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

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 бО-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; Дранефельд 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 Ю-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 — Ю-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 ОЗ 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., 1985 г.) метод ОЗ 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 ОЗ 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 ОЗ с ОДР можно измерять длину волны ПАВ, фазовую скорость, групповую скорость, возможно также прямое проведение измерения формы дисперсионных характеристик ПАВ. Все перечисленные аспекты явились предметом исследования в настоящей работе. На первом этапе исследовались схемы зондирования с ОДР, расположенной на поверхности звукопровода ПАВ, были проведены расчеты и эксперименты, позволившие найти оптимальные параметры схемы. При дальнейшей разработке теории круг исследуемых вопросов был существенно расширен: были рассмотрены схемы с решетками, отделенными от звукопровода [16А, 17А], проведен учет расходимости зондирующего излучения [18А, 33А}, уточнены условия оптимизации параметров этих схем [21А — 24А]. С учетом всесторонних теоретических и экспериментальных исследований схем ОЗ с ОДР были выработаны рекомендации по проектированию экспериментальных установок для измерения амплитудных и фазовых характеристик ПАВ, обеспечивающих высокую точность и стабильность измерений. Серия экспериментов выполнена на частотах ПАВ от 8 до 100 мГц [19А, 25А]. Значительное внимание уделено в работе развитию методики измерений. Впервые предложена, обоснована, детально разработана и практически исследована методика прецизионных измерений фазовых распределений волновых полей ПАВ [16А 17А, 19А, 25А, 100А, 102А]. Проведение фазовых измерений с точностью порядка единиц градусов открывает новые возможности для изучения физических процессов распространения волн, для коррекции волновых фронтов ПАВ, для исследования и диагностики качества работы ПАВ устройств. В конечном итоге работа по совершенствованию методики проведения измерений привела к созданию автоматизированной установки для проведения амплитудных и фазовых измерений волновых полей ПАВ [100А, 102А}. Таким образом, разработка и развитие измерений ПАВ с применением метода ОЗ с ОДР дает возможность в ряде случае проводить уникальные измерения, которые не были проведены другими методами, а в других случаях проводить измерения, альтернативные известным, с применением более простой технологии, либо с меньшей трудоемкостью [27А, 41А, 47А, 94А, 99А, 103А, 104А].

Наряду с разработкой методик зондирования ПАВ, актуальной задачей данной работы являлась разработка теоретической модели зондирования, проведение расчетов конкретных схем ОЗ с ОДР с различными типами опорных решеток и при различных сочетаниях параметров оптической схемы, выбор оптимальной структуры и оптимальных параметров схемы. Моделями схемы ОЗ с ОДР являются оптические системы, состоящие из двух и трех дифракционных решеток, одна из которых (моделирующая волну) движется. Схема, состоящая из трех решеток, ранее не использовалась и ее теоретический анализ проводится в данной работе впервые. Эти исследования представляются актуальными не только с точки зрения изучения модели 03 с ОДР, но имеют значение как самостоятельная, не разработанная детально ранее, задача когерентной оптики. Следует заметить, что проведенный анализ выявил ряд новых, неочевидных и неизвестных ранее свойств исследуемой оптической системы [17А, 18А, 22А, 23А, 24А].

Оптическая схема, состоящая из двух решеток, одна из которых движется, изучалась и ранее. По результатам исследований был опубликован ряд работ итальянских авторов из университета в г. Триесте [74 — 78]. В этих работах содержались результаты численных компьютерных расчетов схем, содержащих бегущую и стационарную решетки. Эти расчеты были направлены на решение задачи модуляции оптического излучения. Однако, следует заметить, что использование полученных результатов в приложении к задаче оптического зондирования с ОДР в нашем случае практически не представляется возможным (возможны лишь качественные аналогии), поэтому проведенный нами анализ системы из двух решетокподвижной и неподвижной — с применением методов пространственных спектров актуален для адекватного описания конкретной схемы зондирования с ОДР.

Теоретический анализ оптических схем с решетками выполнен в настоящей работе не только в приближении малой глубины фазовой модуляции решетки, созданной ПАВ (Фа «1), он охватывает достаточно широкую область глубин Фа и это позволяет расширить область его полезных приложений [21А, 34А]. В частности, результаты анализа могут быть применены для расчета схем с механически движимыми глубокими решетками и отчасти для расчета акустооп-тических схем, содержащих протяженную область, возмущенную акустической волной, в сочетании с ОДР (с учетом некоторых ограничений на протяженность возмущенной области).

Наряду с исследованиями, касающимися схем и методики ОЗ с ОДР, в данной работе развивалось второе направление — разработка и исследование новых типов измерительных устройств и датчиков на основании применения оптической схемы ОЗ с ОДР и близких по структуре схем, содержащих две или три дифракционные решетки. Были в частности разработаны различные варианты датчиков перемещений, обладающих субмикронной точностью и чувствительностью порядка десятых долей нанометра, построены профило-метры с высокой разрешающей способностью [28А, 30А], предложена и реализована оригинальная схема измерения координаты оптического пучка с применением акустооптической шкалы на основе системы ОДР-ПАВ с модуляцией волны гармоническим сигналом [45а, 48а], разработана и реализована оригинальная схема измерителя расходимости лазерного излучения [44А]. Некоторые измерительные устройства защищены авторскими свидетельствами [29А, 30А, 44А]. Актуальность этих исследований связана с одной стороны с общим повышенным интересом к новым методам измерений, а с другой стороны интересными новыми возможностями, которые достигаются при использовании схем ОЗ с ОДР и родственных схем в качестве датчиков. С точки зрения применения для оптического зондирования ПАВ представляет интерес высокочувствительный датчик угловых перемещений объекта, построенный на основе схемы с двукратной дифракцией оптического пучка на фазовой дифракционной решетке с прямоугольным профилем [33А, 46А, 49А]. Весьма высокая чувствительность этой схемы к угловым поворотам поверхности (порядка Ю-8 — 10-* радиан) позволяет использовать ее для точечного зондирования ПАВ сфокусированным лазерным пучком.

Поскольку данная работа носила в значительной мере поисковый характер, представлялось интересным и достаточно актуальным исследование оптических волноводных схем, построенных по принципу, подобному схемам ОЗ с ОДР. Эти схемы, содержащие стационарные и бегущие (волновые) решетки в оптическом волноводе могли бы быть применимы для считывания сигналов со звукопро-вода ПАВ и для обработки радиосигналов введенных в оптический Волновод с помощью ПАВ [35А — 40А]. Одна из разновидностей периодической опорной решетки — это наведенная внешним воздействием решетка. Вопрос о термически наведенной решетке и ее обнаружении с применением акусто-оптической схемы в оптическом волноводе также был поставлен и исследован в рамках поставленных поисковых работ 42А, 43А]. Проведенные расчеты и экспериментальные работы, касающиеся акусто-оптических схем с решетками в оптических волноводах, дают возможность реально оценить предельные параметры и целесообразность применения подобных схем для считывания сигналов с ПАВ устройств, построения схем детектирования излучения и др.

Дальнейшее изложение материала диссертации строится по следующему плану:

• В первой главе анализируется наиболее простая схема оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой, расположенной на поверхности подложки, по которой распространяется поверхностная акустическая волна. Здесь же приводятся результаты экспериментальных исследований основных свойств и параметров этой схемы зондирования.

• Во второй главе проводится детальный теоретический анализ схем ОЗ с ОДР в случае, когда ОДР отделена от звукопровода (подложки) ПАВ и находится на некотором расстоянии от нее. В конце главы приводятся результаты экспериментальных исследований, подтверждающих основные выводы теоретического анализа.

• В третьей главе рассматриваются вопросы методики и практической реализации амплитудных и фазовых измерений ПАВ с применением метода 03 с ОДР.

• В четвертой главе предложен и исследован ряд измерительных устройств для измерения различных физических величин (перемещений, углов, параметра расходимости лазерного излучения, координаты оптического пучка и т. д.). Все предложенные и исследованные устройства имеют в своей основе схему ОЗ с ОДР или ее близкие аналоги, а идея применения этих схем для измерительных целей вытекала из результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в предыдущих главах.

• В пятой главе исследуются специфические волноводно-оптические схемы, построенные по тому же принципу, что и схема ОЗ с ОДР, т. е. схемы, содержащие стационарную и бегущую дифракционные решетки на пути зондирующей оптической волны. Существенное отличие состоит в применении оптического волновода и оптической волноводной волны для зондирования.

Основные результаты исследований приводятся в конце каждой главы и в заключении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Предложен, теоретически обоснован и экспериментально исследован метод оптического зондирования ПАВ с использованием опорных дифракционных решеток, позволяющий проводить амплитудные и фазовые измерения волновых полей ПАВ, обладающий высокой Чувствительностью (порядка 10~3 ангстрем) и высокой стабильностью амплитудных и фазовых измерений.

2. Развита теория оптических схем, содержащая две и три дифракционные решетки, одна из которых движетсятеория основана на анализе пространственного спектра зондирующей оптической волны. Получены аналитические выражения, описывающие колебания мощности в любом из порядков дифракционной картины, полученной на выходе системы из двух и трех дифракционных решеток. Проведен деталный анализ амплитуд и фаз гармонических составляющих колебаний оптической мощности в различных дифракционных порядках, выявлены зависимости амплитуды и фазы колебаний от расстояния между ОДР и ПАВ, наклона оптического зондирующего луча, вида ОДР. Проведены эксперименты, подтверждающие основные выводы теории.

3. Предложены методики измерения амплитудных и фазовых распределений ПАВ методом ОЗ с ОДР в режиме бегущей волны. Предложены методики измерения параметров стоячих волн (КСВ) в режиме существования прямых и отраженных волн, разработаны методики и проведены практические измерения коэффициента отражения ПАВ от резких границ в режиме излучения непрерывного гармонического сигнала, частотных характеристик распределенных отражателей ПАВ, а также длины волны, скорости распространения и ряда других характеристик.

4. На основе результатов исследования схем оптического зондирования ПАВ с ОДР были впервые предложены, разработаны, построены и исследованы новые измерительные устройства, предназначенные для измерения линейных и угловых перемещений с высокой точностью и разрешающей способностью, для измерения координат оптического пучка, для измерения расходимости лазерного излучения.

5. Исследованы волноводно-оптические схемы, в которых оптическая волноводная волна последовательно взаимодействует с опорной дифракционной решеткой и бегущей ПАВ. Показана возможность применения подобных схем для считывания сигналов, введенных в звуко-провод ПАВ без применения традиционных преобразователей, работающих на пьезоэлектрическом эффекте, что позволяет считывать сигналы с непьезоэлектрических подложек. Показана также возможность построения детектора инфракрасного излучения, основанного на обнаружении периодической решетки, наведенной тепловым излучением.

Научная и практическая ценность:

1. Предложен и развит новый метод оптического лазерного зондирования поверхностных акустических волн с использованием опорных дифракционных решеток. Созданы экспериментальные установки, на которых проведены многочисленные измерения амплитудных и фазовых распределений ПАВ.

Практическая ценность метода обусловлена тем, что при достаточно простой схеме экспериментальной установки можно обеспечить высокую чувствительность, стабильность и точность амплитудных и фазовых измерений акустических полей ПАВ.

2. Развита теория ОЗ с ОДР с использованием метода разложения оптической зондирующей волны в пространственный спектр. Теория включает анализ взаимодействия оптической волны с системой из двух и трех дифракционных решеток в соответствии со структурой различных схем зондирования. Проведен учет влияния расходимости лазерного излучения на результаты зондирования. Наиболее общий вариант разработанной теоретической модели позволяет анализировать не только схемы оптического зондирования, когда одна из дифракционных решеток имеет очень малую глубину модуляции, но и схемы с большой глубиной модуляции. Случай ОЗ с ОДР получается из более общей теории как частный случай.

Практическая ценность разработанной теории заключается в том, что она позволяет получить основные закономерности поведения полезного сигнала в схеме ОЗ с ОДР в зависимости от изменения параметров схемы в аналитическом виде, удобном для анализа, рассчитать оптимальные параметры оптической схемы, оценить влияние возмущений отдельных параметров схемы. Помимо этого практическая ценность теории состоит в том, что на ее основе были выдвинуты идеи построения ряда новых измерительных приборов на основе схемы ОДР — ПАВ и схем с дифракционными решетками.

3. Разработаны новые методики измерения различных характеристик полей ПАВ и параметров ПАВ устройств с применением схемы зондирования ПАВ с ОДР:

• методика измерения фазовых распределений и амплитудно-фазовых распределений в режиме бегущих волн;

• методики измерения скорости ПАВ;

• методики измерения коэффициента стоячей волны и длины волны;

• методики измерения модуля и при некоторых условиях фазы коэффициента отражения ПАВ от резкого края в режиме непрерывного излучения ПАВ;

• методика измерения модуля коэффициента отражения и его частотной зависимости распределенных отражающих структур;

• методика измерения групповой скорости распространения ПАВ с применением амплитудно-модулированной волны ПАВ.

Практическая ценность состоит в том, что измерения проводятся оперативно, с высокой точностью и повторяемостью результатов.

4. Разработаны новые измерительные приборы и устройства, основанные на использовании принципов работы схемы ОЗ с ОДР и близких по структуре дифракционных схем:

• приборы для измерения линейных перемещений;

• устройства для измерения угловых перемещений;

• приборы для измерения расходимости лазерного пучка;

• устройство для измерения позиции лазерного пучка и его смещений и вибраций относительно акусто-оптической шкалы;

Ряд приборов защищен авторскими свидетельствами.

Практическрое внедрение результатов исследований, проведенных в диссертации.

Созданные в процессе работы уникальные экспериментальные установки для измерения амплитудно-фазовых измерений волновых полей ПАВ использовались для проведения научных исследований и учебно-исследовательской работы в РУДН. На этих установках выполнен ряд уникальных измерений для различных организаций (измерения волновых полей веерных преобразователей, измерение частотных характеристик отражающих структур и др.).

Приборы, разработанные для контроля глубины периодических решеток (раздел 1.7) были изготовлены по проекту автора и переданы в НПО «Авангард» и в ИРЭ РАН. Прибор предназначен для контроля параметров отражающих ПАВ рельефных решеток дисперсионных линий задержки.

Новый прибор «Оптоэлектронный деформометр», предназначенный для геофизических измерений, разработанный автором на основе исследований, проведенных в диссертации, был построен в лабораториях кафедры радиофизики в виде опытной серии и внедрен в практику геофизических измерений в Институте физики Земли РАН и в Уральском геофизическом центре (г. Пермь).

Оптоэлектронный деформометр был отобран комиссией Министерства науки России для участия в международной выставке «Российские технологии» в рамках программы «Эврика» и демонстрировался на выставке в Лилехаммере (Норвегия) в июне 1994 году.

Профилометр, в основу конструкции которого была положена двухлучевая схема оптического зондирования ПАВ с ОДР, (описанная в гл.4) был построен, демонстрировался на ВДНХ и был удостоен бронзовой медали.

На основе теоретической части диссертации написано учебное пособие [401. Это пособие и другие материалы диссертации в течение ряда лет используются в учебном процессе РУДН в спец курсе «Когерентная оптика и голография» и при подготовке курсовых, дипломных и диссертационных работ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработка нового метода оптического зондирования поверхностных акустических волн с опорной дифракционной решеткой (ОДР) на поверхности звукопровода и с ОДР, отделенной от поверхности. Оптимизация схемы зондирования и параметров ОДР. Оценка предельных характеристик метода.

2. Детальная разработка теории взаимодействия оптической когерентной волны с системой из двух и трех дифракционных решеток, одна из которых движется, на основе метода пространственно-частотного анализа. Предсказание и последующее экспериментальное наблюдение ряда ранее неизвестных закономерностей, таких как независимость фазы полезного сигнала с частотой ПАВ на выходе оптического канала от измерения наклона зондирующей волны в схеме зондирования на отражение, появление дополнительных нулей в зависимости амплитуды выходного полезного сигнала от угла наклона зондирующего пучка и др.

3. Практические осуществление установок высокочувствительного зондирования ПАВ в диапазоне длины волн 200 — 40 микрон с высокой стабильностью амплитуды и фазы полезного сигнала, обеспечивающих возможность проведения амплитудно-фазовых измерений с высокой степенью воспроизводимости результатов. Создание новых эффективных методик измерения фазовых распределений ПАВ: со связанной ОДР и с ОДР, отделенной от звукопровода, методик измерения длины волны и скорости ПАВ.

Методы измерения коэффициента стоячей волны и характеристик отражений ПАВ от резких границ, а также от распределенных отражающих структур с применением оптического зондирования ПАВ с ОДР, в частности метод измерения частотных зависимостей коэффициента отражения распределенных структур, метод измерения фазы коэффициента отражения от резких границ.

4. Обоснование принципов построения и создание макетов новых типов измерительных устройств, в основе которых лежат когерентно-оптические схемы, подобные схеме оптического зондирования с ОДР, в частности: акустооптических измерителей линейных перемещенийизмерителя координаты оптического пучкаоптоэлектронного де-формометра.

5. Оптическое считывание радиосигналов с ПАВ звукопровода с применением стационарных опорных дифракционных решеток в оптических волноводах: обоснование принципа, анализ основных характеристик, оценка предельных параметров, экспериментальное исследование характеристик считывания на созданных макетах.

6. Обнаружение наведенных тепловым инфракрасным излучением периодических решеток в оптическом плоском волноводе с применением акусто-оптических взаимодействий: теоретическое обоснование, экспериментальные исследования, оценки возможности применения для детектирования инфракрасного излучения.