ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 5 Лазерные информационные технологии Астапенко В.А., д.ф.-м.н. 1

Лазерная гироскопия Одним из интереснейших применений лазеров является их использование в навигационной технике, в частности в качестве датчиков вращения для автономного измерения угловой скорости объекта. Ранее для этой цели использовались только механические гироскопы, действие которых основано на эффекте «волчка», то есть способности раскрученного массивного тела сохранять в пространстве направление оси вращения. Лазерный гироскоп имеет ряд существенных преимуществ перед механическим. Во-первых, отсутствие движущихся частей позволяет снизить время выхода прибора на режим с 20 – 30 с до 0.5 – 1.0 с и повысить устойчивость прибора к механическим воздействиям (по ударам с g до g). Во-вторых, лазерный гироскоп нечувствителен к линейным ускорениям до 1000 g, в то время как механический гироскоп дает значительную ошибку при ускорении от 50 g и выше. В-третьих, лазерный гироскоп выдает информацию в дискретном виде, что удобно при преобразовании ее в цифровую для последующей обработки. 2

Пассивный интерферометр Саньяка В основе работы лазерного гироскопа лежит эффект Саньяка, заключающийся в том, что во вращающемся оптическом контуре две волны, распространяющиеся из одной точки в противоположных направлениях, возвращаются в исходную точку в разные моменты времени, то есть длина оптического контура по и против направления вращения становится различной. 3 Кольцевой интерферометр Саньяка Разность хода встречных световых пучков, возникающая во вращающемся интерферометре Саньяка, может быть использована для определения скорости его вращения.

Кольцевой лазер как датчик вращения К кардинальному повышению чувствительности оптического гироскопа приводит помещение в интерферометр Саньяка активного элемента, т. е. превращение его в активный интерферометр – кольцевой лазер. 4 Трехзеркальный лазерный гироскоп, где R 1, R 2, R 3 – зеркала резонатора, 1 – активная среда, 2 – смеситель с фотодетекторами Принцип работы лазерного гироскопа основывается на наблюдении разности частот генерируемых в кольцевом лазере встречных волн, которая возникает из-за неравенства оптических длин резонатора для встречных волн при его вращении.

Измерение разности частот производится путем наблюдения интерференционной картины, получающейся при смешении встречных волн с помощью оптической схемы, приведенной на рисунке Оптическая схема смесителя лазерного гироскопа 5

Выражение для интенсивности Здесь – постоянный сдвиг фаз, ε=2n – угол расхождения волн, n – показатель преломления призмы, – отклонение угла при вершине призмы от 90, ω=2π ν. 6 Из выражения видно, что при вращении гироскопа интерференционная картина бежит со скоростью, пропорциональной угловой скорости его вращения. Установив два фотоприемника на расстоянии в четверть ширины полосы интерференционной линии можно подсчитать число интерференционных полос, прошедших в одном и другом направлении, и определить направление и угол поворота лазерного гироскопа.

Погрешности лазерного гироскопа a – идеальная характеристика; b – сдвиг нуля; с – изменение масштабного коэффициента; d – влияние синхронизации встречных волн. Сдвиг нуля обусловлен различными эффектами, в основе которых лежит неравенство для встречных волн коэффициентов преломления оптической среды, в которой распространяется свет. Изменение масштабного коэффициента связано с общим изменением показателя преломления активной среды, например, при нагреве или утечке газа из прибора, а также с эффектом затягивания частоты к центру контура усиления активного элемента. Возникновение синхронизации встречных волн объясняется перекачкой энергии одной волны в направлении распространения другой при их рассеянии на зеркалах и других оптических элементах резонатора лазера. 7 ab c d

Захват частоты в лазерном гироскопе При вращении лазерного гироскопа со скоростью, меньшей некоторого критического значения, называемого порогом захвата, частоты противоположно направленных бегущих волн в лазерном гироскопе синхронизируются, а частота биений становится равной нулю. При вращении лазерного гироскопа со скоростью меньше пороговой измерение угловой скорости становится затруднительно. Явление захвата частот обусловлено взаимной связью противоположно направленных бегущих волн. Необходимо отметить, что явление захвата частот свойственно многим связанным автоколебательным системам: это могут быть связанные механические осцилляторы, автогенераторы в радиотехнике, акустические связанные системы. Явление захвата частоты можно получить математически, решая систему из двух связанных уравнений автоколебательных процессов. 8

Реальная частотная характеристика лазерного гироскопа Частотная характеристика лазерного гироскопа (заштрихована область линейной частотной характеристики); ν – разность встречных волн, Ω – угловая частота вращения ЛГ, интервал угловых скоростей от - Ω 0 до Ω 0 - область захвата, Ω b - частотная «подставка» 9

Зеемановский лазерный гироскоп ЛГК-200 Область захвата при измерении угловой скорости – град / сек (11.6 град / час, скорость вращения Земли: 15 град / час). 10

Спектроскопия квазиупругого (динамического) рассеяния света. Фотоны лазерного луча рассеиваются на наночастицах, находящихся в броуновском движении в жидкой среде. 11

12 Динамическое рассеяние света

Наличие в спектре рассеянного лазерного излучения вклада в уширение за счет броуновского движения наночастиц является основой для определения их концентрации в растворе. Спектроскопия квазиупругого рассеяния света. Принцип работы 13

В случае наличия в растворе частиц одного размера форма рассеянного на наночастицах спектра излучения определяется функцией Лоренца, представленной на графике. Спектроскопия квазиупругого рассеяния света. Принцип работы 14

Принцип получения результата Парная корреляционная функция амплитуды регистрируемого поля гетеродинный спектр результирующего сигнала гетеродинный спектр сигнала частиц одного размера 15

Автокорреляционная функция рассеянного света 16

Спектроскопия квазиупругого рассеяния света. Принцип работы В случае наличия в растворе частиц разного размера возможно выделение вкладов разных частиц. С этой целью экспериментально снятый спектр раскладывается на составляющие как это показано на рисунке. Каждая кривая Лоренца определяет вклад частиц соответствующего размера. 17

PMT He-Ne L1L1 S1S1 Cuv L2L2 S2S2 S3S3 PC M1M1 M2M2 M3M3 A Спектроскопия квазиупругого рассеяния света. Принцип работы Схема построения прибора для измерения спектра лазерного излучения, рассеянного на наночастицах

Экран отображения результатов измерения. В правом нижнем углу представлен участок спектра, ответственный за рассеяние на наночастицах, в левом нижнем углу представлен результат разложения экспериментального спектра, дающий вклады наночастиц разного размера. На левом верхнем графике отображается ошибка аппроксимации, а на правом верхнем даются результаты в табличной форме. 19

Нанодисперсная масляная эмульсия в керосине. Приготовлена в ИСАНе

Феррит Молибден Медь Углерод Ферромагнетик Результаты отработки технологии получения неорганических наночастиц

ДОСТОИНСТВА МЕТОДА 1. Метод спектроскопии рассеяния занимает важное место в метрологии нанообъектов, допуская интегрирование в технологический процесс изготовления 2. Дает возможность работы в жидкой среде в условиях близких к нативным 3. Отличается простотой пробоподготовки 4. Обеспечивает возможность оперативного получения распределения наночастиц по размерам 5. Не вызывает воздействия на объект исследования 6. Наличие резкой зависимости интенсивности рассеянного света от размера взвешенных частиц (пропорционально шестой степени характерного размера) позволяет надежно измерять распределение тяжелых частиц на фоне мелких 7. Обеспечивает простоту эксплуатации 22

Динамический форм-фактор – пространственно-временной Фурье-образ корреляционной функции плотность-плотность 23 В физике плазмы ДФФ называют функцией спектральной плотности, через которую выражается спектр рассеяния излучения на плазменных частицах

ДФФ плазменных частиц 24

Рассеяние излучения в плазме Таким образом, сечение рассеяния излучения на плазменных электронах определяется их динамическим форм-фактором 25

Рассеяние рассеивающего объема в плазме относительно системы сбора рассеянного излучения 26

Рассеяние излучения на плазменном электроне Таким образом, рассеяние на флуктуациях электронной плотности подавлено на малых углах рассеяния 27

Рассеяние излучения на дебаевской сфере в плазме (переходное рассеяние) 28 Таким образом, рассеяние излучения на дебаевских сферах электронного заряда вокруг иона в плазме (переходное рассеяние) является аналогом релеевского излучения на атоме, когда частота излучения не изменяется.

ИК спектроскопия Инфракрасная спектроскопия является важным аналитическим методом, широко использующимся для исследования строения молекул, кристаллов, определения наличия определенных химических связей и их количественного соотношения в веществе. Использование инфракрасной спектроскопии возможно благодаря тому, что молекулы поглощают свет на частотах, энергия кванта которых совпадает с энергией возбуждения колебательных и вращательных мод молекул. В результате такого специфического поглощения по виду ИК спектра поглощения вещества оказывается возможным определять наличие в веществе тех или иных химических связей, их соотношение по энергиям и в конечном счете характеризовать само вещество, выделить его собственный характерный спектр, который может служить в химическом анализе как идентификатор, однозначно указывающий на наличие того или иного вещества в образце. 29

Физические основы метода Не всякое колебание молекул, приводит к появлению полосы поглощения в спектре ИК. Если при этом изменяется распределение электрического заряда и молекула представляет собой колеблющийся диполь, то такое колебание активно в ИК спектре. Интенсивность поглощения в ИК спектре прямо пропорциональна квадрату первой производной дипольного момента ею межъядерному расстоянию. Такие полярные молекулы, как HCl, имеют наиболее интенсивные полосы в ИК спектре. 30 Энергетический спектр гармонического осциллятора

Типы молекулярных колебаний К основным молекулярным колебаниям, которые проявляются в ИК спектре, относятся валентные колебания, заключающиеся в растяжении и сжатии связей в молекуле, деформационные колебания, отражающие изменение углов между связями, а также торсионные колебания. Частоты валентных колебаний, как правило, существенно выше частот деформационных и торсионных колебаний. Идентификация исследуемого соединения по его ИК спектру поглощения основана на взаимосвязи характеристик полосы поглощения с составом и структурой вещества. 31

Кластер (TiO 2 ) 2 в С 2h симметрии: оптимизированная структура и рассчитанный ИК спектр 32

Кластер (TiO 2 ) 2 в С 2v симметрии: оптимизированная структура и рассчитанный ИК спектр 33

Кластер (TiO 2 ) 2 в С 3v симметрии: оптимизированная структура и рассчитанный ИК спектр 34

Эллипсометрия Эллипсометрия – это оптический метод контроля поверхностей и объемных образцов, основанный на регистрации воздействия образца на структуру падающей на него поляризованной электромагнитной волны. В общем случае монохроматический свет в точке поляризован эллиптически. Это означает, что конец электрического вектора волны, начало которого находится в рассматриваемой точке пространства, описывает с течением времени эллипс в плоскости, перпендикулярной направлению распространения плоской световой волны. Условие монохроматичности света важно, так как в случае его невыполнения в данной точке будет невозможно наблюдать стационарную во времени картину поведения результирующего электрического вектора. 35 Типы эллипсометрии 1. Отражательная эллипсометрия, или эллипсометрия поверхности 2. Эллипсометрия пропускания (поляриметрия) 3. Эллипсометрия рассеяния Эллипс поляризации света

Сущность эллипсометрического эксперимента В эксперименте измеряется отношение комплексных коэффициентов отражения для двух типов поляризации световой волны: в плоскости падения (p) и перпендикулярно к ней (s). Это отношение принято выражать через эллипсо- метрические параметры ψ и Δ, которые характеризуют относительное изменение амплитуд для p- и s-поляризаций и сдвиг фаз между ними: 36 Эллипсометрические измерения оказываются более информативными, чем фотометрические, так как одновременно измеряются сразу две величины: амплитуд- ный параметр ψ и фазовый – Δ. Поэтому из уравнения можно определить любые два параметра модели, описывающей коэффициенты отражения R p и R s. Последние зависят от оптических свойств исследуемой структуры, а также от угла падения света и длины волны.

Эллипсометрия поверхности (отражательная эллипсометрия) В случае, когда световая волна отражается или преломляется на границе между двумя разнородными средами, состояние поляризации изменяется скачком. Это изменение обусловлено тем, что френелевские коэффициенты отражения и пропускания имеют разную величину для линейных поляризаций параллельной (p) и перпендикулярной (s) плоскости падения волны на исследуемый образец. Важнейшими областями применения отражательной эллипсометрии являются: Измерение оптических свойств материалов и их частотной зависимости (дисперсии по длинам волн). Исследуемые материалы могут находиться как в жидкой, так и в твердой фазе, быть оптически изотропными или анизотропными, кроме того можно использовать как объемные образцы, так и тонкие пленки. Контроль явлений на поверхности, в том числе процесса роста тонких пленок (десорбции, возгонки, диффузии). Тут особенно важны присущие эллипсометрии свойства оперативности измерений, локальность и не инвазивность измерений, а также возможность проводить измерения insitu. Измерение физических факторов, влияющих на оптические свойства, например электрических или магнитных полей, механических напряжений или температуры. 37

Общая схема отражательного эллипсометра Для интерпретации эллипсометрических измерений нужен некий способ, позволяющий описать влияние образца на поляризацию отраженного пучка в зависимости от физических параметров образца. 38

Пример результатов эллипсо- метрических измерений Схематическое изображение исследуемой структуры и спектр показателя поглощения пленки, рассчитанный из эллипсометрических измерений. Слабый максимум поглощения при E = 2.28 эВ связан с электронными переходами в квантовых точках. Энергии 4.37 и 3.7 эВ соответствуют краю фундаментальной полосы поглощения в GeO 2 и максимуму поглощения в аморфном германии. 39

Эллипсометрия пропускания (поляриметрия) Используется в основном на объемных образцах как газообразных, так и твердых и жидких, основным условием является отличная от нуля прозрачность образца. Исследуются следующие свойства: естественное оптическое вращение и круговой дихроизм, естественное линейное двулучепреломление и линейный дихроизм, более общий случай: эллиптическое преломление и эллиптический дихроизм Индуцированная оптическая анизотропия, в т.ч. двойное лучепреломление в потоке, фотоупругость. Дисперсия перечисленных выше свойств по длинам волн. 40

Основные этапы эллипсометрического эксперимента Выбор адекватной оптической модели, описывающей отражающие свойства исследуемого образца. Проведение необходимого количества эллипсометрических измерений. Это количество напрямую зависит от выбранной модели, исследуемых параметров и наличия данных об исследуемом образце. Численное решение системы уравнений, представленных в модели, определение искомых параметров модели. Интерпретация полученных численных результатов с точки зрения физических параметров исследуемого образца. 41

Пример сканирующего эллипсометра Сканирующий лазерный эллипсометр МИКРОСКАН позволяет проводить локальные измерения и осуществлять картирование свойств поверхности по площади образца 42

Выводы по эллипсометрии Эллипсометрия представляет собой современный, эффективный метод контроля свойств покрытий и поверхностей. Он отличается высокой оперативностью измерений, что для некоторых предложений просто необходимо (изучение и контроль протекающих процессов), для других же позволяет существенно экономить время на исследовании образцов. Метод не оказывает существенного воздействия на изучаемый объект, что может быть чрезвычайно полезно для исследования хрупких, нестабильных образцов. Методика высоко эффективна для качественного контроля исследуемых образцов. Вместе с тем, для проведения количественного анализа для каждого отдельного вида образцов необходимо подтверждение адекватности используемой при анализе результатов измерений модели поставленным перед исследователем задачам. При использовании метода в промышленности необходимо метрологическое обеспечение с применением перекрестных методов для верификации полученных результатов измерений. 43