Метод оптического лазерного зондирования поверхностных акустических волн с использованием опорных дифракционных решеток

• Автор: Комоцкий, Владислав Антонович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 412 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
Основное направление настоящей работы - оптическое зондирование поверхностных акустических волн (ПАВ), устройств на ПАВ и их отдельных элементов. Работы в области создания устройств на ПАВ начались в 60-х годах и явились ярким примером рождения новой области техники . Вместе с развитием техники ПАВ развивались и методы экспериментальных исследований волновых полей, среди которых можно выделить оптическое зондирование ПАВ с помощью лазера. Лазерное зондирование волновых полей ПАВ считается одним из наиболее совершенных и перспективных методов исследования, поскольку оно не вносит искажений в волновые поля ПАВ, позволяет достичь высокой чувствительности и реализовать разрешающую способность измерений порядка нескольких длин волн ПАВ, а в некоторых схемах, например, при использовании метода ножевой диафрагмы, разрешающая способность составляет долю от длины волны (менее половины длины волны).
Методы оптического лазерного зондирования ПАВ были неоднократно и достаточно подробно описаны в целом ряде обзоров: Корпел [7], 1969; Лин [1], 1970; Дрансфельд и Зальцман [57], 1974; Штегеман [2], 1976; Гранкин И.Н., Кулаева И.Г., Запуный А.М. [4], 1985 г. Поскольку существует достаточно большое количество доступных обзоров, в которых существующие методы лазерного зондирования ПАВ описаны и классифицированы, нет необходимости в подробном изложении их содержания. Ограничимся здесь очень кратким описанием наиболее распространенных методов зондирования ПАВ. Одним из первых был практически реализован метод дифракционного зондирования. Сущность его состоит в том, что измеряется интенсивность первого дифракционного порядка, полученного в результате дифракции света на ПАВ, по результатам этих

измерений рассчитывается величина амплитуды ПАВ и вычерчиваются зависимости амплитуды ПАВ от координат, т.е. амплитудные распределения ПАВ. Метод простого дифракционного зондирования привлекает простотой реализации, он позволяет проводить исследования волн с очень высокими частотами, вплоть до гигагерц [1], однако он принципиально не позволяет проводить фазовые измерения ПАВ. Его чувствительность значительно ниже, чем чувствительность методов с применением оптического гетеродинирова-ния.
Методы с применением оптического гетеродинирования имеют весьма высокую чувствительность и позволяют обнаруживать волны (ПАВ) с амплитудой порядка 10_3 ангстрем, они принципиально позволяют проводить не только амплитудные, но и фазовые измерения волновых полей ПАВ, однако установки, реализующие эти методы, весьма сложны, требуют тонкой настройки и повышенной механической стабильности их частей. Например, описанная в работе [72] установка содержит акустооптический дефлектор, предназначенный для сдвига частоты зондирующей оптической волны, что в конечном счете делает установку громоздкой, сложной в настройке и к тому же может приводить к снижению ее фазовой стабильности, поскольку сигнальный и опорный лазерные пучки проходят довольно большие расстояния по разным траекториям.
Метод ножевой диафрагмы, описанный в работе [7], имеет достаточно простую схему, характеризуется сравнительно высокой чувствительностью (порядка 10~2 - 10~3 ангстрем) и позволяет проводить измерения с разрешающей способностью порядка долей длины акустической волны. Наилучшая область его применения - зондирование волн с достаточно большим периодом, поскольку зондирование производится сфокусированным световым пятном и размер пятна не должен превышать величину порядка четверти длины волны ПАВ.

Метод оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой (метод 03 с ОДР), исследуемый в данной работе, не упоминался в обзорах [1, 2, 7, 57], а в обзоре [4] (Гранкин И.М., Запу-ный А.М., Кулаева И.Г., 1985г.) метод 03 с ОДР был классифицирован и описан со ссылкой на одну из работ автора, опубликованную в 1981 г. в журнале Applied Physics [14А]. В схеме 03 с ОДР оптический зондирующий пучок последовательно взаимодействует с опорной дифракционной решеткой и с поверхностной акустической волной. Полезный сигнал на частоте ПАВ выделяется в одном из дифракционных порядков и несет информацию как амплитуде, так и о фазе ПАВ. Учитывая такой признак как существование сигнальной и опорной оптических волн и выделение сигнала на несущей частоте ПАВ, данный метод можно отчасти классифицировать как метод, использующий оптическое гетеродинирование, однако в данной схеме совмещение сигнального и опорного пучков происходит автоматически вследствие свойств используемой оптической схемы. Исследования метода 03 с ОДР, проведенные в настоящей работе, показывают на практике, что он обладает уникальным сочетанием достоинств: он имеет высокую чувствительность (порядка 10'3 ангстрем) присущую методам оптического гетеродинирования, дает возможность измерять не только амплитудные, но и фазовые распределения ПАВ, обеспечивает весьма высокую стабильность как амплитудных, так и фазовых измерений ПАВ. В режиме существования отраженных волн этот метод позволяет реализовать измерение модуля и фазы коэффициента отражения волны (ПАВ) от краев и других препятствий, он также позволяет исследовать частотные характеристики узкополосных отражающих структур, (распределенных зеркал акустических резонаторов ПАВ). С помощью метода 03 с ОДР можно измерять длину волны ПАВ, фазовую скорость, групповую скорость, возможно также прямое проведение измерения формы дисперсионных характеристик ПАВ. Все перечисленные ас-

сигнал/шум (с/ш), можно из (1.26) найти порог детектирования сигнала:
пучка приведены на рис. 1.5. При расчетах принято, что ОДР
схема построена так, чтобы достичь максимальной величины выходного сигнала. На графике можно выделить две асимптоты. При малых мощностях зондирующего излучения асимптота обусловлена преобладанием теплового шума сопротивления нагрузки над дробовым шумом фототока, в числителе выражения (1.28) доминирует первое слагаемое, и уравнение этой асимптоты запишется в виде:
фазовая прямоугольная решетка с глубиной, равной ФЛ7)== 45°
ляется наилучшей с точки зрения обеспечения минимального порога детектирования. Зависимость ф("0р) от мощности Р3 здесь обратно пропорциональная. Область величин Р3 , где кривая выходит к этой асимптоте, зависит от величины сопротивления нагрузки.
L>g '1 з. ' Чт
Расчетные зависимости Фпор'> от мощности зондирующего
фазовая в форме меандра с глубиной Фм = ФЛ/П7) , т.е
(1.29)
В этом случае минимум фюр) соответствует максимуму , т.е. условие оптимума чувствительности в точности совпадает с условием максимума коэффициента преобразования с/п}. Тогда
в схеме на просвет, либо Ф)ПГ) = 22,5° схеме на отражение , яв-