Измерительные устройства, основанные на дифракционных эффектах лазерных пучков

• Автор: Басистый, Евгений Викторович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

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 1ІНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
1.5 Да тчики на ступени а тых фа зовых 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 датчика 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 лазерного 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 < A/(4COS0) (методика №1)
2.4.2 Методика измерений глубины при h > A/^COS©) fметодика №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 результаты исследований представленных в главе
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 Анализ результатов численных расчётов распределения интенсивности пространственного спектра после взаимодействия Гауссова пучка сСФС
3.3.1 Вид 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 От 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
3.4Экспериментальные 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 предста вленных в ела вез
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А - МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ СФС,

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

2.1.2 Экспериментальное исследование зависимости мощности в нулевом порядке дифракции от угла падения лазерного излучения на дифракционную
решетку
Для того, чтобы на основании приведенных зависимостей предлагать практические методики, необходимо убедиться в том, что расчётные кривые, которые получены при некоторых допущениях, соответствуют зависимостям, которые получены экспериментальным путём при заданных параметрах решёток. Для экспериментального измерения зависимости ДД0)был собран стенд, схема которого изображена на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 - Схема стенда для экспериментального измерения зависимости

В этой схеме пучок излучения лазера (1) направлен на подложку (2), на которой находится рельефная отражающая дифракционная решетка Решётка была закреплена на столике гониометра ГУР -3. (3). Рельеф был покрыт отражающей свет металлической пленкой (4). В отраженном лазерном пучке расположен