Измерительные устройства, основанные на дифракционных эффектах лазерных пучков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Басистый, Евгений Викторович

• Басистый, Евгений Викторович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Басистый, Евгений Викторович

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР НАУЧНЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХМАЛЫХ УГЛОВЫХ И ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВ, ОСНОВАННЫХ НА ДИФРАКЦИОННЫХ ЭФФЕКТАХ

1.1 четырехквадрантный фотодетектор

1.2 Триангуляционные лазерные датчики

1.3 Растровые датчики

1.4 И нтерферометрические датчики

1.5 Датчики на ступенчатых фазовых структурах (СФС)

1.6 Устройства, основанные на дифракционных эффектах

ГЛАВА 2 УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ДИФРАКЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ОТРАЖАЮЩИХ СТРУКТУРАХ, ИМЕЮЩИХ БОЛЬШУЮ ГЛУБИНУ

2.1 Теоретические основы построения да тчиков на периодических прямоугольных структурах

2.1.1 Схема и теоретический анализ взаимодействия лазерного излучения с периодической отражающей рельефной структурой

2.1.2 Экспериментальное исследование зависимости мощности в нулевом порядке дифракции от угла падения лазерного излучения на дифракционную решетку

2.2 Экспериментальное исследование макета оптоэлектронного да тчика угловых смещений, построенного на основе глубокой отража тельной фазовой дифракционной решетки

2.2.1 Принцип построения и схема предлагаемого макета датчика угловых колебаний

2.2.2 Чувствительность датчика

2.2.3 Основные результаты

2.3 Модулятор л а зерного излучения

2.3.1 Схема и принцип работы модулятора

2.3.2 Модуляционная характеристика

2.3.3 Экспериментальные испытания модели модулятора

2.4 Измерение глубины прямоугольных периодических структур

2.4.1 Методика измерений глубины при h < -^/(4 COS©) (методика №1)

2.4.2 Методика измерений глубины при h > Я j(4 COS©) (методика №2)

2.4.3 Экспериментальные результаты проверки методики измерений глубины рельефа

2.4.4 Основные результаты исследований методики измерения глубины дифракционных структур

2.5 Основные резуль та ты исследований предста вленных в глаbe 2

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ДИФРАКЦИИ ГАУССОВА ПУЧКА НА СТУПЕНЧАТОЙ ФАЗОВОЙ СТРУКТУРЕ (СФС) И ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

3.1 Способы формирования и величина ступенча того фазового перепада

3.2 Расчёт пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия с СФС методом Фурье анализа

3.3 А нал из резуль ta tob численных ра счётов ра спределения интенсивности и ростра нственного спектра после взаимодействия Гауссова пучка с СФС

3.3.1 Bud и основные особенности пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия с СФС

3.3.2 Изменение в пространственном спектре при повороте образца на 180 градусов

3.3.3 Влияние сдвига СФС вдоль оси Oz на форму пространственного спектра

3.3.4 Анализ изменения формы пространственного спектра Гауссова пучка в случае поперечного смещения СФС относительно оптической оси лазерного пучка в плоскости, перпендикулярной направлению падения лазерного излучения в направлении Ох

3.3.5 Основные свойства пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия с СФС выявленные в результате компьютерного моделирования

3.4 Экспериментальные исследования

3.4.1 Экспериментально измеренные пространственные спектры Гауссова пучка после взаимодействия с СФС различной глубины

3.4.2 Изменение в пространственном спектре при повороте образца на 180 градусов

3.4.3 Экспериментальное исследование и анализ изменения формы пространственного спектра Гауссова пучка в случае смещения СФС в плоскости, перпендикулярной направлению падения лазерного излучения

3.4.4 Экспериментальное исследование спектра интенсивности Гауссова пучка после отражения от СФС

3.4.5 Исследование модели датчика малых угловых и линейных отклонений с чувствительным элементом в виде ступенчатой фазовой структуры

3.4.6 Исследование макета измерителя малых перемещений на основе полупроводникового лазера и СФС

3.5 Основные резуль та ты исследова ний пред ста вленных в гла be 3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А - МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ СФС,

122

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерительные устройства, основанные на дифракционных эффектах лазерных пучков»

Введение

Актуальность темы исследования

В рамках диссертационной работы проведены исследования дифракции оптических пучков на оригинальных, специфических дифракционных структурах: на отражающей глубокой (с глубиной более длины волны зондирующего излучения) дифракционной решетке с прямоугольным профилем и на ступенчатой фазовой структуре (СФС). Детальное исследование свойств и особенностей дифракции лазерных пучков на таких структурах не было описано ранее в научной литературе. На основе проведенных теоретических и экспериментальных физических исследований этих объектов автором были предложены новые типы оптико-электронных устройств для измерения малых угловых колебаний и линейных перемещений, а также для построения новых типов модуляторов лазерных пучков. В результате проведенных физических исследований предложены новые схемы измерительных устройств, которые актуальны и будут полезны для практики.

К исследованию и разработке оптоэлектронных датчиков в последнее время проявлялся большой интерес. Новые возможности создания высокоэффективных малогабаритных конструкций появились с внедрением в практику высококачественных недорогих малогабаритных полупроводниковых лазеров, а также с широким применением волоконной оптики. Оптоэлектронные датчики имеют ряд достоинств. Оптические датчики малых перемещений и колебаний малочувствительны к влиянию электромагнитных и электростатических помех, имеют высокую чувствительность к перемещениям, способны детектировать линейные и угловые колебания с очень малыми амплитудами, порядка десятых и сотых долей нанометра (линейных перемещений) и сотых долей миллирадиана угловых перемещений и колебаний. С другой стороны, развитие современных технологий и техники научных экспериментов в различных областях требует совершенствования и разнообразия применяемых датчиков и средств измерений линейных и угловых перемещений и колебаний. В частности, датчики малых

линейных и угловых перемещений могут найти применение при построении различного типа следящих систем, устройств контроля технологических процессов, при конструировании измерительных приборов. С учётом всех этих обстоятельств направление и тема исследований данной диссертации являются актуальными.

В настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести теоретический анализ пространственного спектра дифрагированных волн, полученных в результате отражения лазерного пучка от глубокой дифракционной решётки. Проанализировать характер зависимости мощности дифракционных порядков в оптическом пучке, отражённом от глубокой решётки, от глубины рельефа и угла падения оптического пучка.

2. Исследовать экспериментально зависимости мощности дифракционных порядков в отражённом лазерном пучке от параметров решётки и угла падения — отражения. Сопоставить данные эксперимента с теорией.

3. Изготовить и исследовать экспериментально модели новых устройств - датчиков угловых колебаний на основе прямоугольных периодических дифракционных структур. Дать рекомендации по практическому применению разработанных новых типов датчиков.

4. Провести исследования взаимодействия сфокусированного лазерного пучка с ступенчатой фазовой структурой (СФС). Выполнить расчётный анализ распределения интенсивности излучения в пространственном спектре после взаимодействия сфокусированного лазерного пучка с СФС. Проанализировать эффекты, наблюдаемые при смещении ступенчатой фазовой структуры относительно центра перетяжки пучка в различных направлениях (вдоль оптической оси, поперек оптической оси пучка).

5. Провести экспериментальные исследования дифракции сфокусированного лазерного пучка на ступенчатых фазовых структурах, имеющих различные глубины, с целью проверки и подтверждения достоверности теоретических расчётов.

6. На основе выявленных закономерностей предложить методики для измерения малых угловых и линейных перемещений.

Научная новизна

1. Исследованы свойства пространственных спектров при дифракции лазерного пучка на прямоугольных периодических отражающих структурах с большой глубиной, порядка нескольких длин волн. Выявлены новые особенности поведения зависимостей интенсивностей в дифракционных порядках от угла падения лазерного пучка на дифракционную структуру.

2. Построены и исследованы экспериментально макеты датчика малых угловых перемещений и модулятора лазерного излучения нового типа, работа которых основана на исследованных автором эффектах изменения интенсивности лазерного излучения в нулевом порядке дифракции при изменении углов падения-отражения лазерного пучка от глубокой прямоугольной периодической структуры.

3. С применением Фурье-анализа исследованы основные свойства пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия со ступенчатой фазовой структурой. Впервые проведено расчётное моделирование поведения пространственного спектра при смещении СФС относительно центра перетяжки лазерного пучка. На основе компьютерного анализа сделан вывод о возможности применения этой оптической системы в качестве датчика малых перемещений.

4. Проведены экспериментальные исследования основных свойств пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия со ступенчатой фазовой структурой. Выявлены новые закономерности изменения интегральных мощностей в максимумах дифракционной картины при смещении образца СФС относительно центра перетяжки пучка. Получено хорошее согласование экспериментальных результатов с результатами расчётов.

5. На основании результатов проведенных физических исследований взаимодействия лазерного пучка с СФС предложено новое устройство измерения малых угловых и линейных перемещений с чувствительным элементом в виде ступенчатой фазовой структуры. Собран макет устройства, показана его

работоспособность и экспериментально измерены его характеристики. Новизна устройства подтверждена патентом па полезную модель.

Научная и практическая ценность

Выявлен ряд новых, ранее не исследованных закономерностей, наблюдаемых при дифракции оптического пучка на глубокой прямоугольной отражающей дифракционной структуре и на ступенчатой фазовой структуре. На основании проведённых физических исследований предложены новые схемы измерительных устройств: датчики угловых и линейных перемещений, а также модулятор лазерного излучения.

Полученные результаты могут найти применение при проведении научных экспериментов в научно-исследовательских центрах, а также при конструировании датчиков и модуляторов оптического излучения на предприятиях, производящих высокотехнологичную продукцию.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследований особенностей зависимости мощности от угла падения в дифракционных порядках при отражении лазерного пучка от глубоких периодических рельефных структур с прямоугольным профилем, глубина которых больше половины длины волны.

2. Результаты экспериментальных исследований свойств новых устройств на прямоугольных периодических структурах, а также рекомендации по их практическому применению.

3. Результаты расчётов формы пространственного спектра Гауссова пучка, полученного в результате его взаимодействия со ступенчатыми фазовыми структурами различной глубины, выполненные с применением Фурье-анализа и компьютерного моделирования.

4. Результаты экспериментальных исследований изменений распределения интенсивности в пространственном спектре после взаимодействия Гауссова пучка со ступенчатой фазовой структурой в зависимости от положения СФС относительно центра фокусировки лазерного пучка.

5. Методика измерения малых угловых и линейных перемещений, основанная на эффектах, наблюдаемых при дифракции сфокусированного лазерного пучка на ступенчатой фазовой структуре. Степень достоверности результатов

Достоверность результатов теоретический исследований, проведённых в диссертации, подтверждена результатами экспериментов. Получено хорошее соответствие зависимостей полученных расчётным путём с результатами соответствующих экспериментальных измерений. При расчётах были использованы известные методы Фурье оптики и современные вычислительные средства и программное обеспечение. Достоверность экспериментов обеспечивалась тщательностью измерений и статистической обработкой результатов.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих Всероссийских и международных конференциях: 52-я Научная конференция МФТИ, Москва, 2009 г.

• XIII Международная телекоммуникационная конференция студентов и молодых учёных «Молодёжь и наука», Москва, МИФИ, 2010 г.

• Научно-практическая конференция «Голография. Наука и практика», Москва, 2010 г.

• 53-я Научная конференция МФТИ, Москва, 2010 г.

• IX Научно-практическая конференция «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». Москва, РУДН, 2010 г.

• XLVII Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, Москва, РУДН, 2011 г.

• Научно-практическая конференции «Голография. Наука и практика», Минск, 2011 г.

• I Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, МИФИ, 2012 г.

XLVIII Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, Москва, РУДН, 2012 г.

9-ая Международная научно-практическая конференция «ГОЛОЭКСПО-2012» «Голография. Наука и практика», Суздаль, 2012 г.

• II Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, МИФИ, 2013 г.

• IL Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, Москва, РУДН, 2013 г.

10-ая Международная научно-практическая конференция «ГОЛОЭКСПО-2013» «Голография. Наука и практика», Москва, 2013 г.

• III Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, МИФИ, 2014 г.

• Диссертационная работа обсуждалась на научных семинарах кафедры радиофизики РУДН.

Вклад автора

Результаты исследований, изложенные в диссертации, получены автором лично. Проведен теоретический анализ, компьютерные расчёты и экспериментальные исследования распределения мощности в пространственных спектрах, наблюдающихся в результате взаимодействия лазерного пучка с глубокими прямоугольными периодическими структурами. Изготовлены и испытаны новые типы датчиков на прямоугольных периодических структурах, а также макет модулятора лазерного излучения.

Проведены теоретические исследования и компьютерные расчёты пространственного спектра, наблюдаемого после взаимодействия Гауссова пучка с СФС. Лично автором изготовлены образцы ступенчатых фазовых структур, собран стенд для экспериментального исследования пространственного спектра,

проведены эксперименты. Изготовлены модели датчиков малых угловых и линейных перемещений и проведены их испытания.

Первая глава настоящей диссертационной работы посвящена обзору существующих оптических датчиков для измерения сверхмалых угловых и линейных перемещений, а также устройств, основанных на дифракционных эффектах.

Во второй главе диссертации анализируется пространственный спектр лазерного пучка после отражения от глубокой (глубина больше половины длины волны) дифракционной решётки. На основании свойств зависимости мощности в нулевом порядке дифракции от угла падения лазерного излучения на дифракционную решётку предложены новые типы устройств: высокочувствительный измеритель угловых отклонений и модулятор лазерного излучения. Сконструированы макеты предложенных устройств и исследованы их основные характеристики.

В третьей главе настоящей работы подробно описаны результаты исследования явления дифракции сфокусированного лазерного пучка на ступенчатой фазовой структуре. Выявлены основные свойства пространственного спектра интенсивности, который наблюдается в результате взаимодействия СФС с сфокусированным лазерным пучком. В частности, исследована зависимость интенсивности в максимумах дифракционной картины от смещения. На основании полученных данных предложено устройство для измерения малых линейных и угловых перемещений. Собран и испытан макет этого устройства.

Глава 1 Обзор научных работ в области исследования оптических датчиков для измерения сверхмалых угловых и линейных перемещений и устройств,

основанных на дифракционных эффектах.

Датчики перемещений - это устройства, выходной сигнал которых соответствует расстоянию между объектом и опорной точкой. Они применяются во многих областях науки и техники. Особенно активно подобные устройства внедряются в последнее время в связи с общей тенденцией к автоматизации и повышением требований к качеству производственных процессов. Датчики перемещений находят применение в таких сферах, как робототехника, строительство, машиностроение, медицина, транспорт, экология и др. В разработке и производстве чувствительных к перемещению элементов задействованы различные компании по всему миру (Gems, Philips, РИФТЭК (www.riftek.com), FISO Technologies (www.fiso.com), Mitutoyo (www.mitutoyo.com), Hommelwerke (www.hommelwerke.de), Renishaw (www.renishaw.ru) и др.).

Датчики перемещений строятся на различных физических принципах и эффектах. Выделяют резистивные и тензометрические датчики, индуктивные и магнитные датчики, емкостные, потенциометрические, гравитационные, пьезоэлектрические, радиоволновые, оптоэлектронные датчики и другие.

В данной главе приведён обзор наиболее близких по принципу работы к рассматриваемым в диссертационной работе оптических датчиков.

Оптические датчики позволяют производить бесконтактные дистанционные измерения с высокой разрешающей способностью. Кроме того, у таких датчиков отсутствует нагрузочный эффект. Они мало чувствительны к паразитным электростатическим помехам, магнитным полям. Как правило, оптические датчики перемещений состоят из источника света, устройства, управляющего светом (линзы, зеркала, оптические волокна и т.д.), фотодетектора, системы обработки и индикации результатов измерений.

Широкое распространение получили датчики, основанные на явлении интерференции двух лазерных пучков: опорного оптического пучка и

измерительного пучка, взаимодействующего с исследуемым объектом. Пучки складываются и затем направляются на фотоприёмник. Величину смещения исследуемого объекта определяют по числу периодов изменения интенсивности. Каждый период соответствует половине длины волны лазерного излучения.

Датчики, основанные на фотоэлектрических методах измерения, используют изменение интенсивности излучения, возникающее при взаимодействии света с подвижным объектом. На этом принципе основана работа растровых датчиков, многоэлементных фотоприёмников, датчиков с перекрытием светового потока [6, 21, 28,www.riftek.corn^■

В последнее время широкое распространение получили датчики триангуляционного типа. В их конструкции применяются многоэлементные фотоприёмники (ПЗС или КМОП матрицы). В связи с совершенствованием технологии изготовления таких фотоприёмников, разрешающая способность устройств триангуляционного типа повышается.

Кроме того, можно выделить ряд датчиков на ДОЭ оригинальных конструкций. Рассмотрим теперь некоторые из датчиков более подробно.

1.1 Четырехквадрантный фотодетектор

Четырехквадрантный фотодетектор состоит из четырех детекторов света, соединенных в мостовую схему [43]. На фотодетектор при помощи оптической системы фокусируется изображение достаточно яркого объекта, оптическая контрастность которого отличается от окружающей среды. Четыре выхода фотодетектора подсоединяются к соответствующим входам дифференциальных усилителей. Выходной сигнал каждого усилителя зависит от перемещения изображения от оптического центра датчика вдоль соответствующей оси. Когда изображение находится точно в центре, выходные сигналы обоих дифференциальных усилителей равны нулю. При смещении изображения на выходах усилителей появляются сигналы, величина которых пропорциональна смещению. Датчики такого типа часто работают в совокупности с системами автоматического регулирования (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Оптический мостовой датчик перемещений, в котором используется четырехквадрантный фотодетектор с подключением чувствительных элементов к

дифференциальным усилителям

1.2 Триангуляционные лазерные датчики

В основу работы датчиков положен принцип оптической триангуляции. Базовая схема для построения подобных датчиков приведена на рисунке 1.2.

3

ь

\

Базовое расстояние Диапазон

Рисунок 1.2 - Схема работы триангуляционного лазерного датчика Излучение полупроводникового лазера 1 фокусируется объективом 2 па объекте 6. Рассеянное на объекте излучение объективом 3 собирается на Г13С

(прибор с зарядовой связью)-линейке 4. Процессор сигналов 5 рассчитывает

расстояние до объекта по положению изображения светового пятна на линейке 4.

Основные характеристики датчиков серии РФ603, которые выпускает компания РИФТЭК, приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

РФ603 - R-X/4 Х/2 Х/5 Х/10 X/15 Х/2 5 Х/30 X/50 X/100 Х/250 Х/500 Х/750 Х/1000

Базовое расстояние, X, мм 39 10 15 15,25 60 15,30 65 25,45 80 35,55 95 45,65 105 60,90 140 80 125 145 245

Диапазон, Ь, мм 4 2 5 10 15 25 30 50 100 250 500 750 1000

Линейность ±0.2% ±0.1 % диапазона ±0.2...0.3%

Разрешение 0,01% диапазона 0.03%

Макс.частота выборки, кГц 2 или 5 или 8 или 9,4

Тип ла?ера 1мВт или 3 мВт, длина волны 660 нм 5 мВт или 20 mBi, 660 нм

Интерфейс цифровой RS232 (макс. 460,8 кбит/с) или RS485 (макс. 921,6 кбит/с) или CAN (макс. 1 Мбит/с) и RS232 или Ethernet и RS232

аналоговый 4...20мА или 0...10В

Напряжение питания, В 5 (±5%) или 9...36

Пофебление, Вт 1,5...2

Класс защиты IP67

Рабочая температура, °С -10...+60

Габариты, мм 65x50x20

Вес, г 90

Лазерные датчики триангуляционного типа в последнее время получили широкое распространение благодаря простоте и надёжности конструкции. Совершенствование процесса изготовления фотоприёмных матриц позволяет получить разрешающую способность порядка нескольких микрон при значительных диапазонах измеряемых перемещений. Однако, существуют приложения, для которых подобной точности недостаточно. Для измерения субмикронных перемещений применяются датчики других типов.

1.3 Растровые датчики

Растровые оптоэлектронные измерители перемещений являются датчиками с аналоговым периодическим выходным сигналом [16, 21]. В качестве модуляционных элементов в растровых датчиках, как правило, используются периодические структуры: дифракционные решетки, штриховые меры, интерференционные шкалы длин волн. Растровый датчик, основанный на конструкции из двух перекрывающихся амплитудных решёток, изображён на рисунке 1.3.

эталонная лампа

фотодетектор

стационарная решетка

подвижная решетка

(А)

шаг решетки

перемещение

(Б)

Рисунок 1.3 - Растровый датчик перемещений: А - схема датчика, Б - идеальная

передаточная функция датчика.

Решётки играют роль модулятора интенсивности света. Одна из дифракционных решеток закреплена и стационарна, а вторая связана с перемещающимся объектом. При относительном перемещении решеток происходит изменение пропускания интенсивности света. Излучение от эталонной лампы сначала попадает на первую решетку, которая пропускает на неподвижную решётку только 50 % света. Когда непрозрачные полоски подвижной решетки точно совмещаются с пропускающими зонами стационарной решетки, путь свету будет полностью перекрыт. Следовательно, такая комбинация решеток позволяет модулировать интенсивность выходящего пучка света от 0 до 50% интенсивности эталонной лампы. Прошедший через решетки свет фокусируется на

чувствительную поверхность фотодетектора, который преобразует его в электрический ток.

1.4 Интерферометрические датчики

Различные конструкции интерферометрических датчиков перемещений приведены в работах [22, 25, 29-31, 34, 51]. Лазерные интерферометры в настоящее время позволяют достичь наиболее высоких разрешающих способностей и дают возможность измерять субнанометровые перемещения.

Измерения в интерференционных датчиках строятся на принципе интерференции волн. Она приводит к разделению волнового поля на области усиления и ослабления. Интерференционная картина представляет собой чередование участков в виде полос с нулевой и максимальной интенсивностью излучения с периодом, равным половине длины волны лазерного излучения. 11одсчитывая число полос, измеряют расстояние до исследуемого объекта.

Интерферометрические датчики производятся серийно многими современными компаниями. Примером может служить датчик малых перемещений К.ЬЕ10, выпускаемый Н.етзЬа\у (www.renishaw.ru). Его изображение приведено па рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Интерферометрический оптоволоконный датчик измерения малых

перемещений ИЕЕК).

Каждая система RLE состоит из двух основных компонентов: лазерного блока RLU и детекторной головки RLD. Лазерный блок включает гелий-неоновый лазер, электронные модули стабилизации, оптоволоконную систему передачи лазерного излучения и электронную систему обратной связи по положению на оси. Детекторные головки состоят из неподвижной оптической части системы интерферометра, детектора интерференционной картины и устройства управления лазерным пучком. Максимальная разрешающая способность измерений составляет 0,39 нм.

К недостаткам интерференционных методов измерения малых перемещений следует отнести высокую стоимость конечных устройств и сложность их монтажа и первичной настройки.

В последнее время в мировом сообществе проявляется интерес к исследованию дифракции лазерного излучения на ступенчатых фазовых структурах. В простейшем случае ступенчатая фазовая структура может представлять собой рельеф в виде ступеньки с высотой И на подложке из прозрачного материала с показанием преломления ппос) (Рисунок 1.5).

1.5 Датчики на ступенчатых фазовых структурах (СФС)

Рисунок 1.5 - Схема дифракции двух параллельных пучков света на СФС

Пространственный спектр лазерного излучения после взаимодействия с подобной структурой существенно меняется. Наиболее подробно взаимодействие плоско-параллельного пучка лазерного пучка с СФС исследовано в ряде работ группы учёных из Иранского университета [88-93]. На основе этих исследований было предложено устройство нового измерителя нано-метровых перемещений |93|. Чувствительным элементом в устройстве служит двумерная структура, которая состоит из диска и кольца с отражающим покрытием, как это показано на рисунке 1.6.

ПАДАЮЩИЙ СВЕТ

fg * V é t

Y ▼ ? ? f ? f

Рисунок 1.6 - СФС в виде окружности. Диск с величиной радиуса а находится на

высоте Ь по отношению к кольцу радиуса Ь.

Такая конструкция представляет собой фазовую ступеньку с переменной высотой. Высота ступенчатого перепада может варьироваться при перемещении кольца относительно диска. При отражении плоскопараллельного пучка света от этой ступеньки в зоне Френеля наблюдаются кольца. Фотография колец изображена на рисунке 1.7. Видимость колец зависит от глубины ступеньки. Если изменить глубину ступеньки на величину, эквивалентную четверти длины волны светового излучения, видимость колец изменится от 0 до 1.

Анализируя видимость колец с помощью CCD матрицы, можно измерять смещение кольца относительно диска в ступеньке. Экспериментально измеренная чувствительность метода составила единицы нанометров.

.<6

о

'¿Z2

и яз

250

200

200

X (pix)

г (pix)

Рисунок 1.7 - а) Фотография дифракционной картины в зоне Френеля после взаимодействия плоскопараллельного пучка света с ступенчатой фазовой структурой; Ь) распределение интенсивности в зоне Френеля

1.6 Устройства, основанные на дифракционных эффектах

Рассмотрим некоторые устройства, основанные на дифракционных эффектах. Примером такого устройства является дифракционный фильтр для управления излучением мощных лазеров [32,54,87]. Фильтр представляет из себя дифракционную структуру, выполненную на диске. Дифракционная структура может изготавливаться в виде одномерной дифракционной решётки с постоянным периодом, но с изменяющейся по кругу скважностью, как изображено на рисунке 1.8 А), или двумерной дифракционной решетки с изменяющейся по углу площадью ячеек, как это показано на рисунке 1.8 В).

Лазерный пучок мощного лазера, направляемый на такие структуры, дифрагирует. В выходном пучке с помощью пространственного фильтра выделяют нулевой порядок дифракции. Интенсивность света в нулевом порядке дифракции будет зависеть от геометрических параметров штрихов решётки и, следовательно, от того, на какой участок диска направляется лазерное излучение в данный момент

времени. Вращая диск, можно изменять выходную мощность лазерного пучка в значительном динамическом диапазоне.

Рисунок 1.8 - Варианты выполнения дифракционных фильтров на основе круговых дифракционных решеток с постоянным периодом по радиусу и с

переменной по углу скважности

Другим интересным примером датчика на прямоугольных периодических структурах является устройство, описанное в статье Комоцкого В.А. и Никулина

В.Ф. [23], принципиальная схема которого изображена на рисунке 1.9.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Басистый, Евгений Викторович, 2014 год

Список литературы

1. Градштейн, И.С. Рыжик, И.М. Таблицы интегралов, сумм рядов и произведений. // Москва. Изд-во Физматгиз. 1963.

2. Анго, А. Математика для электро- и радиоинженеров. // М. Наука. 1967.

3. Поль, Р. В. Оптика и атомная физика. // М. Наука. 1966. С.153-155.

4. Турухано, Б.Г., Турухано, Н. Голографические системы для измерения линейных перемещений и фазовых сдвигов. // Материалы III Всесоюзной школы по голографии. ЛИЯФ. 1971. С.213-233.

5. Кольер, Р., Беркхарт, К., Лин, Л. Оптическая голография. //М. Мир. 1973. 686 с.

6. Преснухин, Л.Н., Шаньгин, В.Ф., Шаталов, Ю.А. Муаровые растровые датчики положения и их применение. М. Машиностроение. 1974. 376 с.

7. Олинер, А. Поверхностные акустические волны. М. Мир. 1981. 390 с.

8. Мэттьюз, Г. Фильтры на поверхностных акустических волнах. М. Радио и Связь. 1981.472 с.

9. Бессонов, А.Ф., Дерюгин, Л.Н., Комоцкий, В.А. Измерение фазовых распределений поверхностных акустических волн методом оптического зондирования с опорной решеткой. // Автометрия. 1982. №. 5. С.92-95.

Ю.Бессонов, А.Ф., Дерюгин, Л.Н., Комоцкий, В.А., Котюков, М.В. Анализ взаимодействия световой волны с системой пространственно разнесенных периодических структур при оптическом зондировании поверхностных акустических волн // Оптика и спектрометрия. 1984. Т.56. Вып.6. С. 10591065.

Н.Бессонов, А.Ф., Дерюгин, Л.Н., Комоцкий, В.А., Котюков, М.В. Измерение линейных и угловых перемещений на основе использования схемы оптического зондирования ПАВ с опорной дифракционной решеткой // Автометрия. 1985. № 2. С.57-61.

12.Ниибизи, Альфонсо; Комоцкий, В.А. Теоретический анализ взаимодействия оптической волны с системой пространственно разделенных периодических решеток. М. ВИНИТИ. 1985. 33с. № 661-В86.

1 З.Бронштейн, И.Н., Семендяев. К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд. 13-е. М. Наука. Глав. Ред. физ.-мат. лит.1986. 544 с.

14.Застроган, Ю.Ф. Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазера. М. Машиностроение. 1986. 272 с.

15.Абейнаяке, Х.Т., Комоцкий, В.А. Измерение отражений поверхностных акустических волн с использованием метода оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой. // Автометрия. 1987. №.6. С.52-55.

16.Комоцкий, В.А., Никулин, В.Ф. Теоретический анализ дифракции Гауссова пучка на системе из двух дифракционных решеток // Оптика и спектрометрия. 1987. Т. 63. Вып. 2. С.409-415.

17.Ниибизи, Альфонсо, Комоцкий, В.А. Характеристики оптической схемы из двух дифракционных решеток при измерении вибраций. // М. ВИНИТИ. 1988. № 9096-В88.

18.Виглеб, Г. Датчики. Устройство и применение. М. Мир. 1989. 196 С.

19.Малов, В.В. Пьезорезонансные датчики. М. Энергоатомиздат. 1989. 272с.

20.Комоцкий, В.А., Никулин, В.Ф. Дифракционный измеритель малых перемещений и вибраций. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля». // Могилев. 1989. Часть 11. С.99-100.

21 .Пилипович, В.А. и др. Многоэлементные фотоприемники в преобразователях перемещений. Минск. Наука и техника. 1991. 182 с.

22.Борыняк, JT.A., Краснопевцев, Е.А., Логинов, A.B., Штыгашев, A.A. Точность определения перемещений в голографических интерферометрах // Автометрия. 1992. №6. С. 62-74.

23.Комоцкий, В.А., Никулин, В.Ф. Бесконтактный дифракционный метод измерения угловых смещений и вибраций отражающих поверхностей // Оптика и спектроскопия. 1992. Т. 72. Вып. 2. С.479-486.

24.Никулин, В.Ф., Оптическое зондирование поверхностных волн и колебаний в присутствии опорных дифракционных структур с учетом расходимости лазерного излучения // Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. М.1992. С. 156-208.

25.Кирьянов, В.П., Ленкова, Г.А., Лохматов, А.И., Тарасов, Г.Г. Лазерный интерферометр линейных и угловых перемещений // Автометрия. 1994. №4. С. 61-65.

26.Комоцкий, В.А. Применение методов пространственно-частотного анализа для решения некоторых задач когерентной оптики Учеб. пособие. М. Изд-во РУДН. 1994.74 с.

27.3астрогин, Ю.Ф. Лазерные приборы вибрационного контроля и точного позиционирования. М. Машиностроение. 1995. 315с.

28.Поташников, А.К., Финогенов, Л.В. Измерение угловых перемещений с помощью многоэлементного фотоприемника// Автометрия. 1997. №5. С. 7075.

29.Ведерников, В.М., Кирьянов, В.П. Лазерно-интерферометрические системы в промышленных измерениях // Автометрия. 1998. №6. С. 85-92.

30.Гуров, И.П., Ган, Ли. Интерферометрические методы и устройства контроля смещений негладких поверхностей // Оптика и спектроскопия. 1998. №1. Т.84. С.129-145.

31.Кирьянов, В.П., Коронкевич, В.П. Лазерные интерферометры перемещений //Автометрия. 1998. №6. С. 65-84.

32.Полещук, А.Г., Малышев, А.И., Харисов, A.A., Черкашин, В.В. Дифракционные фильтры для управления излучением мощных лазеров // Автометрия. Сибирское отделение РАН. 1998. №. 6. С.38-46.

33. Кащенко, Н.М., Комоцкий, В.А. Определение глубины опорных дифракционных решеток на основе измерения и анализа интенсивностей дифракционных порядков // Вестник РУДН. 1999. №7. Вып.1. С.16-27.

34.Шестаков, Н.П., Шабанов, В.Ф. Интерференционные измерения перепадов микрорельефа // Автометрия. 1999. №5. С.34-40.

35.Турухано, Б.Г., Турухано, Н. Фотоэлектрические преобразователи линейных перемещений на базе голографических решеток. // Оптический журнал. 2002. №8. Т.69. С.69-73.

36.Комоцкий, В.А., Корольков, В.И., Соколов, Ю.М. Исследование датчика перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток. Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments». //Москва. 2003. С.142-144.

37.Комоцкий, В.А., Окот, С.М., Соколов, Ю.М. Влияние вторичных эффектов на результаты измерений отражений поверхностных акустических волн методом оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой типа меандра // Тезисы докладов XXXIX Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики, химии и методики преподавания естественнонаучных дисциплин. Физические секции. М. 2003. С. 18.

38.Комоцкий, В.А., Корольков, В.И. Устройство для измерения малых линейных перемещений. Патент № 2277695 РФ (приоритет от 06.12.2004 по заявке №2004135369/28(038476).

39.Комоцкий, В.А., Окот, С.М. Характеристики отражения ПАВ от края подложки, измеренные методом лазерного зондирования с опорной дифракционной решеткой // Вестник РУДН. Серия Физика. 2004. №11(1).

40.Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7. Под ред. Бутырина П.А. // М. ДМК Пресс. 2005. 264с.

41.Комоцкий, В.А., Корольков, В.А., Соколов, Ю.М. Макет установки для исследования неровностей и шероховатостей поверхности. // Тезисы докладов XLI Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии. Физические секции. М. 2005. С. 80-82.

42.Окот, С.М. Исследование отражений поверхностных акустических волн с применением метода оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук // М. 2005.

43.Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник. М. Техносфера. 2005. 588 с.

44.Комоцкий, В.А., Корольков, В.И., Соколов, Ю.М. Исследование датчика малых линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решёток // Автометрия. Новосибирск. 2006. Т. 42. №. 6. С. 105-112.

45.Комоцкий, В.А., Корольков, В.И., Соколов, Ю.М. Исследование датчика малых линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток // Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-2006. Секция фотоника и информационная оптика. М. 2006. Т. 4. С. 233-235.

46.Комоцкий, В.А., Соколов, Ю.М. Исследование оптоэлектронного дифракционного датчика малых угловых и линейных перемещений. // Труды НТОРЭС им. Попова 61-й научной сессии, посвященной дню радио. Секция оптоэлектроника и волоконно-оптические устройства. М. 2006. Вып. LXI. С. 145-148.

47.Комоцкий, В.А., Соколов, Ю.М.. Датчик дифракционного типа для измерения угловых колебаний конструкций. // Официальные материалы научно-практической конференции «Голография в России и за рубежом. Наука и практика». М. 2006. С. 100-101.

48.Комоцкий, В.А, Соколов, Ю.М. Анализ интенсивностей дифракционных порядков в оптической схеме, содержащей две фазовые дифракционные

решетки. // Вестник РУДН. Серия Физико-математические науки. М. Издательство РУДН. 2006. №1. С. 90-95.

49.Комоцкий, В.А., Соколов, Ю.М. Оптоэлектронное устройство для измерения угловых колебаний конструкций. Патент на полезную модель (приоритет от 23.05.2006 по заявке №2006117556).

50.Кульчин, Ю.Н., Витрик, О.Б., Дышлюк, A.B. Адаптивный волоконно-оптический преобразователь абсолютного углового положения. // Измерительная техника. 2006. №4. С. 41-45.

51 .Мирошниченко, И.П., Серкин, А.Г. Результаты экспериментальных исследований интерференционного измерителя малых перемещений // Измерительная техника. 2006. №5. С. 23-25.

52.Соколов, Ю.М. Анализ характеристик схемы измерений малых линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток // Тезисы докладов XLII Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии. Физические секции. М. 2006. С. 31.

53.Комоцкий, В.А., Соколов, Ю.М. Оптоэлектронный измеритель угловых колебаний конструкций // Вестник РУДН. Серия «Математика. Информатика. Физика». М. Изд-во РУДН. 2007. №. 1-2. С. 13 8-146.

54.Полещук, А.Г. Дифракционная оптика // Мир техники кино. 2008. №8. С. 2831.

55.Комоцкий, В.А., Соколов, Ю.М. Модулятор лазерного излучения. Патент на изобретение № 2411620 от 13.08.2009.

56.Комоцкий, В.А., Соколов, Ю.М., Алексеев, А.Н., Басистый, Е.В. Исследование оптоэлектронного датчика угловых перемещений на основе глубокой отражательной фазовой дифракционной решётки // Вестник РУДН. Серия «Математика. Информатика. Физика». М. Изд-во РУДН. 2009. №. 4. С.95-101.

57.Соколов, Ю.М., Басистый, Е.В. Метод измерения глубины рельефа периодических прямоугольных структур лазерным зондированием // Труды 52-й научной конференции МФТИ. Ч. V. Т. 1. М. 2009. С. 118-121.

58.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Корольков, В.И. Соколов, Ю.М. Исследование дифракции лазерного излучения на глубокой фазовой отражательной решетке // Сборник трудов IX научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments». М. РУДН. 2010. С. 59-61.

59.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Никулин, В.Ф. Дифракция Гауссова пучка на ступенчатой фазовой структуре (СФС) // Труды 53-й научной конференции МФТИ. Ч. V. Т. 1. М. 2010. С. 211-212.

60.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Соколов, Ю.М. О точности измерения глубины рельефа периодических прямоугольных решеток лазерным зондированием // Сборник трудов XIII Международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых учёных «Молодёжь и наука». Ч. 3. М. МИФИ. 2010. С. 95-96.

61.Комоцкий, В.А., Никулин, В.Ф., Басистый, Е.В. Пространственный спектр волн при дифракции оптического Гауссова пучка на ступенчатой фазовой структуре // Сборник трудов и официальные материалы научно-практической конференции «Голография. Наука и практика». М. 2010. С. 191-196.

62.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Корольков, В.И., Никулин, В.Ф. Экспериментальное исследование дифракции лазерного пучка на ступенчатой фазовой структуре (СФС) // Сборник трудов и официальные материалы научно-практической конференции «Голография. Наука и практика», Минск. 2011. С. 331-335.

63.Басистый, Е.В., Корольков, В.И. Экспериментальное исследование дифракции Гауссова пучка на ступенчатой фазовой структуре // XLVII

Всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники. М. РУДН. 2011. С. 40 -41.

64.Комоцкий, В.А. Основы когерентной оптики и голографии. Конспект лекций. М. РУДН. 2011.164 с.

65.Комоцкий, В.А., Корольков, В.И. Соколов, Ю.М. Оптоэлектронные дифракционные датчики малых угловых перемещений // Фотоника. № 1. М. 2011. С. 16-19.

66.Комоцкий, В.А., Соколов, Ю.М., Басистый, Е.В. Модулятор лазерного излучения дифракционного типа // Сборник трудов и официальные материалы научно-практической конференции «Голография. Наука и практика». Минск. 2011. С. 349-352.

67.Комоцкий, В.А., Соколов, Ю.М., Басистый, Е. В. Метод измерения глубины периодических рельефных отражателей поверхностных акустических волн лазерным зондированием// Радиотехника и электроника. М. Изд-во Наука. 2011. Том 56. №. 2. С.243-248.

68.Басистый, Е.В., Комоцкий, В. А., Корольков, В.И. Экспериментальное исследование дифракции Гауссова пучка на отражающей ступенчатой фазовой структуре (СФС) // XLVIII всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники. М. РУДН. 2012. С. 266 -269.

69.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А. Соколов, Ю.М. Модулятор когерентного излучения дифракционного типа // Сборник научных трудов всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М. МИФИ. 2012. С. 140-141.

70.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Корольков, В.И. Эффекты, возникающие при дифракции лазерного пучка на ступенчатой фазовой структуре (СФС) // Сборник трудов и официальные материалы 9-ой международной научно-практической конференции «ГОЛОЭКСПО-2012» «Голография. Наука и практика». Суздаль. 2012. С. 331-335.

71.Комоцкий, В. А., Соколов, Ю. М., Басистый, Е. В. Модулятор лазерного излучения // Радиотехника и электроника. Т. 57. № 7. М. 2012. С. 243-248.

72.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Теоретический анализ дифракции Гауссова пучка на ступенчатой фазовой структуре (СФС) // Вестник РУДН. Серия «Математика. Информатика. Физика». М. 2013. С. 129-140.

73.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А. Детектирование малых угловых отклонений лазерного пучка // Сборник научных трудов II всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М. МИФИ. 2013. С. 34-35.

74.Басистый, Е.В. Исследование модели датчика линейных перемещений с чувствительным элементом в виде ступенчатой фазовой структуры (СФС) // 1L всероссийская конференция по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники. М. РУДН. 2013. С. 196-199

75.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Корольков, В. И. Оптоэлектронное устройство для регистрации поверхностных волн и колебаний. Патент на полезную модель № 2012146577 от 10 мая 2013 г.

76.Басистый, Е.В., Комоцкий, В.А., Корольков, В.И. Моделирование датчика малых линейных перемещений с чувствительным элементом в виде ступенчатой фазовой структуры (СФС) // Сборник трудов и официальные материалы 10-ой международной научно-практической конференции «ШЛОЭКСПО-2013» «Голография. Наука и практика». М. 2013. С. 333-335.

77.Комоцкий В. А. Модулятор лазерного излучения Патент на изобретение №. 2013146688 Зарегистрировано в госреестре изобретений. РФ 20 марта 2013 г.

78.Басистый Е.В. Детектирование малых линейных перемещений с помощью ступенчатой фазовой структуры // Сборник научных трудов III всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М. МИФИ. 2014. С. 158-159.

79.Adler, R., Korpel, A. Acoustic surface displacements on a wedge - shaped transducer using an optical probe technique. // IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. 1968. V.SU. 15. №. 3. P.186-189.

80.Engan, Helge. Phase sensitive laser probe for high-freguency surface acoustic wave measurements. // IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. // 1978. V.SU. 25. №. 6. P.372-376.

81 .Katsumi, Yoneda and Masahiro, Tawata and Hattori, Shuzo. Measurement of very small vibration amplitude in ultrasonic transducer by means of a laser probe. // IEEE. Ultrasonics symposium. 1979. P.51-55.

82.Komotskii, V.A., Black, T.D. Analysis and application of stationary reference grating method for optical detection of surface acoustic waves // J. Appl. Phys. Jan., 1981. V.52.№.l.P. 129-136.

83.Spillman, W.B. Ir-multimode fibre-optic hydrophone based on a Shlieren technique. // Opt. 20. 1981. P.465.

84.Engan, Helge. A phase sensitive laser probe for pulsed SAW measurements. // IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. // 1982. V.SU. 29. №. 5. P.281-283.

85.Kato, H., Kojima, M., Gattoh, M., Okumura, Y. and Morinaga, S. Photoelectric inclination sensor and its application to the measurement of the shapes of 3D objects. // IEEE Trans.lustrum. Meas. 40 (6). 1991.1021-1026.

86.Mitchell, G.L. Intensity-based and Fabry-Perot interferometer sensors in fiber Optic Sensors. An Introduction for Engineers and Scientists. // E Udd. John Willey&Sons. New York. 1991. Chap.6.

87.Poleshcuk, Alexander G. Diffractive light attenuators with variable transmission // Journal of modern optics. 1998. Vol.45. NO 7. P.1513-1522.

88.Tavassoly, M. T., Amiri, M., Karimi, E. and Khalesifard, H. R. Spectral modification by line singularity in Fresnel diffraction from ID phase step // Opt. Commun.255. 2005. P. 23 - 34.

89.Sabatyan, A. and Tavassoly, M. T. Application of Fresnel diffraction to nondestructive measurement of the refractive index of optical fibers // Opt. Eng. 46. 2006. P. 1-7.

90.Amiri, M. and Tavassoly, M. T. Fresnel diffraction from ID and 2D phase steps in reflection and transmission modes // Opt. Commun. 272. 2007. P. 349 —361.

91.Tavassoly, M. T., Amiri, M., Darudi, A., Aalipour, R., Saber, A. and Moradi, A.

R. Optical diffractometry // J. Opt. Soc. Am. A 26. 2009. P. 540 -547. 92.Sabatyan, A. and Tavassoly, M. T. Determination of refractive indices of liquids by Fresnel diffraction // Opt. Laser Technol. 41. 2009. P. 892- 896.

93. Tavassoly, M. T., Haghighi, I. M. and Hassani, K. Application of Fresnel diffraction from a phase step to the measurement of film thickness // Appl. Opt. 48. 2009. P. 5497-5501.

94.Khorshad, Ali Akbar, Hassani, Khosrow, Taghi, Tavassoly Mohammad. Nanometer displacement measurement using Fresnel diffraction // Appl. Opt. 51 2012. P.5066-5072.

95. Komotskii, V.A., Sokolov Yu. M. and Basistyi, E.V. Depth Measurement of the Periodic Grooved Reflectors of Surface Acoustic Waves Using the Laser Probing // Journal of Communications Technology and Electronics. 2011. vol. 56

Приложение А - Методика изготовления образцов СФС

Для экспериментов были изготовлены 9 образцов фазовых ступенек различной глубины. Образцы СФС были изготовлены с помощью метода фотолитографии и химического травления.

Изготовление ступенек проходило по следующей схеме:

1. Подготовка подложек

2. Нанесение фоторезиста

3. Сушка фоторезиста

4. Экспонирование фоторезиста

5. Проявление фоторезиста

6. Задубливание фоторезиста

7. Травление стекла

8. Удаление фоторезиста

9. Напыление пленки

1. Подготовка подложек. Поверхность подложек была очищена от пылинок и других сторонних включений, жировых пленок. Очистка производилась с помощью моющих средств. Затем подложки погружалась в раствор двухромовокислого калия и в серную кислоту на 15 минут. После этого пластинки стекла промывали в дистиллированной воде несколько раз и сушили при помощи компрессора под давлением 2 атм.

2. Нанесение фоторезиста. На поверхность наносился тонкий слой фоторезиста. Применялись позитивные фоторезисты (ФП-9120), имеющие высокое разрешение (1 мкм). Использовалось центрифугирование для нанесения фоторезиста.

3. Сушка фоторезиста. Термическая обработка фоторезиста проводилась при температуре порядка 90°С для удаления растворителей.

4. Экспонирование фоторезиста. В качестве источников облучения использовались ртутно-кварцевые лампы ДРШ-250. Такой выбор связан с областью спектра поглощения фоторезиста, который лежит в области 350-450 нм. Время экспонирования определялось с учётом толщины фоторезиста и интенсивности облучения и составляло 20-40 с. При этом подложка засвечивалась не полностью, а через фотошаблон с непрозрачной областью, с резкой границей.

5. Проявление фоторезиста. При проявлении фоторезиста удалялись облученные участки. В качестве проявителя позитивного фоторезиста использовался водный раствор щелочи (КОН)- концентрации 0,5%. Время проявления 20-40 с.

6. Задубливание фоторезиста. Для окончательного просушивания образец помещали в сушильный шкаф. Время сушки составляло 1,5 часа при температуре 110°С. Происходило упрочнение пленки фоторезиста- «задубливание».

7. Травление стекла. Основным требованием к процессу травления является:

-минимальность отклонения геометрических размеров устройства.

Качественная и количественная стороны травления определяются типом травителя, смачиваемостью травителем поверхности стекла, температурой травления, толщиной глубины проникновения, типом материала, подвергающегося травлению.

При выборе травителя принималось во внимание свойства всей системы фоторезист- подложка. В качестве травителя использовался раствор на основе плавиковой кислоты (Ш7) в смеси с

Для каждой из стеклянных пластинок задавался температурный режим и время травления. В результате были сформированы образцы со ступенчатым рельефом разной глубины.

8. Удаление фоторезиста. Остатки фоторезиста с подложек были удалены с помощью ацетона.

9. Напыление. На некоторые из образцов, на которых уже был сформирован рельеф, были напылены плёнки алюминия. Напыление проводилось в вакуумной камере методом термического распыления на устройстве ВУП-5.