Реферати українською » Физика » Застосування автоматизованого адаптивного інтерферометра для дослідження наносмещеній мікрооб'єктів


Реферат Застосування автоматизованого адаптивного інтерферометра для дослідження наносмещеній мікрооб'єктів

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Федеральне агентство за освітою

>ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ТА ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Кафедра фізики атомів і молекул

>ПРИМЕНЕНИЕАВТОМАТИЗИРОВАННОГОАДАПТИВННОГОИНТЕРФЕРОМЕТРА ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯНАНОСМЕЩЕНИЙМИКРООБЪЕКТОВ

Виконавець

Студент групи141б ЄфімовТ.А.

Керівник РомашкоР.В.

Владивосток2010г.


Зміст

Запровадження. 3

1. Теоретичні основи.. 5

1.1 Принцип дії адаптивного інтерферометра. 5

1.2Фоторефрактивний ефект. 6

1.3Ортогональная геометрія взаємодії світлових хвиль вфоторефрактивном кристалі. 9

2. Експериментальна частина. 11

2.1 Експериментальна установка. 11

2.2. Досліджувані об'єкти.. 12

2.3 Методика експерименту. 13

2.4 Експериментальні результати.. 15

Укладання. 17

Список літератури.. 18

Додаток. 20

Програма «>motor controlfor8DCMC1. 20


 

Запровадження

Реєстрація коливань і зсувів мікрооб'єктів є важливим завданням розробки, створенні та застосуванні різнихосцилляторов, резонаторів, мікро- інано- електромеханічних систем. Такі системи застосовують у хімії і біології, служать датчиками фізичних величин, наприклад, для виміру малих та надмалих мас [1-3].

Особливістю дослідження мікрооб'єктів,микромеханических систем і те, що амплітуда власних коливань вбирається у десятків нанометрів, у своїй самі об'єкти і вимірювальна система загалом піддаються неконтрольованим шумовим впливам довкілля.

>Интерферометрические вимірювальні системи є чутливими інструментами на дослідження широкого класу фізичних величин, зокрема параметрів механічних коливань об'єктів. Разом про те висока чутливість будь-якого інтерферометра робить її значною мірою піддавався впливу зовнішніх чинників (зміни температури, тиску, неконтрольованих деформацій,микросейсмических вібрацій тощо.)

Для дослідження механічних параметрів мікрооб'єктів у "справжній роботі застосували адаптивнийинтерферометр, заснований на використаннідвухволнового взаємодіїфоторефрактивних кристалах [4].Адаптивние інтерферометри є високоефективними системами виміру малих фазових змін за умов неконтрольованих впливів довкілля. Під високою ефективністю адаптивного інтерферометра розуміється висока чутливість та висока перешкодозахищеність, забезпечуваніинтерферометрическим принципом виміру, голографічним принципом відновлення фронту світловий хвилі (включаючи, як завгодно складні, наприклад,спекловие) і адаптивними властивостями динамічної голограми, використовуваної для об'єднання світлових пучків [5].

Отже, застосування адаптивного інтерферометра дозволяє забезпечити стабільність параметрів вимірювальної системи, а як і, завдяки постійної перезапису динамічної голограми вфоторефрактивном кристалі, здійснити фільтрацію низькочастотних шумів.

Метою згаданої роботи є підставою розробка, практична виконання і дослідження системи реєстрації малих коливань мікрооб'єктів з урахуванням адаптивного інтерферометра.


 

1. Теоретичні основи

 

1.1 Принцип дії адаптивного інтерферометра

Відмінність адаптивного інтерферометра від класичного у тому, що у першому замість звичайногосветоделительного елемента (куба чи дзеркала) використовується середовище, у якій постійно записується динамічна голограма [5].

Формування голограми відбувається уфоторефрактивном кристалі безпосередньо потрапляючи нею оптичного випромінювання. Додаткова обробка (прояв, фіксація тощо.) непотрібен. Так само, з допомогою світла голограма то, можливо стерто. Світло викликає всередині кристала перерозподіл зарядів, і протягом характерного часу (часу записи) встановлюється динамічну рівновагу міжраспределениями інтенсивності записувального світла, і електричного заряду. Якщо параметри світлових хвиль, формують голограму, змінюються швидко, під час менше записи, то голограма не встигає слідувати по них. До «швидким» тут слід віднести зміни, спричинені впливом досліджуваного об'єкта (чи фізичної величини). Для цих змін голограма буде «заморожена» (аналог статичної голограми), що забезпечить перетворення у ньому світлових хвиль й одержання інформацію про об'єкті.

Інакше, якщо параметри світлових хвиль змінюються повільно (під час, що перевищує характерне час записи), що, зазвичай, притаманно більшості температурних впливів чи, наприклад, повільного накопичення механічних напруг у досліджуваному об'єкті, то кристалі запишеться нова голограма, замінивши стару. Як наслідок, зміни параметрів світлових хвиль, отже, і негативний вплив зовнішніх чинників на вимірювальну систему буде компенсовано змінами, що сталися в голограмі. У цьому полягає загальний принцип адаптивності вимірювальної системи з урахуванням застосування динамічних голограм. Отже, динамічна голограма є свого роду фільтром низьких частот, що дозволяє компенсувати впливом гетьинтерферометр будь-яких повільно змінюються зовнішніх впливів.

1.2Фоторефрактивний ефект

адаптивнийинтерферометр світлова хвиля

Запис голограми відбувається уфоторефрактивном кристалі. У основі процесу записи голограми лежитьфоторефрактивний ефект (>ФРЭ), що полягає у зміні коефіцієнта заломлення середовища під впливом світла.ФРЭ уперше був в виявлено в ЛабораторіїБелл в 1966 р. як небажане спотворення оптичного променя під час проходження черезнелинейниеелектрооптические кристалиLiNbO3 іLiTaO3 [6]. Встановлено, що світлом зміни показника заломлення кристала призводять до спотворення фронту що розпросторюється у ньому світловий хвилі як наслідок, обмежити використання цих матеріалів системах генерації другий гармоніки чи високошвидкіснихмодуляторах. Невдовзі опісля відкриттяфоторефрактивного ефекту було знайдено, щофоторефрактивний кристал то, можливо повернутий у початковий стан нагріванням чи рівномірноїзасветкой. Отже,фоторефрактивний кристал можна використовувати для запису і стирання у часі голограм, котрі можуть стати динамічними. На цей часфоторефрактивний ефект виявлено було багато матеріалів: діелектриках, напівпровідниках, рідких кристалах, органічнихполимерах [7-10].

Для виникненняфоторефрактивного ефекту у певному матеріалі останній повинен матифотопроводящими властивостями й можуть бутиелектрооптическим. У найпростішої моделіфоторефрактивного ефекту передбачається, що кристал має носії заряду одного типу – електрони – і домішки двох типів – донори і акцептори, енергетичні рівні яких розміщені забороненої зоні, як показано малюнку 1. Передбачається, деякі донори і всі акцепториионизировани. За відсутності світлового випромінювання основним механізмом, який поповнює зону провідності електронами, є теплове порушення. Динамічний рівновагу міжтеплогенерацией електронів та його зворотноїрекомбинацией визначає концентрацію вільних електронів ne, що у вона найчастіше є однорідної за обсягом кристала величиною чи його флуктуаціями можна знехтувати.

>Рис 1. Модельфоторефрактивного ефекту.Электрони порушуються світлом з донорних рівнів (D) до зони провідності, де їх дифундують і дрейфують в електричному полі до того часу, коли будуть захоплено акцепторами (А) чиионизированними донорами

Потрапляння світлового випромінювання вфотопроводящий кристал призводить до виникнення у ньому додаткових (>фотоиндуцированних) пар електронів і іонізованих донорів.Фотоиндуцированние електрони,диффундировавшие вслабоосвещенние області, захоплюють там акцепторами. У той самий час, іонізовані донори що неспроможні рухатися, оскільки є частиною кристалічною грати, що веде до локальних порушеньелектронейтральности. Виникає так званий просторовий заряд, щільність розподілу якого неоднорідна і повторюєинтерференционное розподіл інтенсивності світла.Нескомпенсированний заряд призводить до появи електричного поля , званого полем просторового заряду. Під впливом цього поля все вільні електрони (як індуковані світлом, і термічно) починають дрейфувати, формуючи електричний струм.

Натомість, електричне полі , що виник всерединіфоторефрактивного кристала, призводить до зміни його показника заломлення через наявність в ньогоелектрооптических властивостей.

>Объектний і опорний світлові пучки, інтерференція яких створює голограму, одночаснодифрагируют у ньому отжедифрагировавшая частина об'єктного пучка поширюється у бік опорного пучка і навпаки. Завдяки головної засади голографії хвильової фронтдифрагировавшей частини опорного пучка представляє на точну копіюнедифрагировавшей частини об'єктного пучка. І це залишається справедливим іншої пари пучків в кристалі. Відтак після кристала у бік кожного пучка маємо когерентний складання двохинтерферирующих світлових пучків з цілком однаковими хвилевими фронтами. Отже, проблема поєднання хвильових фронтів винтерферометре з урахуванням голограми (зокрема динамічної) вирішується автоматично. Це дозволяє зокрема використовувати хвилі зі як завгодно складним хвилевим фронтом як і одному, і у обох плечах адаптивного інтерферометра без зниження ефективності роботи.


 

1.3Ортогональная геометрія взаємодії світлових хвиль вфоторефрактивном кристалі

Є кілька схем записи голограм вфоторефрактивномкресталле: пропускає, відбивна і ортогональна [11]. Як засвідчили [12] у широкому колі завдань найперспективнішої є ортогональна геометрія.

Схема ортогонального взаємодії світлових пучків вфоторефрактивном кристалі представлена на рис. 2.

>Рис. 2 Схема ортогонального взаємодії світлових пучків вфоторефрактивном кристалі

P.S –объектная хвиля, R – опорна.Световие промені майже остаточно дійшлифоторефрактивний кристал під прямим кутом, де формують голографічну грати, спрямованої до них з точки45. Характер взаємодії світлових пучків визначає їх взаємна орієнтація стосовнокристаллографическим осях. Ефективність взаємодії хвиль в електрооптичний кристалі істотно залежить від орієнтації електричного поля була в кристалі, зрізу кристала і орієнтації голографічної грати щодо кристалографічних осей [12].


>Рис. 3Ортогональная схема записи голограми вфоторефрактивном кристалі

При орієнтації кристала, як показано на рис. 3 взаємодіютьS-компоненти об'єктної і опорною хвилі,P-компонентиортогональни і взаємодіють. Що робить вимірювальну системуполяризационно незалежної. Завдяки цьому на ролі об'єктної хвилі можна використовувати випромінювання віддиффузно-рассевающих об'єктів чи випромінювання яка вийшла змногомодовоговолоконногосветовода.


 

2. Експериментальна частина

 

2.1 Експериментальна установка

Для дослідження коливань мікрооб'єктів буласобранна експериментальну установку з урахуванням голографічного принципу об'єднання хвиль, зображена на рис. 4.

>Рис.4 Схема експериментальної установки. >m1, >m3, >m4 – дзеркала; >m2 –светоделитель; L1, L2,L3 – котрі збирають лінзи;/4 –четвертьволновая платівка;ФРК –фоторефрактивний кристал; D – електродинамічний перетворювач;ФП – фотоприймач; >MT –>моторезированнийдвух-координатний транслятор

Як джерела випромінювання використовувавсяNd:YAG-лазер із довжиною хвилі 1064 нм. Лазерний пучок ділився на об'єктний і опорний.Объектний пучокфокусировался і направлявся на досліджуваний об'єкт, закріплений на калібрований електродинамічний перетворювач, з допомогою якого здійснювалося передача коливань досліджуваного об'єкту. У результаті коливань зразка, відбите від цього випромінювання буломодулировано за фазою, яке потім збиралося лінзою й постійно спрямовувалося вфоторефрактивний кристал.Демодуляция фази відбитій хвилі здійснювалася до її взаємодії із опорною хвилею на динамічної голограміформеруемой в кристаліCdTe. Інтенсивність об'єктного пучкарегистриловаллось з допомогоюфотоприемника. Сигнал якого черезАЦП надходив у комп'ютер.

 

2.2 Досліджувані об'єкти

Як досліджуваних об'єктів було обрано витягнуті кварцовісветоводи діаметром 15 >мкм і 2 >мкм без додаткових що відбивають покриттів. Ставлення потужності відображеного від об'єкта випромінювання та випромінювання спрямовуваного на об'єкт не перевищувало 5%. Тим самим було моделювалося дослідженняслабоотражающих і напівпрозорих об'єктів.

>Рис. 5 Знімок досліджуваного зразка, з діаметром 15мкм


 

>Рис. 6 Знімок досліджуваного об'єкта з діаметром 2мкм

 

>Рис. 7 Знімок лазерного пучка відображеного від досліджуваного об'єкта

 

Попри складну структуру відображеного від об'єкта пучка (рис. 8) , завдякиголографическому такого принципу поєднання хвиль в кристалі, у цьомуинтерферометре можуть виконати йогофазоваядемодуляция.

 

2.3 Методика експерименту

>Объектний пучокфокусировалсякороткофокусной лінзою L1 (рис. 4) на досліджуваний об'єкт (рис. 4). Поперечний діаметр об'єктного пучка на місці максимальної фокусуванню становив 50 >мкм.

Обстежуваний об'єкт розташовувався поруч ізреперним кварцовим волокном з діаметром 130 >мкм на рамці, жорстко що зелектродинамическим перетворювачем (рис. 8). Через те що об'єкти мали малий розмір на допомогу пошуку і дослідження зразка використовуваласядвухкоординатная система лінійногомоторизированного переміщенняStanda8DCMC1.

 Ця система дозволила переміщати зразок щодо об'єктного пучка з точністю до 14 нм.

>Рис. 8 Взаємна розташування зразка, з діаметром 15мкм іреперного кварцевого волокна

 

Управління окремиминано-трансляторами системимоторизированного переміщення мало допомогою команд поданих з комп'ютера на контролер. Для подачі команд і автоматизації управління було розроблено йреализованно спеціалізоване програмне забезпечення «>motor controlfor8DCMC1», головне діалогове вікно якого представлене рис. 8. (лістинг файлів програми приведено у додатку)


>Рис. 9 Головне діалогове вікно програми «>motor controlfor8DCMC1»

З допомогою даної програми було здійснена реєстрація і синхронізація сигналу, подаваного наАЦП, з пересуваннямнано-транслятора, що дозволило правильно інтерпретувати отримані результати.

2.4 Експериментальні результати

Переміщення зразків щодо об'єктного пучка здійснювалася відреперного кварцевого волокна до досліджуваного зразком в напрямі Х, як показано на рис. 8.

Експериментально отримана залежність амплітудидемодулированного сигналу від становищасканирующего пучка обох зразків з діаметром 15 >мкм і 2 >мкм приведено на рис. 10. У цьому амплітуда коливань зразка становила 20 нм.


>Рис. 10 Залежності амплітуди сигналу від становищасканирующего пучка для зразків з діаметром 15мкм і 2мкм

Як очевидно з рис. 10 характер зміни сигналудемодуляции з відстанню відреперного оптичного волокна відповідає прямому оптичного виміру з допомогою мікроскопа (рис. 7), що підтверджує отримані результати.


 

Укладання

Отже, у "справжній роботі розроблено й практично реалізована система реєстрації малих коливань мікрооб'єктів з допомогою адаптивного інтерферометра з урахуванням динамічних ортогональних голограм, формованих вфоторефрактивном кристалі. Показано що ця система дозволяє реєструвати коливання об'єктів розмірами 2мкм. Створено програмне забезпечення керуватинано-позиционерами.

З огляду на те, що ортогональна геометрія формування динамічної голограми вФРК дозволяє створюватиполяризационно-независимие схеми адаптивнихинтерферометров, розроблена вимірювальна система можна використовувати зокрема й у дослідження складних мікро- інано- об'єктів, взаємодія випромінювання із якими може спричинить йогодеполяризации.


 

Список літератури

1. B.Ilic, H. G.Craighead, P.S.Krylov, W.Senaratne, З.Ober, andP.Neuzil.Attogramdetectionusingnanoelectromechanicaloscillators //J.Appl.Phys. - 2004 –>Vol.95.

2. M.Sato, B. E.Hubbard, L.Q. English, and A.J.Sievers, B.Ilic, D. A.Czaplewski and H. G.Craighead.Study ofintrinsiclocalizedvibrationalmodes inmicromechanicaloscillatorarrays //CHAOS - 2003. –>Vol. 13,No.2 –P.702-715.

3. L.Sekaric,a) M.Zalalutdinov, P.S. W.Turner, A. T.Zehnder,J. M.Parpia, and H. G.CraigheadNanomechanicalresonantstructuresastunablepassivemodulators of light //J.Appl.Phys. - 2002 –>Vol.80.

4. P.S.DiGirolamo,A.A.Kamshilin,R.V.Romashko,Yu.N.Kulchin,J.-C.Launay. Fastadaptiveinterferometer ondynamicreflectionhologram inCdTe:V //Optics Express. – 2007. –Vol.15. –No.2. –P.545-555.

5. М. П. Петров, З. І. Степанов, А. У. Хоменко.Фоточувствительниеелектрооптические середовища в голографії і оптичної обробці інформації. – Л.: НаукаЛенингр.отд.-ние. – 1983. – 269 з.

6. A.Ashkin, G. D.Boyd,J. M.Dziedzic, R. G.Smith, A. A.Ballman,J.J.Levinstein, K.Nassau.Optically-inducedrefractiveindexinhomogeneities inLiNbO3 andLiTaO3 //Appl.Phys.Lett. – 1966. –V.9. –P.72.

7.P.Gunter,J.-P.Huignard,eds.Photorefractivematerials andtheirapplications 2:Materials. – SpringerSeries inOpticalSciences. – 2007. –V.114. – 646p.

8. G.Zhang, D.Kip, D. D.Nolte,J.Xu,eds.OSATrends inOptics andPhotonics:PhotorefractiveEffects,Materials, andDevices. – 2005. –V.99.

9.P.Delaye, З.Denz, L.Mager, G.Montemezzani,eds.OSATrends inOptics andPhotonics:PhotorefractiveEffects,Materials, andDevices. – 2003. –V.87.

10. У. Л.Винецкий, М. У.Кухтарев. Динамічна голографія. – Київ:Наукова думка. – 1983. – 125 з.

11.DiGirolamo P.S.,RomashkoR.V.,KulchinY.N.,KamshilinA.A.Orthogonalgeometry ofwaveinteraction in aphotorefractivecrystalforlinearphasedemodulation //Opt.Commun. – 2010. -V.283. -P.128-131.

12. R. V.Romashko, P.S.DiGirolamo, Y. N.Kulchin, and A. A.Kamshilin.Photorefractivevectorialwavemixingindifferentgeometries//J.Opt.Soc. Am. -2010. ->Vol. 27. No. 2. –>P. 311-317.


Додаток

 

Програма «>motor controlfor8DCMC1»

Ця програма створена середовищі MSVisual З++ 6.0 з урахуванням класуMFC. Вона складається з двох діалогових вікон:SERIALGATETEST_DIALOG іABOUTBOX. Реалізовано такі функції:

1. Взаємодія зCOM – портом комп'ютера. Читання і запис інформацією пам'яті контролера8DCMC1 із засобів інтерфейсуRS232. Ця функція реалізована як окремої бібліотеки –SerialGate.dll.

2. Аналог командної рядки керуватишаговими двигунами, у якому полі введення і полі виведення.

3. Завдання параметрів роботишагових двигунів (швидкість, прискорення).

4.2D-cканирование обраного ділянки.

5. ОпитуванняАЦП, запис даних в файл.


>ЛистингSerialGateTest.cpp:

#>include ">stdafx.h"

#>include ">SerialGateTest.h"

#>include ">SerialGateTestDlg.h"

#>ifdef _>DEBUG

#>define newDEBUG_NEW

#>undefTHIS_FILE

>staticcharTHIS_FILE[] = __>FILE__;

#>endif

>BEGIN_MESSAGE_MAP(CSerialGateTestApp,CWinApp)

//{{>AFX_MSG_MAP(CSerialGateTestApp)

//}}>AFX_MSG

>ON_COMMAND(ID_HELP,CWinApp::OnHelp)

>END_MESSAGE_MAP()

//CSerialGateTestAppconstruction

>CSerialGateTestApp::CSerialGateTestApp()

{

}

>CSerialGateTestApptheApp;

//CSerialGateTestAppinitialization

>BOOLCSerialGateTestApp::InitInstance()

{

>AfxEnableControlContainer();

#>ifdef _>AFXDLL

>Enable3dControls();//CallthiswhenusingMFC in asharedDLL

#>else

>Enable3dControlsStatic();//Callthiswhenlinking toMFCstatically

#>endif

>CSerialGateTestDlgdlg;

>m_pMainWnd = &>dlg;

>intnResponse =dlg.DoModal();

>if (>nResponse ==IDOK)

{

}

>elseif (>nResponse ==IDCANCEL)

{

}

>returnFALSE;

}

>ЛистингSerialGateTestDlg.cpp:


#>include <>stdio.h>

#>include <>string.h>

#>include <>string>

#>include ">stdafx.h"

#>include ">SerialGateTest.h"

#>include ">SerialGateTestDlg.h"

#>include <>windows.h>

#>include <>math.h>

#>ifdef _>DEBUG

#>define newDEBUG_NEW

#>undefTHIS_FILE

>staticcharTHIS_FILE[] = __>FILE__;

#>endif

//>using System;

>intkey=0;

//#>include ">thread.h"

//#>includeSystem::Threading;

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//CAboutDlgdialogusedforAppAbout

>classCAboutDlg : publicCDialog

{

public:

>CAboutDlg();

//DialogData

//{{>AFX_DATA(CAboutDlg)

>enum {IDD =IDD_ABOUTBOX };

//}}>AFX_DATA

//ClassWizardgeneratedvirtualfunctionoverrides

//{{>AFX_VIRTUAL(CAboutDlg)

>protected:

>virtualvoidDoDataExchange(CDataExchange*pDX); //DDX/DDVsupport

//}}>AFX_VIRTUAL

//Implementation

>protected:

//{{>AFX_MSG(CAboutDlg)

//}}>AFX_MSG

>DECLARE_MESSAGE_MAP()

};

>CAboutDlg::CAboutDlg() :CDialog(CAboutDlg::IDD)

{

//{{>AFX_DATA_INIT(CAboutDlg)

//}}>AFX_DATA_INIT

}

>voidCAboutDlg::DoDataExchange(CDataExchange*pDX)

{

>CDialog::DoDataExchange(pDX);

//{{>AFX_DATA_MAP(CAboutDlg)

//}}>AFX_DATA_MAP

}

>BEGIN_MESSAGE_MAP(CAboutDlg,CDialog)

//{{>AFX_MSG_MAP(CAboutDlg)

// No messagehandlers

//}}>AFX_MSG_MAP

>END_MESSAGE_MAP()

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//CSerialGateTestDlgdialog

>CSerialGateTestDlg::CSerialGateTestDlg(CWnd*pParent /*=>NULL*/)

:CDialog(CSerialGateTestDlg::IDD,pParent)

{

//{{>AFX_DATA_INIT(CSerialGateTestDlg)

>m_port = 5;

>m_rate = 9600;

>m_recieve = _T("");

>m_send = _T("");

>m_axsis = _T("");

>m_vel = _T("");

>m_asel = _T("");

>m_gomr = _T("");

>m_mraxsis0 = _T("");

>m_mraxsis1 = _T("");

>m_tapeaxsis0 = _T("");

>m_tapeaxsis1 = _T("");

>m_dataininput = _T("");

>m_dataoutput = _T("");

>m_past = _T("");

//}}>AFX_DATA_INIT

//Note thatLoadIcondoesnotrequire

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація