Адаптивный регистратор малых перемещений

Полезная модель относится к оптоэлектронике и может быть использована для бесконтактного измерения малых линейных перемещений. Технический результат - регистратор позволяет измерить малые перемещения (от десятых долей нм до мкм) объектов, в том числе характерные размеры которых меньше размера объектного лазерного пучка интерферометра в месте максимальной фокусировки или меньше длины волны излучения. Регистратор содержит источник излучения когерентной световой волны, светоделитель, который разделяет когерентную световую волну на опорную и объектную, и фотоприемник. Объектная волна от светоделителя направлена через фокусирующий элемент на объект, отраженная от объекта объектная волна направлена через фокусирующий элемент, светоделитель, первую фокусирующую линзу на фоторефрактивный кристалл. Регистратор содержит зеркало, установленное после источника излучения когерентной световой волны и направляющее волну под прямым углом в светоделитель. Кроме того, устройство содержит фазовую четвертьволновую пластину, систему зеркал, направляющих опорную волну под прямым углом к объектной, вторую фокусирующую линзу. Опорная волна после светоделителя пропускается через фазовую четвертьволновую пластину и направлена через систему зеркал, вторую фокусирующую линзу на фоторефрактивный кристалл. Фоторефрактивный кристалл установлен в месте пересечения опорной и объектной волн. Опорная и объектная волны направлены в фоторефрактивный кристалл под прямым углом друг к другу вдоль осей фоторефрактивного кристалла [010] и [100] и после объединения направлены на фотоприемник. 1 ил.

Полезная модель относится к оптоэлектронике и может быть использована в производстве электроники и в метрологии для бесконтактного измерения малых линейных перемещений.

Известно устройство для измерения малых перемещений, которое построено на основе интерферометра Майкельсона (Harry A. Deferrariand Frank A. Andrews. Laser Interferometric Technique for Measuring Small-Order Vibration Displacements // The journal of the Acoustical Society of America. - 1966. - Vol.39(5). - P.979-980). Излучение непрерывного лазера с помощью светоделителя делится на две световые волны: объектную и опорную. Опорная световая волна светоделителем направляется на зеркало. Объектный пучок направляется на отражающую поверхность исследуемого объекта, перемещения которого подлежат измерению. Отражаясь от поверхности исследуемого объекта, объектный луч направляется в светоделитель, где происходит объединение с опорным пучком. Далее пучки попадают на рассеивающую линзу и через аттенюатор и диафрагму направляются в фотоприемник. С фотоприемника сигнал проходит через узкополосный фильтр и далее обрабатывается на осциллографе.

К недостаткам аналога следует отнести:

- устройство не может регистрировать перемещения объектов с размерами менее 0,5 мм;

- регистрируемая амплитуда смещения отражающей пластины ограничивается используемым узкополосным фильтром.

Известно также устройство для измерения малых линейных перемещений на основе интерферометра Тваймана- Грина (F.Garol, P.C. Logofatu, D. Apostol, С. Udreaand P. Schiopu, Interferometric vibration displacement measurement, Romanian Reports in Physics, Vol.62, No. 3, P. 671-677, 2010). Устройство содержит источник когерентного светового излучения, расширитель излучения, коллиматорную линзу, светоделитель, разделяющий излучение на опорную и объектную волны, на пути опорной волны установлено зеркало, а на пути объектной - исследуемый объект, и фотоприемник. Опорная волна после светоделителя попадает на зеркало, отражается от него и через светоделитель попадает в фотоприемник. Объектная волна после светоделителя попадает на исследуемый объект, отражается от него и попадает обратно в светоделитель. Интерференционный сигнал, полученный при взаимодействии опорной и объектной волн в светоделителе, попадает в фотоприемник.

Данное техническое решение по своему функциональному назначению и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.

К недостаткам прототипа следует отнести:

- низкая стабильность интерферометра;

- повышенный шум;

- для проведения измерений требуется виброизоляция

Задачей настоящей полезной модели является создание регистратора малых перемещений, устойчивого к внешним шумам и позволяющего измерить малые перемещения (от десятых долей нм до мкм) объектов, в том числе характерные размеры которых меньше размера объектного лазерного пучка интерферометра в месте максимальной фокусировки или меньше длины волны излучения (наноразмерные объекты).

Поставленная задача решается тем, что регистратор содержит источник излучения когерентной световой волны, светоделитель, разделяющий излучение на опорную и объектную волны, плечи прохождения объектной и опорной волн, зеркало, установленное после источника излучения и направляющее излучение под прямым углом в светоделитель, фоторефрактивный кристалл и фотоприемник, при этом плечо прохождения опорной волны включает последовательно установленные после светоделителя фазовую четвертьволновую пластинку, систему зеркал, направляющих опорную волну под прямым углом к объектной волне, первую фокусирующую линзу и фоторефрактивный кристалл, плечо прохождения объектной волны - фокусирующий элемент, установленный перед исследуемым объектом, светоделитель, вторая фокусирующая линза и фоторефрактиный кристалл, при этом опорная и объектная волны направлены в фоторефрактивный кристалл под прямым углом друг к другу вдоль осей фоторефрактивного кристалла [010] и [100].

Отраженная от исследуемого объекта объектная волна проходит через фокусирующий элемент, светоделитель и фокусирующую линзу в фоторефрактивный кристалл, который используется для демодуляции фазы волны, отраженной от объекта. Преобразованная волна, выходящая из фоторефрактивного кристалла, попадает в фотоприемник.

В качестве источника излучения когерентной световой волны используют, например, непрерывный твердотельный лазер.

В качестве фоторефрактивного кристалла можно использовать, например, кристалл теллурида кадмия.

В качестве светоделителя, возможно использовать, например, светоделительную пластину, делящую излучение на два пучка в равном соотношении.

В качестве фокусирующего элемента можно использовать, например, любую систему линз.

В заявленном регистраторе малых перемещений общими признаками с прототипом являются:

- источник излучения когерентной световой волны;

- светоделитель, разделяющий когерентную световую волну на опорную и объектную;

- объектная волна от светоделителя направлена на исследуемый объект;

- опорная волна направлена под прямым углом к объектной световой волне.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что первое имеет в отличие от прототипа следующие существенные признаки:

- зеркало, установленное после источника излучения когерентной световой волны и направляющее волну под прямым углом в светоделитель,

- система зеркал, направляющих опорную волну под прямым углом к объектной световой волне;

- фазовая четвертьволновая пластина;

- фоторефрактивный кристалл;

- опорная волна после светоделителя пропускается через фазовую четвертьволновую пластинку и направляется через систему зеркал, фокусирующую линзу на фоторефрактивный кристалл;

- отраженная от объекта объектная волна через фокусирующий элемент, светоделитель, фоторефрактивный кристалл направляется на фотоприемник;

- фоторефрактивный кристалл установлен в месте пересечения опорной и объектной волн;

- опорная и объектная волны направлены в фоторефрактивный кристалл под прямым углом друг к другу вдоль осей фоторефрактивного кристалла [010] и [100].

Сущность технического решения поясняется чертежом (Фиг.), на котором представлена схема устройства для измерения малых перемещений объектов, где обозначены: 1 - объект; 2 - фокусирующий элемент; 3 - непрерывный лазер; 4 - зеркало; 5- светоделитель; 6 - объектная волна; 7 - опорная волна; 8 - первая фокусирующая линза; 9 - четвертьволновая пластина; 10 - зеркало; 11 - зеркало; 12 - вторая фокусирующая линза; 13 - фоторефрактивный кристалл; 14 - фотоприемник.

Устройство включает; источник излучения 3, зеркало 4, направляющее излучение на светоделитель 5. Светоделитель 5 разделяет излучение на две волны: объектную 6 и опорную 7, которые далее движутся по соответствующим оптическим плечам. Объектная волна 6 через фокусирующий элемент 2 попадает на объект 1, отражается от него и через фокусирующий элемент 2, светоделитель 5, первую фокусирующую линзу 8 попадает в фоторефрактивный кристалл (ФРК) 13. На выходе из кристалла объектная волна 6 попадает в фотоприемник 14. Опорная волна проходит через четвертьволновую пластину 9, отражается от системы зеркал 10 и 11, проходит через вторую фокусирующую линзу 12 и попадает в фоторефрактивный кристалл 13. Элементы 3-13 в совокупности представляют собой адаптивный голографический интерферометр.

Устройство для измерения малых перемещений объектов работает следующим образом. Объекты 1, перемещения которых подлежат регистрирации, помещаются в фокальную плоскость фокусирующего элемента 2. Отраженная от объекта 1 объектная волна 6, вследствие малых перемещений объекта, модулирована по фазе. Преобразование изменений фазы объектной волны в изменение интенсивности происходит за счет взаимодействия опорной и объектной волн в фоторефрактивном кристалле (ФРК) 13. Изменение интенсивности объектной волны 6 на выходе из фоторефрактивного кристалла 13 регистрируется фотоприемником 14. Из сигнала, регистрируемого фотоприемником, определяется величина и скорость.

Голографический принцип объединения волн в ФРК позволяет обеспечить точное согласование произвольных фронтов опорной и объектной световых волн, а адаптивные свойства динамической голограммы обеспечивают стабилизацию рабочей точки интерферометра в области его максимальной чувствительности (квадратурные условия) под воздействием неконтролируемых изменений параметров окружающей среды. Благодаря этому повышается стабильность регистратора, уменьшаются шумы, увеличивается чувствительность, отпадает необходимость в точной юстировке оптических элементов, и появляется возможность исследовать перемещения объектов, характерные размеры которых меньше размера объектной волны в месте максимальной фокусировки.

1. Регистратор малых перемещений, состоящий из источника излучения когерентной световой волны, зеркала, установленного после источника излучения и направляющего излучение под прямым углом в светоделитель, разделяющий излучение на опорную и объектную волны, плеч прохождения опорной и объектной волн, фоторефрактивного кристалла и фотоприемника, при этом опорное плечо включает последовательно установленные после светоделителя фазовую четвертьволновую пластинку, систему зеркал, направляющих опорную волну под прямым углом к объектной волне, вторую фокусирующую линзу, объектная ветвь - фокусирующий элемент, установленный перед исследуемым объектом, светоделитель, первую фокусирующую линзу, при этом опорная и объектная волны направлены в фоторефрактивный кристалл под прямым углом друг к другу вдоль осей фоторефрактивного кристалла [010] и [100].

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве фоторефрактивного кристалла используют кристалл теллурида кадмия.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника световой когерентной волны используют непрерывный твердотельный инфракрасный лазер.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве светоделителя используют светоделительную пластину, делящую излучение на два пучка в равном соотношении.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве фокусирующего элемента используют объектив.