СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ НАНОВИБРАЦИЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF SURFACE NANOVIBRATIONS

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к лазерным методам диагностики нановибраций как зеркальных металлических, полупроводниковых и диэлектрических поверхностей, так и шероховатых, включая биоткани с микронным пространственным разрешением.
Известен оптический способ измерения колебаний поверхности на основе оптического зонда, состоящего из волоконно-оптического жгута (Волоконно-оптические датчики. Под ред. Т.Окоси. Л.: Энергоатомиздат, 1986, 256 с.). Разрешающая способность такого волоконно-оптического метода составляет 0.014 мкм, при этом датчик колебаний обеспечивает измерения в частотном диапазоне до 200 кГц. Датчик состоит из жгута, в котором часть оптических волокон зондирующие, в которые вводится излучение лазера, а часть волокон принимают отраженное от колеблющейся поверхности лазерное излучение. При измерении сдвига до 100 микрон получена линейность 5%.
Основным достоинством таких датчиков является простота, однако шероховатость поверхности и соответственно индикатриса рассеяния лазерного излучения сильно затрудняет калибровку амплитуд колебаний. Кроме того, частотный спектр должен усложнятся неконтролируемым эффектом динамики лазерных спеклов, возникающих при отражении от шероховатой поверхности.
Для измерения микроперемещений и колебаний поверхности используется автогенераторный волоконно-оптический датчик с оптической линией задержки (Tuchin V.V. et al. Laser speckle and optical fiber sensor. Proc. SPIE1991, V.1420). В замкнутой в кольцо оптоэлектронной системе «лазерный диод - волоконно-оптическая линия задержки (два отрезка световодов) - фотодетектор - резонансный усилитель - цепь питания лазера» возбуждаются автоколебания на частоте, определяемой длиной оптической линии задержки. Поперечное смещение концов световодов изменяет частоту автоколебаний в системе с запаздывающей обратной связью.
Однако при возникновении колебаний волокон происходит частотная модуляция, что при негармонических неизвестных колебаний не позволяет расшифровать спектр колебаний. Кроме того, нелинейная связь частоты автоколебаний с оптоэлектронным коэффициентом усиления не позволяет откалибровать амплитуду колебаний.
Наиболее близким способом бесконтактного определения амплитуды вибрации объектов в десятки нанометров по спектру автодинного сигнала при использовании полупроводникового инжекционного лазерного диода является способ (патент RU №2300085, 27.05.2007; Усанов Д.А.и др. Лазерная автодинная интерферометрия динамических параметров биообъекта. Письма в ЖТФ, 1998, 24, 5, с.39-43).
Способ определения амплитуд вибраций включает облучение объекта лазерным пучком, преобразование обратно-отраженного от зондируемой поверхности излучения в активную среду лазерного диода, изменение лазерной мощности, зависящей от настройки длины торца резонатора лазера и исследуемой поверхности, детектирование переменной составляющей выходной лазерной мощности с помощью фотодетектора, измерение временной переменной составляющей фототока, пропорциональной изменению колебаний лазерной мощности, измерение амплитуды гармоник спектра фототока на различных частотах. В данном способе отраженное лазерное излучение преобразуется в автодинный сигнал, обеспечивая обратную оптическую связь путем направления отраженного пучка в резонатор лазерного диода, при этом в спектральном ряде колебаний выходной лазерной мощности выбирают две любые соседние гармоники и амплитуду вибрации определяют из приведенного математического соотношения.
Однако известно, что исследуемая колеблющаяся поверхность и торец лазерного кристалла образуют резонатор Фабри-Перо с дисперсионно-зависимым коэффициентом отражения. При этом эффективное отражение изменяется от максимума до минимального значения при изменении взаимного расстояния между лазером и поверхностью в пределах длины волны, что нелинейно отражается не только на уровне выходной мощности лазерного диода, но и на спектре колебаний его лазерной мощности, вызванной колебаниями зондируемой поверхности, причем эта нелинейность неконтролируемым образом изменяется во времени. Кроме того, в системе полупроводникового лазерного диода с дополнительным третьим зеркалом, представляющим собой нелинейную активную систему с запаздывающей оптической обратной связью, в которой в зависимости от величины отраженной мощности возможно возникновение режима динамического хаоса, который реализуется даже в случае, когда зондируемая поверхность не колеблется, что не позволяет откалибровать амплитуду колебаний. Не только в модельных расчетах (Tkach R.W. IEEE J Lightwave Technol. 1986, v.4, p.1655), но и в экспериментальных работах, проведенных в различных научных группах в РФ и за рубежом, например (Mork J. et. al. Chaos in Semiconductor Laser with Optical Feedback:Theory and Experiment // IEEE J. Quantum Electronics. 1992, v.28, p.93-104) установлено, что полупроводниковый лазер с запаздывающей обратной оптической связью подвержен возникновению режимов неустойчивости, приводящих к сильным флуктуациям лазерной мощности, частотным флуктуациям, уширяющим спектр, и существенным изменениям оптических спектральных характеристик, что соответственно должно отразиться в продетектированном интерференционном сигнале лазерного автодина. В типичном полупроводниковом лазере, работающем обычно в многомодовом режиме, в зависимости от таких лазерных параметров, как ток инжекции и температура лазерного кристалла, функция когерентности лазерного поля может неконтролируемым образом изменяться во времени, что должно отражаться на амплитуде зондируемых колебаний, что принципиально не позволяет измерить их амплитуду в абсолютных значениях смещений зондируемой поверхности.
Задачей изобретения является бесконтактное и однозначное измерение параметров колебаний зондируемой поверхности, в частности амплитуды и частоты колебаний шероховатых поверхностей. Минимальное значение колебаний определяется уровнем шума фотодетектора и может составлять значения порядка 1 нм.
Техническим результатом изобретения является расширение частотного диапазона измеряемых амплитуд нановибраций в широкой полосе от инфранизких до высокочастотных колебаний и возможность проведения бесконтактного измерения абсолютных динамических смещений зондируемой поверхности с микронным пространственным разрешением.
Поставленная задача достигается тем, что в способе бесконтактного измерения нановибраций поверхности, включающем облучение исследуемой колеблющейся поверхности оптическим пучком излучателя, юстировку излучателя относительно поверхности для получения максимального отражения пучка назад, детектирование переменной составляющей лазерной мощности с помощью фотодетектора и исследование спектра колебаний фототока согласно решению, в качестве излучателя используют гелий-неоновый активный элемент, оптимизированный для получения лазерного излучения на длине волны 3.39 мкм и помещенный в полуконфокальный резонатор с двумя отражающими поверхностями, одна из которых имеет коэффициент отражения не менее 0.9 и радиусом кривизны поверхности вогнутого зеркала, соизмеримой с удвоенной длиной активного элемента, а в качестве второй отражающей поверхности резонатора используется зондируемая поверхность, юстируют ось резонатора перпендикулярно исследуемой поверхности до возникновения генерации и получения ее максимального значения, перестраивают длину резонатора при сканировании сферического зеркала в пределах длины волны и измеряют значение выходной лазерной мощности, настраивают длину резонатора на линейный участок зависимости лазерной мощности от длины резонатора, измеряют переменную составляющую лазерной мощности, пропорциональной колебаниям поверхности, анализируют переменную составляющую фотодетектора, фототок которого пропорционален переменной составляющей лазерной мощности, и с помощью Фурье или Вейвлет преобразования определяют амплитуды и частоты колебаний исследуемой поверхности.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена блок-схема устройства для реализации способа бесконтактного измерения амплитуды и частоты нановибраций. Позициями на чертеже обозначены:
1 - низкочастотный анализатор спектра;
2 - стабилизированный низковольтный источник постоянного напряжения;
3 - перестраиваемый источник постоянного напряжения;
4 - стабилизированный высоковольтный источник постоянного напряжения;
5 - фотосопротивление;
6 - пьезосканер;
7 - сферическое выходное зеркало резонатора;
8 - активный элемент, наполненный неоном и гелием, оптимизированный для получения максимального усиления длины волны 3.39 мкм;
9 - колеблющаяся поверхность исследуемого объекта;
10 - персональный компьютер с входной платой АЦП.
p
p
p
На фиг.2 представлена экспериментальная зависимость выходной лазерной мощности He-Ne лазера (k=3.39 мкм) от перестройки длины резонатора ΔL в пределах длины волны λ. При этом частота генерации лазера ν определяется модой резонатора из соотношения ν=n·c/2L, где n - натуральное число, L - длина резонатора, c - скорость света. Расстояние между соседними максимумами выходной мощности при перестройке n-й моды резонатора до n+1 моды, изменение длины резонатора соответствует полдлины волны излучения лазера.
Способ осуществляется следующим образом.
С помощью стабилизированного высоковольтного источника постоянного напряжения 4 в активном элементе от He-Ne лазера 8 возбуждается тлеющий разряд, устанавливается оптимальный ток разряда, соответствующий максимальному усилению гелий-неоновой смеси, сферическое зеркало 7 юстируется параллельно оптической оси активного элемента, укрепленного в резонаторе 9. Резонатор 9 подводят к зондируемой поверхности 10 на расстояние, много меньшее длины корпуса резонатора; ось резонатора устанавливают перпендикулярно к колеблющейся поверхности 10; юстируют ось резонатора относительно зондируемой поверхности 10, которая выступает в качестве одного из двух отражающих поверхностей резонатора до получения лазерной генерации на длине волны 3,39 мкм, что фиксируют с помощью фотодетектора 5 при подаче напряжения от помощью стабилизированного низковольтного источника постоянного напряжения 2. Юстируют резонатор до получения максимальной лазерной мощности, устанавливают частоту лазерной генерации в линейный участок зависимости мощности излучения от длины резонатора при смещении выходного сферического зеркала в пределах длины волны с помощью пьезосканера 6. При этом переменная составляющая лазерной мощности, пропорциональная колебаниям зондируемой поверхности, однозначно измеряется и связана с переменной составляющей фототока детектора, спектр которого измеряется с помощью аналогового спектроанализатора, или переменная составляющая фототока оцифровывается с помощью платы АЦП персонального компьютера, а далее, используя программу быстрого преобразования Фурье, получают однозначную спектральную зависимость колебаний поверхности, по которой определяют амплитуду и частоту колебаний, усредненную в пределах размера зондирующего лазерного пучка. Если спектр колебаний поверхности нестационарный, то для анализа спектра колебаний используется Вейвлет преобразование.
Для уменьшения анализируемого размера зондируемой поверхности до размера длины волны (3-х микрон) необходимо установить расстояние между сферическим зеркалом 7 и зондируемой поверхностью, большей или равной радиусу кривизны зеркала 7. Такая конфигурация резонатора приближается к полуконцентрическому резонатору (Справочник по лазерам. Под ред. А.М.Прохорова. М.: Сов. радио, 1980).
Предлагаемый метод прошел экспериментальную апробацию при использовании активного элемента от гелий-неонового лазера ЛГ-53/3 длиной активного элемента 27 см, в качестве выходного сферического зеркала использовалось диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 0.9 и радиусом кривизны 0.5 метра. Экспериментально была получена генерация на длине волны 3.39 мкм с выходной мощностью несколько мВт при использовании в качестве зондируемой поверхности не только металлических полированных поверхностей с классом шероховатости.
от 14 до 10, но и необработанных металлических поверхностей из железа и алюминия, а также поверхностей из биотканей, таких как ноготь человека и кожа. Лазерное излучение с длиной волны 3.39 мкм не попадает в полосу поглощения воды, и коэффициент отражения кожи человека достигает 40%, что близко к оптимальному коэффициенту отражения для такой сильно усиливающей среды в He-Ne лазере. ИК лазерное излучение детектировалось фотосопротивлением (германий, легированный золотом, охлаждаемым жидким азотом). Использование такого детектора позволяет измерять сверхвысокочастотные механические колебания с частотой до 1 МГц. Минимально измеряемая амплитуда колебаний определяется уровнем шума фотодетектора и составляет 0.1% от максимального уровня выходной лазерной мощности, что соответствует минимально измеряемым смещениям порядка 1 нм.
p
p
Для измерения абсолютных значений амплитуды колебаний необходимо провести калибровку предлагаемого метода. Калибровка осуществляется следующим образом (фиг.2). С помощью пьезосканера 6 с укрепленным на нем выходным зеркалом при изменении напряжения на источнике 3 осуществляется управляемое изменение геометрической длины резонатора ΔL=λ/2, т.е. в пределах полдлины волны λ/2=3.39/2 мкм; что вызывает линейное смещение частоты генерации лазера Δν=c/2L и соответственно выходной лазерной мощности от нулевого значения до максимального и опять нулевого. При сканировании длины резонатора в пределах длины волн λ=3.39 мкм происходит одночастотная генерация сначала на n продольной моде резонатора, потом на n+1 продольной моде, поэтому периодическое изменение лазерной мощности наблюдается при изменении длины резонатора в пределах λ/2. Настраиваясь на линейный участок зависимости лазерной мощности от длины резонатора (частоты генерации), получают коэффициент линейной связи изменения лазерной мощности от изменения длины резонатора. Таким образом, изменение длины резонатора линейно и однозначно связано с изменением лазерной мощности и при настройке резонатора на линейный участок зависимости лазерной мощности от длины резонатора амплитуда колебаний зондируемой поверхности в абсолютных значениях пересчитывается из изменений переменной составляющей мощности, при этом частотный спектр колебаний поверхности не искажается.