта оказывается запрещенным взаимодействие пучков объектной волны между собой в случае, если они распространяются строго в направлении [100], что исключает возможность появления перекрестных помех между каналами.
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.