Развитие метода оптического зондирования ПАВ с опорной дифракционной решеткой

Объект исследования и актуальность темы. Метод оптического зондирования поверхностных акустических волн (ПАВ) с использованием опорной дифракционной решетки был разработан в лаборатории кафедры радиофизики РУДН и первоначальные исследования его были проведены в 1980;1990 годах. Метод обладает рядом достоинств, таких как: высокая чувствительность, стабильность измерений, простота экспериментальной реализации.

Сущность метода заключается в следующем. На пути зондирующего оптического пучка располагается стационарная опорная дифракционная решетка, штрихи которой параллельны фронту акустической волны, а период равен длине ПАВ. В подобной схеме при последовательной дифракции оптической волны на опорной решетке и решетке, образованной ПАВ, интенсивность света в дифракционных порядках оказывается промодули-рованной с частотой ПАВ и несет информацию об амплитуде и фазе ПАВ. Детектирование света ведется в 0-м или ±-1-х порядках, где глубина модуляции наибольшая, с выделением сигнала на частоте ПАВ, амплитуда которого прямо пропорциональна амплитуде ПАВ, а фаза зависит от фазы ПАВ. Таким образом, в подобной схеме реализуется принцип оптического гетеродинирования.

Предложенный метод обладает всеми достоинствами, свойственными методам с оптическим гетеродинированием: высокой чувствительностью, линейной зависимостью между амплитудой выходного сигнала и амплитудой ПАВ, возможностью проведения фазовых измерений, невосприимчивостью к фоновой засветке.

Среди других, известных из литературы методов с оптическим ге-теродинированием [1], он выделяется такими практически важными свойствами как простота оптической схемы и высокая стабильность параметров выходного сигнала (амплитуды и фазы). В сравнении с известным методом зондирования с амплитудной опорной решеткой и фотодетектором, расположенным в ближней зоне [2], предложенный метод обладает тем несомненным достоинством, что позволяет реализовать существенно более эффективную и стабильную схему зондирования с регистрацией света, отраженного от звукопровода. Такой режим зондирования ПАВ имеет ряд важных преимуществ по сравнению с режимом, когда регистрируется свет прошедший через звукопровод [3].

Стабильность параметров выходного сигнала предложенного метода подтверждается экспериментально и дает возможность развить новые надежные методики амплитудных и фазовых измерений ПАВ. Учитывая интенсивное развитие ПАВ акустоэлектроники, а также важную роль оптических методов в исследовании характеристик распространения ПАВ и ПАВ-устройств, разработка предложенного метода представляется весьма актуальной.

Кроме того, совокупность указанных выше достоинств предложенного метода позволяет реализовать на его основе ряд новых акустооптиче-ских устройств на ПАВ. В этой связи представляется целесообразным исследовать метод зондирования с опорной решеткой как средство линейного считывания (съема) радиосигнала со звукопровода ПАВ.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является развитие метода 03 с ОДР, в особенности его применения для исследований фазовых распределений полей ПАВ. Создание экспериментальных установок и методик измерений, обеспечивающих проведение измерений фазовых распределений с высокой точностью, оптимизация параметров схемы зондирования.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи:

1. Теоретическое определение оптимальных значений параметров, обеспечивающих наилучшие условия зондирования;

2. Разработка и создание автоматизированной установки оптического зондирования ПАВ с использованием ОДР;

3. Исследование характеристик и возможностей автоматизированной установки для измерения амплитудных и фазовых распределений ПАВ;

4. Теоретическое обоснование и создание методик измерения глубины опорных дифракционных решеток на основе анализа пространственного спектра;

5. Изучение возможности использования схемы оптического зондирования ПАВ на основе ОДР с двойным прохождением для считывания радиосигналов на базе полупроводникового лазера.

Научная новизна:

1. Впервые создана экспериментальная установка с компьютерным управлением, позволяющая проводить измерения амплитудных и фазовых распределений полей ПАВ в диапазоне частот от 10 до 100 МГц (длина волны ПАВ Л = 200 -5- 40 мкм).

2. Проведен уточненный теоретический анализ зависимости амплитуды выходного сигнала в схеме 03 с ОДР от параметров схемы зондирования. Найдены оптимальные значения параметров, обеспечивающие наилучщие условия зондирования, и как результат максимальную величину выходного сигнала в сочетании с высокой устойчивостью амплитуды и фазы при измерениях.

3. Разработана и практически реализована новая методика измерения глубины ОДР на основе измерения и анализа пространственного спектра (ПС), полученного в результате дифракции лазерного пучка на ОДР.

4. Впервые проведены экспериментальные исследования считывания сигнала с линии задержки на ПАВ на основе метода 03 с ОДР с применением полупроводникового лазера .

Научная и практическая ценность. Создана автоматизированная установка, позволяющая измерять амплитудные и фазовые распределения ПАВ с высокой разрешающей способностью по поверхности (шаг перемещения до 10 мкм, размер зондирующего пучка 3 длины волны ПАВ). Созданы и экспериментально опробованы методики фазовых измерений. Проведен ряд практических измерений с применением созданной установки и методик. Созданы алгоритмы обработки полученных результатов.

Достигнута высокая временная стабильность фазовых измерений: 0,2° за 20 мин, что позволяет выполнять фазовые измерения на сложных объектах с высокой разрешающей способностью и дает ценную информацию для конструирования ПАВ-устройств и для исследования свойств материалов и волновых процессов. Предложена и практически реализована методика измерения глубины рельефа периодических структур с прямоугольным профилем, применяемого в качестве ОДР, что необходимо для оптимизации параметров 03 с ОДР.

Положения, выносимые на защиту:

1. Создание новой автоматизированной установки 03 с ОДР, обеспечивающей высокую стабильность и повторяемость результатов измерений амплитуды и фазы ПАВ. Оптимизация параметров автоматизированной установки.

2. Практические методики высокоточных измерений фазовых распределений ПАВ на частотах 17,4−40 МГц, на созданной установке. Обнаружение фазовых скачков на неоднородностях объекта.

3. Новая усовершенствованая методика измерения глубины ОДР для оптимизации её параметров в схемах 03 с ОДР, построенная на основе измерения и анализа пространственного спектра дифрагированной оптической волны.

Обоснованность и достоверность результатов. Теоретические расчеты проводились на основе хорошо известных методов разложения оптической волны по пространственному спектру. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными полученными в работе, а также с результатами полученными в предшествующих работах по заданной теме. В частности, вычисленные значения АV¡-V по фазовому скачку на неоднородности покрытия для ниобата лития ЧЪ среза достаточно хорошо согласуется с опубликованными константами для этого материала. Для подтверждения достоверности фазовых распределений, были проведены измерения на одном и том же образце по двум методикам, которые имеют разные источники ошибок. Результаты дали хорошее соответствие. Повсеместно в работе дается анализ возможных погрешностей.

Апробация работы. Результаты докладывались и обсуждались на восьми конференциях и опубликованы в следующих работах:

1. Кащенко Н. М., Комоцкий В. А. Оценка точности амплитудных и фазовых измерений на экспериментальной установке оптического зондирования ПАВ // Тезисы докладов XXXIII научной конференции факультета физ.-мат. и естественных наук РУДН. — М.: РУДН, 1997. — С.21.

2. Кащенко Н. М., Никулин В. Ф., Спиридонов В. Автоматизированная система для регистрации полей поверхностных акустических волн (ПАВ) // Тезисы докладов XXXIII научной конференции факультета физ.-мат. и естественных наук РУДН. — М.: РУДН, 1997. — С.22.

3. Кащенко Н. М., Комоцкий В. А. Измерение глубины прямоугольных периодических структур с помощью лазерного зондирования // Тезисы докладов VII международной научно-технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине». — г. Сергиев Посад: Изд. Ротапринт ИРЭ РАН, 1996. — С.127−131.

4. Кащенко Н. М., Комоцкий В. А., Никулин В. Ф. Автоматизированная установка для амплитудных и фазовых измерений поверхностных акустических волн // Тезисы докладов VIII международной научно-технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине». — г. Пушкинские Горы: Изд. Ротапринт ИРЭ РАН, 1997. — С. 162−164.

5. Комоцкий В. А., Кащенко Н. М., Никулин В. Ф. Оптическая установка для измерения амплитудных и фазовых распределений поверхностных акустических волн // Приборы и техника эксперимента. — т. 1998. — С.116−119.

6. Кащенко Н. М. Усовершенствование оптического метода определения глубины периодических структур // Тезисы докладов XXXIV научной конференции факультета физ.-мат. и естественных наук РУДН. — М.: РУДН, 1998. — С.29.

7. Комоцкий В. А., Кащенко Н. М., Окот С. М. Применение оптического детектирования с использованием опорной дифракционной решетки для считывания сигналов, распространяющихся по звукопроводу /j Тезисы докладов XXXIV научной конференции факультета физ.-мат. и естественных наук РУДН. — М.: РУДН, 1998. — С.33.

8. Komotskii V.A., Kashenko N.M. Phase measurements of SAW wave fields with use of optical probing scheme with reference diffractionai grating // IV International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures. International Conference for Young Research on Acoustoelectronic and Acoustooptic Information Processings. — St. Peterburg: St. Peterburgs State University of Aerospace.

Instrumentation. — 1998. — P.277−281.

9. Komotskii V.A., Korolkov V.I., Kashenko N.M. Optical readout of signals from SA W guide with using of the semiconductor laser // IV International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures. International Conference for Young Research on Acoustoelectronic and Acoustooptic Information Processings.

St.Peterburg: St. Peterburgs State University of Aerospace Instrumentation. — 1998. — P.389−391.

10. Кащенко H.M., Комоцкий В. А. Измерение глубины опорных дифракционных решеток при отклонении формы от меандра // Тезисы докладов XXXV научной конференции факультета физ.-мат. и естественных наук РУДН. — М.: РУДН, 1999. — С.32.

11. Кащенко Н. М., Комоцкий В. А. Измерение прямоугольных периодических структур с помощью лазерного зондирования // Тезисы докладов 6-ой всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений». — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999.

— II часть. — С.242−243.

12. Кащенко Н. М., Комоцкий В. А. Фазовые измерения ПАВ методом оптического зондирования (03) с использованием опорных дифракционных решеток (ОДР) // Тезисы докладов 6-ой всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений». — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. — II часть. — С.240−241.

13. Кащенко Н. М., Комоцкий В. А. Фазовые измерения волновых полей.

14 поверхностных акустических волн методом оптического зондирования с ОДР // Вестник РУДН, сер. «Физика», 1998, № 6(1). — С.95−98.

14. Кащенко Н. М., Комоцкий В. А. Определение глубины опорных дифракционных решеток на основе измерения и анализа ингпенсив-ностей дифракционных порядков // Вестник РУДН, сер. «Физика», 1999, № 7(1). — С.16−27.

15. Кащенко Н. М., Комоцкий В. А. Сравнение двух методик фазовых измерений ПАВ с применением метода оптического зондирования с ОДР // Тезисы докладов XXXVI научной конференции факультета физ.-мат. и естественных наук РУДН. — М.: РУДН, 2000. — С.24.

Основные результаты, полученные в работе:

1. Создана автоматизированная установка с использованием метода 03 с ОДР, которая позволяет измерять фазовые распределения ПАВ с разрешением порядка 0,2°, а также амплитудные распределения.

2. С целью оптимизации установки и методики измерения, проведены уточненные расчеты зависимости амплитуды выходного сигнала на основной частоте ПАВ от глубины ОДР и растояния до ПАВ. Для повышения стабильности амплитудных измерений рекомендуется использовать ОДР с глубиной пространственной фазовой модуляции 0,4 рад, что несколько меньше глубины, при которой достигается максимальный сигнал.

3. Предложены и экспериментально реализованы две методики фазовых измерений на базе 03 с ОДР, которые характерезуются различными источниками ошибок. Достигнута хорошая повторяемость результатов фазовых измерений. Среднеквадратичное отклонение результатов полученных по разным методикам составило 9,5°. Эксперименты выполнены на специально подготовленном образце, с заранее известным скачком фазы.

4. Для оптимизации параметров ОДР и их изготовления с заданными параметрами разработана и реализована экспериментальная методи.

1 nr lou ка определения глубины решетки с прямоугольным профилем по результатам измерения интенсивности дифракционных порядков. Проведен анализ ПО дифракции на ОДР с учетом некоторых отклонений формы. На базе этой методики создана компьютерная программа для вычисления глубины ОДР по результатам измерения интенсивности дифракционных порядков.

5. Построен макет линии задержки на основе 03 с ОДР с применением полупроводникового лазера, который представляет интерес с точки зрения устранения трехпроходного сигнала и различных отражений. Измерены его основные характеристики.

5.

Заключение

.