eng
Выпуск #4/2019
В. А. Комоцкий, Ю. М. Соколов, Н. В. Суетин
Новые оптоэлектронные схемы, построенные на основе рельефных отражающих дифракционных структур с прямоугольным профилем
Новые оптоэлектронные схемы, построенные на основе рельефных отражающих дифракционных структур с прямоугольным профилем
Просмотры: 2284
В статье рассмотрен ряд новых схем, предназначенных для измерения малых угловых смещений и колебаний, для модуляции лазерного излучения, а также для фильтрации спектра оптического излучения в видимом и в инфракрасном диапазоне длин волн. В основе работы этих схем лежат эффекты, наблюдаемые при отражении лазерного пучка от глубоких дифракционных рельефных структур, имеющих прямоугольный профиль, с глубиной рельефа от четверти длины волны до нескольких длин волн излучения лазера. Области применений этих устройств разнообразны. Например, датчики малых угловых смещений и колебаний могут быть применены при исследовании вибраций и при конструировании сейсмометров и наклономеров. Модулятор с механическим приводом работает в области низких частот модуляции, но может обеспечить аналоговую модуляцию мощности излучения с различными глубинами модуляции от нуля до ста процентов. Оптические фильтры, построенные на основе глубоких рельефных отражающих структур, имеют осциллирующие зависимости коэффициента передачи от длины волны. Можно выбрать параметры таким образом, чтобы фильтр имел нулевой коэффициент передачи на заданной длине волны и близкий к единице коэффициент передачи в другой заданной области. К достоинствам фильтра данного типа можно отнести простоту его изготовления и возможность перестройки спектральной характеристики фильтра в широких пределах.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.4.392.404
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.4.392.404
Теги: laser radiation modulator measuring instrument of small angular oscillations optical spectrum filter relief diffraction structure измеритель малых угловых колебаний модулятор лазерного излучения рельефная дифракционная структура фильтр оптического спектра
В статье рассмотрен ряд новых схем, предназначенных для измерения малых угловых смещений и колебаний, для модуляции лазерного излучения, а также для фильтрации спектра оптического излучения в видимом и в инфракрасном диапазоне длин волн. В основе работы этих схем лежат эффекты, наблюдаемые при отражении лазерного пучка от глубоких дифракционных рельефных структур, имеющих прямоугольный профиль, с глубиной рельефа от четверти длины волны до нескольких длин волн излучения лазера.
Статья поступила в редакцию 13.02.2019
Статья принята к публикации 27.02.2019
Области применений описываемых устройств разнообразны. Например, датчики малых угловых смещений и колебаний могут быть применены при исследовании вибраций и при конструировании сейсмометров и наклономеров. Модулятор с механическим приводом работает в области низких частот модуляции, но может обеспечить аналоговую модуляцию мощности излучения с различными глубинами модуляции от нуля до ста процентов. Оптические фильтры, построенные на основе глубоких рельефных отражающих структур, имеют осциллирующие зависимости коэффициента передачи от длины волны. Можно выбрать параметры таким образом, чтобы фильтр имел нулевой коэффициент передачи на заданной длине волны и близкий к единице коэффициент передачи в другой заданной области. К достоинствам фильтра данного типа можно отнести простоту его изготовления и возможность перестройки спектральной характеристики фильтра в широких пределах.
ВВЕДЕНИЕ
В основе работы представленных схем лежат дифракционные эффекты, наблюдаемые при отражении лазерного пучка от глубокой рельефной структуры (ГРС), которая имеет прямоугольный профиль рельефа, при этом ширина выступа равна ширине впадины рельефа (форма типа: «идеальный меандр»). Глубина рельефа Hp лежит в диапазоне от четверти длины волны до нескольких длин волн излучения лазера. При нормальном падении оптического пучка с длиной волны λ на ГРС после его отражения от рельефной структуры фазовый фронт отраженной волны получает пространственную фазовую модуляцию с глубиной перепада фаз, равной . При анализе пространственного спектра волны после ее отражения от ГРС мы будем использовать вместо глубины перепада фаз величину , которую мы будем называть «амплитуда пространственной фазовой модуляции волнового фронта». При нормальном падении и отражении оптического пучка от ГРС величина амплитуды пространственной фазовой модуляции равна . Однако, если угол падения θ не равен нулю, то амплитуда пространственной фазовой модуляции уменьшается c увеличением угла падения по следующему закону:
. (1)
Специально отметим, что при наклонном падении оптического пучка на ГРС мы будем рассматривать только схему, в которой плоскость падения – отражения оптического пучка строго параллельна линиям рельефа ГРС. При этом отсутствуют эффекты затенения части углублений канавок ГРС, которые наблюдались бы при наклонном падении оптического пучка поперек штрихов. Для построения реальных устройств мы используем ГРС, период которых намного больше длины волны излучения: . При этих условиях анализ пространственного спектра после отражения оптической волны от ГРС с формой идеального меандра дает следующую формулу для расчета мощности нулевого порядка дифракции [1, 2, 6, 9]:
, (2)
Pэфф = Pin · R – эффективная мощность излучения, на входе, Pin – мощность излучения, падающего на ГРС, R – коэффициент отражения излучения от поверхности ГРС.
Выражение (2) важно для последующего анализа работы схем, так как во всех рассматриваемых схемах мы используем излучение только нулевого порядка дифракции. Первые и высшие порядки дифракции в данных схемах не используются, поэтому здесь мы не будем их рассматривать. Зависимости мощности нулевого порядка от угла падения оптического пучка на ГРС для двух значений глубины ГРС приведены на рис. 1(а, б).
Следует заметить, что экспериментальные исследования, проведенные в [1] на ГРС с различными глубинами, показали, что экспериментальные и расчетные зависимости P0 (θ), совпадают с очень высокой точностью.
На зависимостях, приведенных на рис. 1(а, b), черными точками отмечены средины линейных участков кривых P0 (θ). Одна из точек на каждой из этих кривых соответствует углу падения θ = 45°, что оптимально в случае применения этой ГРС в составе блока уголкового отражателя.
Положим, что мы установили ГРС в исходное положение, при котором угол падения будет соответствовать одной из точек Т1, Т2, Т3... Если при этом ГРС будет отклоняться на небольшой угол в плоскости, параллельной линиям рельефа ГРС, то приращение мощности нулевого порядка дифракции будет пропорционально приращению угла отклонения ГРС, Δθ от начального положения:
ΔP0 = SθP · Δθ. (3)
Здесь SθP – крутизна линейного преобразования отклонений угла в изменения мощности нулевого дифракционного порядка. Заметим, что линейность преобразования нарушается вблизи областей, в которых мощность достигает максимальных и минимальных значений. В практических устройствах, описанных ниже, линейные участки зависимостей используются для линейной аналоговой модуляции лазерного излучения, а также при построении датчиков малых колебаний. Далее рассмотрим ряд устройств на основе ГРС.
МОДУЛЯТОР ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Модулятор [4, 6] имеет механический привод. Он может применяться для статической регулировки мощности на выходе схемы и для модуляции мощности излучения лазера с низкими частотами. Устройство может быть сконструировано для работы как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне длин волн. Особенностью схемы является применение ГРС в составе блока уголкового отражателя (БУО), что обеспечивает неизменность направления выходного отраженного пучка излучения при угловом отклонении ГРС.
Схема модулятора изображена на рис 1. Устройство содержит блок уголкового отражателя (1), который расположен на пути пучка излучения, исходящего от лазера (2). На одной из плоскостей БУО установлена ГРС (3), которая имеет прямоугольный профиль в форме меандра. Поверхность ГРС имеет высокий коэффициент отражения. Линии ГРС расположены в плоскости падения – отражения лазерного пучка. Глубина рельефа ГРС, Hp обычно в несколько раз больше длины волны λ модулируемого излучения. Характеристика одного из вариантов ГРС изображена на рис. 1(б). На второй плоскости БУО закреплено зеркало (4) с высоким коэффициентом отражения. Плоскости ГРС и зеркала расположены под прямым углом и образуют уголковый отражатель, который возвращает падающий на него пучок излучения лазера в противоположном направлении. БУО связан с осью электромеханического привода (5), который обеспечивает его повороты на заданные углы. Ось вращения привода лежит в плоскости ГРС и перпендикулярна плоскости падения отражения лазерного излучения. При условии, что ось вращения проходит через центр области падения лазерного пучка на ГРС, оптический пучок от лазера не будет смещаться по плоскости ГРС при повороте БУО. Направление выходного пучка излучения после отражения от зеркала (4) не изменяется при повороте БУО вокруг оси. После отражения от БУО излучение распадается на дифракционные порядки и затем после отражения от вспомогательного зеркала (6) направляется на диафрагму (7), которая выделяет из дифракционной картины только нулевой порядок. Другие порядки, обозначенные на рисунке пунктирными линиями, отсекаются поглощающим экраном, окружающим диафрагму.
Механический привод с БУО установлен на координатном столике (8), который обеспечивает перемещение по двум координатам и поворот привода с БУО и предназначен для установки БУО в оптимальное положение по отношению к входному лазерному пучку. Модуляция мощности пучка излучения в нулевом порядке дифракции происходит в результате поворота БУО под действием привода. Для контроля мощности выходного пучка в ходе контрольных измерений на выходе был установлен фотодиод (9).
Рассмотрим некоторые характерные параметры модулятора. С одной стороны, период ГРС, Λp должен быть существенно меньше диаметра лазерного пучка Dп, что необходимо для хорошего углового разделения дифракционных порядков. Кроме того, для хорошего разделения дифракционных пучков на плоскости диафрагмы необходимо, чтобы расстояние L от БУО до диафрагмы удовлетворяло условию: L ≥ k Dп · Λр / λ, где k – коэффициент, равный примерно 2–3. Из этого соотношения видно, что габариты устройства уменьшаются при уменьшении периода ГРС. Вместе с тем период ГРС должен быть значительно больше, чем длина волны излучения лазера: . С учетом этих условий для экспериментального макета модулятора пучка гелий-неонового лазера мы применяли ГРС с периодом 100 мкм. Следует заметить, что амплитудные характеристики модулятора определяются глубиной рельефа ГРС и не зависят от ее периода. Более детальный анализ выбора параметров ГРС можно найти в [6].
Приведем далее некоторые результаты экспериментального исследования макета модулятора. Макет модулятора был собран в соответствии со схемой, изображенной на рис. 2. Рельефная структура изготовлена с помощью технологии фотолитографии и химического травления подложки из стекла с последующим вакуумным напылением непрозрачной отражающей алюминиевой пленки на поверхность рельефа. Глубина рельефа ГРС была определена по методике, изложенной в [2], она составила Hp = 2,48 ± 0,025 мкм, а с учетом того, что эксперименты проводились с гелий – неоновым лазером, отношение глубины к длине волны составило Hp / λ = (3,92 ± 0,04). Эта величина параметра близка к величине, которая соответствует графику на рис. 1(б). Для наблюдения формы модуляции мощности оптического пучка на выходе после диафрагмы (7) был установлен фотодиод ФД‑24К с резистором нагрузки. Сигнал на нагрузке фотодиода пропорционален мощности излучения на выходе модулятора в нулевом порядке дифракции. На вход механического привода подавался гармонический сигнал. Формы выходных сигналов, соответствующие различным уровням входного сигнала привода, представлены на рис. 3. Как видно из приведенных графиков, при умеренных амплитудах входных колебаний форма выходного сигнала практически повторяет форму входного гармонического сигнала (кривые 1, 2). При глубине модуляции, близкой к 100%, наблюдаются нелинейные искажения (кривые 3 и 4). Таким образом, в отличие от широко распространенных щелевых модуляторов с прерыванием оптического пучка данный тип модулятора позволяет получать гармоническую форму модуляции с заданной глубиной модуляции. При этом пространственная структура выходного пучка не искажается его прерыванием. Модулятор может быть сконструирован для различных диапазонов длин волн лазерного излучения.
ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ УГЛОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ОБЪЕКТОВ, ПРИМЕНЕНИЕ ДАТЧИКА УГЛОВЫХ СМЕЩЕНИЙ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СЕЙСМОМЕТРОВ
Как следует из предыдущего раздела, при колебаниях ГРС происходит преобразование угловых отклонений ГРС в изменения мощности излучения нулевого порядка дифракции. По существу рассмотренная выше схема может служить в качестве датчика малых угловых перемещений. Если разместить ГРС на колеблющемся объекте, то на выходе фотодетектора, установленного в нулевом дифракционном порядке, можно получить сигнал, пропорциональный угловому отклонению ГРС. В этом случае ГРС изготавливаем на подложке – тонкой пластинке или на пленке – и эту подложку приклеиваем к поверхности исследуемого объекта. Эксперименты по измерению угловых колебаний конструкций с применением ГРС были описаны в работе [1], при этом применялась простейшая схема без уголкового отражателя. Минимальная детектируемая амплитуда колебаний составила порядка Δθ = 10–5 радиан при детектировании колебаний в полосе частот до 1 кГц.
Представляет интерес применение датчика угловых колебаний с применением БУО с ГРС в качестве датчика угловых колебаний в конструкции сейсмометра. Во многих известных конструкциях сейсмометров применяются датчики индуктивного типа, которые выдают выходной сигнал, пропорциональный скорости смещения земной поверхности. В области низких частот чувствительность таких датчиков падает. Индуктивные датчики не могут регистрировать статических изменений наклона поверхности. Применение оптоэлектронного датчика, построенного с использованием БУО с ГРС, позволяет расширить частотный диапазон измерений в сторону низких частот. При этом возможно измерение не только динамических, но и статических наклонов.
Упрощенная схема прибора для измерений колебаний земли изображена на рис. 4.
На основании прибора (1) в упругих подвесах или в подшипниках установлена ось вращения, на которой закреплен физический маятник (2), который на данном чертеже имеет форму диска. Центр тяжести физического маятника расположен ниже оси вращения на некотором расстоянии RОС. В области оси вращения с помощью втулки к диску прикреплен БУО (3), две грани которого расположены под прямым углом друг к другу. На одной грани уголкового отражателя расположена отражающая ГРС с прямоугольным профилем (4), а на другой грани расположено зеркало (5). ГРС закреплена на грани БУО таким образом, чтобы линии рельефа были перпендикулярны оси вращения физического маятника и фактически параллельны плоскости диска. Полупроводниковый лазер (6) установлен на горизонтальной площадке основания (1) таким образом, чтобы пучок его излучения был направлен на ГРС. На пути лазерного пучка, возвращенного после отражения его от ГРС (4) и затем от зеркала (5), установлено поворотное зеркало (7), с помощью которого дифракционный пучок излучения направлен на диафрагму (8), выделяющую излучение нулевого порядка дифракции. Выделенный пучок излучения нулевого порядка направляется на фотодетектор (9), с выхода которого получают электрический выходной сигнал. На вертикальной стойке основания (1) закреплены постоянные магниты (10), плоские поверхности которых расположены параллельно поверхности металлического диска (2) вблизи его поверхности. Магниты предназначены для оптимального демпфирования колебаний диска за счет эффекта возникновения вихревых токов в металлическом диске при его движении.
БУО (3) имеет возможность поворота относительно диска, что необходимо для первоначальной настройки, т. е. для обеспечения установки начального оптимального угла падения лазерного пучка на ГРС (4). На горизонтальной части основания (1) расположены три регулировочных винта, которые предназначены для установки основания в исходное горизонтальное положение. При этом два винта размещены на одной стороне основания на линии, перпендикулярной плоскости диска, а третий винт размещен на противоположной стороне основания. С помощью третьего регулировочного винта возможна тонкая подстройка наклона основания в плоскости диска и установка оптимального угла падения пучка лазера на ГРС
При горизонтальном движении основания устройства вместе с поверхностью, на которой оно установлено, за счет сил инерции происходит поворот физического маятника относительно основания в направлении, противоположном движению основания. В результате происходит изменение угла падения лазерного пучка на ГРС в плоскости, параллельной ее линиям, что вызывает изменение мощности нулевого порядка дифракции, пропорциональное углу отклонения физического маятника. Электрический сигнал с выхода фотодиода содержит две компоненты. Одна компонента сигнала пропорциональна наклону поверхности, на которой установлен прибор. При этом на выходе регистрируется как переменная, так и постоянная составляющая наклона поверхности. Вторая компонента выходного сигнала пропорциональна горизонтальному смещению поверхности, на которой установлен прибор. При этом устройство не реагирует на статические перемещения в горизонтальном направлении, а реагирует только на колебания в горизонтальном направлении, параллельном плоскости физического маятника. Уровень выходного сигнала этой компоненты будет снижаться в области частот колебаний, меньших резонансной частоты физического маятника, однако это снижение не будет таким быстрым, как у приборов с индуктивным датчиком колебаний.
ФИЛЬТРЫ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ПОСТРОЕННЫЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГРС
Как видно из выражения (2), коэффициент передачи мощности с входа на выход устройства, в котором применяется дифракция на ГРС, зависит от длины волны излучения. Эту зависимость можно использовать для фильтрации оптического излучения. Простейшая схема фильтра с использованием ГРС приведена на рис. 5. Наряду с этой схемой можно применять более сложную схему, содержащую уголковый отражатель.
Расчетные параметры фильтров. Вначале рассмотрим наиболее простой фильтр, который подавляет излучение на определенных длинах волн. Зависимость коэффициента передачи мощности излучения kp = P0 / Pэфф от длины волны излучения λ определяется соотношением (2). На рис. 6 приведено семейство расчетных зависимостей kp (λ) при различных значениях параметра θ – угла падения светового пучка на рельефную структуру с глубиной, равной: Hp = 0,6 мкм. На графиках имеются выраженные области низкого и области высокого коэффициента передачи мощности излучения с входа на выход фильтра. Этот график демонстрирует возможность перестройки расположения частот максимумов и минимумов коэффициентов пропускания фильтров за счет изменения угла падения входного оптического пучка. При различных углах падения нулевые (минимальные) значения коэффициента передачи фильтра соответствуют разным длинам волн, координаты которых на оси длин волн можно рассчитать по формуле:
(4)
При увеличении отношения Hp / λ частота расположения минимумов и максимумов зависимости kp (λ) на шкале длин волн увеличивается. Подобрав определенным образом глубину ГРС и угол падения оптического пучка, мы можем выделять или подавлять определенные спектральные линии.
Рассмотрим в качестве примера такую задачу: выделить излучение спектральной линии аргонового лазера, которая имеет длину волны λ2 = 0,514 мкм, и при этом подавить излучение другой сильной спектральной линии с длиной волны λ1 = 0,488 мкм. Для этого коэффициент передачи фильтра должен быть максимальным на длине волны 0,514 мкм, а на длине волны λ1 = 0,488 он должен быть минимальным.
В результате расчетов, изложенных подробно в [7], мы выбрали глубину ГРС Ηp = 3 мкм. Графики зависимостей коэффициентов передачи от длины волны представлены на рис. 7 (а, б). Как видно из графика № 1, приведенного на рис. 7(а), фильтр с параметрами ГРС Ηp = 3 мкм, θ = 31,35° подавляет излучение с длиной волны λ1 = 0,488 мкм и пропускает излучение с длиной волны, равной λ2 = 0,514 мкм.
Если же перестроить фильтр, изменив угол падения и установив его равным: θ = 35,53°, то при той же глубине ГРС, равной Ηp = 3 мкм, фильтр будет пропускать излучение с длиной волны, равной λ1 = 0,488 мкм и подавлять излучение с длиной волны λ2 = 0,514 мкм, как это видно на графике № 3 на рис. 7.(b). Кривая № 2 на рис. 7 (а) показывает, как изменится характеристика фильтра в том случае, если ГРС будет изготовлена с погрешностью и ее глубина составит Ηp = 3,2 мкм вместо глубины Ηp = 3 мкм, при условии, что угол падения пучка остался равным 31,35°. Положения минимумов и максимумов существенно изменятся по сравнению с кривой № 1.
Однако неточность изготовления легко скомпенсировать за счет изменения угла падения. Для этого следует изменить первоначальный угол падения входного оптического пучка с угла θ = 31,35° на другой угол падения θ = 36,81°. В результате после изменения угла падения входного пучка мы получаем расчетную кривую зависимости коэффициента передачи от длины волны, которая фактически с высокой точностью повторяет кривую № 1 на рис. 7(а). Таким образом при другой глубине ГРС, равной Ηp = 3,2 мкм, можно легко скомпенсировать изменение спектральной характеристики фильтра. После перестройки схемы и установки нового угла падения θ = 36,81°, расчетная зависимость коэффициента передачи от длины волны смещается по оси длин волн, и она практически полностью совпадает с зависимостью, рассчитанной при сочетании параметров: θ = 31,35 и Ηp = 3 мкм. На практике точную настройку угла падения надо будет проводить по минимуму выходного излучения с заданной длиной волны.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований показана возможность построения трех типов новых устройств, в основе работы которых лежит принцип дифракции оптического пучка на глубокой рельефной структуре. Применение датчиков с ГРС в сейсмометрах, возможно, позволит расширить частотный диапазон регистрации в сторону низких частот. Новые схемы фильтров на основе ГРС могут быть применены не только в видимом диапазоне длин волн, но и в различных областях инфракрасного диапазона. Для ИК диапазона ГРС могут быть изготовлены на поверхностях металлических пластин с высоким отражением.
Данные исследования были выполнены в лаборатории оптоэлектроники Института физических исследований и технологий Факультета физико–математических и естественных наук РУДН при поддержке программы 5–100.
ЛИТЕРАТУРА
Комоцкий В. А., Соколов Ю. М., Алексеев А. Н., Басистый Е. В. Исследование оптоэлектронного датчика угловых смещений на основе глубокой отражательной фазовой дифракционной решетки. Вестник РУДН. Серия Математика. Информатика. Физика. 2009; 4: 95–104.
Komockij V. A., Sokolov YU. M., Alekseev A. N., Basistyj E. V. Issledovanie optoelektronnogo datchika uglovyh smeshchenij na osnove glubokoj otrazhatel'noj fazovoj difrakcionnoj reshetki. Vestnik RUDN. Seriya Matematika. Informatika. Fizika. 2009; 4: 95–104.
Комоцкий В. А., Соколов Ю. М., Басистый Е. В. Метод измерения глубины периодических рельефных отражателей акустических волн лазерным зондированием. Радиотехника и электроника. 2011; 56 (2): 243–248.
V. A. Komotskii, Yu. M. Sokolov, and E. V. Basistyi. Depth Measurement of the Periodic Grooved Reflectors of Surface Acoustic Waves Using Laser Probing. Journal of Communications Technology and Electronics. 2011; 56(2): 220–225.
Комоцкий В. А., Корольков В. И., Соколов Ю. М. Оптоэлектронные дифракционные датчики малых угловых перемещений. Фотоника. 2011; 1:16–19.
Komockij V. A., Korol'kov V. I., Sokolov YU. M. Optoelektronnye difrakcionnye datchiki malyh uglovyh peremeshchenij. Fotonika. 2011; 1:16–19.
Патент RU 2616935/ Устройство для модуляции лазерного излучения. Комоцкий В. А., Соколов Ю. М. Суетин Н. В. 2017.
Patent RU 2616935/ Ustrojstvo dlya modulyacii lazernogo izlucheniya. Komockij V. A., Sokolov YU. M. Suetin N. V. 2017.
Патент RU 181381/ Устройство для фильтрации спектров оптических сигналов. Комоцкий В. А., Соколов Ю. М., Суетин Н. В. ; 2018.
Patent RU 181381/ Ustrojstvo dlya fil'tracii spektrov opticheskih signalov. Komockij V. A., Sokolov YU. M., Suetin N. V. ; 2018.
Комоцкий В. А., Соколов Ю. М., Суетин Н. В. Модуляция лазерного пучка с применением уголкового отражателя и глубокой дифракционной решетки // Радиотехника и электроника, 2017, том 62, № 7, с. 717–722.
V. A. Komotskii, Yu. M. Sokolov, and N. V. Suetin. Laser Beam Modulation Using Corner Reflector and Deep Diffraction Grating . Journal of Communications Technology and Electronics. 2017; 62( 7): 822–826.
Комоцкий В. А., Соколов Ю. М. Суетин Н. В. Оптический фильтр, построенный с применением глубокой периодической отражающей рельефной структуры. HOLOEXPO 2018. 15 международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям. Тезисы докладов. 2018; 165–169.
Komockij V. A., Sokolov YU. M. Suetin N. V. Opticheskij fil'tr, postroennyj s primeneniem glubokoj periodicheskoj otrazhayushchej rel'efnoj struktury. HOLOEXPO 2018. 15 mezhdunarodnaya konferenciya po golografii i prikladnym opticheskim tekhnologiyam. Tezisy dokladov. 2018; 165–169.
Комоцкий В. А. Основы когерентной оптики и голографии. Конспект лекций. М.: Изд. РУДН. 2011.
Komockij V. A. Osnovy kogerentnoj optiki i golografii. Konspekt lekcij. M.: Izd. RUDN. 2011.
Кащенко Н. М., Комоцкий В. А. Определение глубины опорных дифракционных решеток на основе измерения и анализа дифракционных порядков. Вестник РУДН. Серия физика. 1999; 7(1): 55–65.
Kashchenko N. M., Komockij V. A. Opredelenie glubiny opornyh difrakcionnyh reshetok na osnove izmereniya i analiza difrakcionnyh poryadkov. Vestnik RUDN. Seriya fizika. 1999; 7(1): 55–65.
Статья поступила в редакцию 13.02.2019
Статья принята к публикации 27.02.2019
Области применений описываемых устройств разнообразны. Например, датчики малых угловых смещений и колебаний могут быть применены при исследовании вибраций и при конструировании сейсмометров и наклономеров. Модулятор с механическим приводом работает в области низких частот модуляции, но может обеспечить аналоговую модуляцию мощности излучения с различными глубинами модуляции от нуля до ста процентов. Оптические фильтры, построенные на основе глубоких рельефных отражающих структур, имеют осциллирующие зависимости коэффициента передачи от длины волны. Можно выбрать параметры таким образом, чтобы фильтр имел нулевой коэффициент передачи на заданной длине волны и близкий к единице коэффициент передачи в другой заданной области. К достоинствам фильтра данного типа можно отнести простоту его изготовления и возможность перестройки спектральной характеристики фильтра в широких пределах.
ВВЕДЕНИЕ
В основе работы представленных схем лежат дифракционные эффекты, наблюдаемые при отражении лазерного пучка от глубокой рельефной структуры (ГРС), которая имеет прямоугольный профиль рельефа, при этом ширина выступа равна ширине впадины рельефа (форма типа: «идеальный меандр»). Глубина рельефа Hp лежит в диапазоне от четверти длины волны до нескольких длин волн излучения лазера. При нормальном падении оптического пучка с длиной волны λ на ГРС после его отражения от рельефной структуры фазовый фронт отраженной волны получает пространственную фазовую модуляцию с глубиной перепада фаз, равной . При анализе пространственного спектра волны после ее отражения от ГРС мы будем использовать вместо глубины перепада фаз величину , которую мы будем называть «амплитуда пространственной фазовой модуляции волнового фронта». При нормальном падении и отражении оптического пучка от ГРС величина амплитуды пространственной фазовой модуляции равна . Однако, если угол падения θ не равен нулю, то амплитуда пространственной фазовой модуляции уменьшается c увеличением угла падения по следующему закону:
. (1)
Специально отметим, что при наклонном падении оптического пучка на ГРС мы будем рассматривать только схему, в которой плоскость падения – отражения оптического пучка строго параллельна линиям рельефа ГРС. При этом отсутствуют эффекты затенения части углублений канавок ГРС, которые наблюдались бы при наклонном падении оптического пучка поперек штрихов. Для построения реальных устройств мы используем ГРС, период которых намного больше длины волны излучения: . При этих условиях анализ пространственного спектра после отражения оптической волны от ГРС с формой идеального меандра дает следующую формулу для расчета мощности нулевого порядка дифракции [1, 2, 6, 9]:
, (2)
Pэфф = Pin · R – эффективная мощность излучения, на входе, Pin – мощность излучения, падающего на ГРС, R – коэффициент отражения излучения от поверхности ГРС.
Выражение (2) важно для последующего анализа работы схем, так как во всех рассматриваемых схемах мы используем излучение только нулевого порядка дифракции. Первые и высшие порядки дифракции в данных схемах не используются, поэтому здесь мы не будем их рассматривать. Зависимости мощности нулевого порядка от угла падения оптического пучка на ГРС для двух значений глубины ГРС приведены на рис. 1(а, б).
Следует заметить, что экспериментальные исследования, проведенные в [1] на ГРС с различными глубинами, показали, что экспериментальные и расчетные зависимости P0 (θ), совпадают с очень высокой точностью.
На зависимостях, приведенных на рис. 1(а, b), черными точками отмечены средины линейных участков кривых P0 (θ). Одна из точек на каждой из этих кривых соответствует углу падения θ = 45°, что оптимально в случае применения этой ГРС в составе блока уголкового отражателя.
Положим, что мы установили ГРС в исходное положение, при котором угол падения будет соответствовать одной из точек Т1, Т2, Т3... Если при этом ГРС будет отклоняться на небольшой угол в плоскости, параллельной линиям рельефа ГРС, то приращение мощности нулевого порядка дифракции будет пропорционально приращению угла отклонения ГРС, Δθ от начального положения:
ΔP0 = SθP · Δθ. (3)
Здесь SθP – крутизна линейного преобразования отклонений угла в изменения мощности нулевого дифракционного порядка. Заметим, что линейность преобразования нарушается вблизи областей, в которых мощность достигает максимальных и минимальных значений. В практических устройствах, описанных ниже, линейные участки зависимостей используются для линейной аналоговой модуляции лазерного излучения, а также при построении датчиков малых колебаний. Далее рассмотрим ряд устройств на основе ГРС.
МОДУЛЯТОР ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Модулятор [4, 6] имеет механический привод. Он может применяться для статической регулировки мощности на выходе схемы и для модуляции мощности излучения лазера с низкими частотами. Устройство может быть сконструировано для работы как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне длин волн. Особенностью схемы является применение ГРС в составе блока уголкового отражателя (БУО), что обеспечивает неизменность направления выходного отраженного пучка излучения при угловом отклонении ГРС.
Схема модулятора изображена на рис 1. Устройство содержит блок уголкового отражателя (1), который расположен на пути пучка излучения, исходящего от лазера (2). На одной из плоскостей БУО установлена ГРС (3), которая имеет прямоугольный профиль в форме меандра. Поверхность ГРС имеет высокий коэффициент отражения. Линии ГРС расположены в плоскости падения – отражения лазерного пучка. Глубина рельефа ГРС, Hp обычно в несколько раз больше длины волны λ модулируемого излучения. Характеристика одного из вариантов ГРС изображена на рис. 1(б). На второй плоскости БУО закреплено зеркало (4) с высоким коэффициентом отражения. Плоскости ГРС и зеркала расположены под прямым углом и образуют уголковый отражатель, который возвращает падающий на него пучок излучения лазера в противоположном направлении. БУО связан с осью электромеханического привода (5), который обеспечивает его повороты на заданные углы. Ось вращения привода лежит в плоскости ГРС и перпендикулярна плоскости падения отражения лазерного излучения. При условии, что ось вращения проходит через центр области падения лазерного пучка на ГРС, оптический пучок от лазера не будет смещаться по плоскости ГРС при повороте БУО. Направление выходного пучка излучения после отражения от зеркала (4) не изменяется при повороте БУО вокруг оси. После отражения от БУО излучение распадается на дифракционные порядки и затем после отражения от вспомогательного зеркала (6) направляется на диафрагму (7), которая выделяет из дифракционной картины только нулевой порядок. Другие порядки, обозначенные на рисунке пунктирными линиями, отсекаются поглощающим экраном, окружающим диафрагму.
Механический привод с БУО установлен на координатном столике (8), который обеспечивает перемещение по двум координатам и поворот привода с БУО и предназначен для установки БУО в оптимальное положение по отношению к входному лазерному пучку. Модуляция мощности пучка излучения в нулевом порядке дифракции происходит в результате поворота БУО под действием привода. Для контроля мощности выходного пучка в ходе контрольных измерений на выходе был установлен фотодиод (9).
Рассмотрим некоторые характерные параметры модулятора. С одной стороны, период ГРС, Λp должен быть существенно меньше диаметра лазерного пучка Dп, что необходимо для хорошего углового разделения дифракционных порядков. Кроме того, для хорошего разделения дифракционных пучков на плоскости диафрагмы необходимо, чтобы расстояние L от БУО до диафрагмы удовлетворяло условию: L ≥ k Dп · Λр / λ, где k – коэффициент, равный примерно 2–3. Из этого соотношения видно, что габариты устройства уменьшаются при уменьшении периода ГРС. Вместе с тем период ГРС должен быть значительно больше, чем длина волны излучения лазера: . С учетом этих условий для экспериментального макета модулятора пучка гелий-неонового лазера мы применяли ГРС с периодом 100 мкм. Следует заметить, что амплитудные характеристики модулятора определяются глубиной рельефа ГРС и не зависят от ее периода. Более детальный анализ выбора параметров ГРС можно найти в [6].
Приведем далее некоторые результаты экспериментального исследования макета модулятора. Макет модулятора был собран в соответствии со схемой, изображенной на рис. 2. Рельефная структура изготовлена с помощью технологии фотолитографии и химического травления подложки из стекла с последующим вакуумным напылением непрозрачной отражающей алюминиевой пленки на поверхность рельефа. Глубина рельефа ГРС была определена по методике, изложенной в [2], она составила Hp = 2,48 ± 0,025 мкм, а с учетом того, что эксперименты проводились с гелий – неоновым лазером, отношение глубины к длине волны составило Hp / λ = (3,92 ± 0,04). Эта величина параметра близка к величине, которая соответствует графику на рис. 1(б). Для наблюдения формы модуляции мощности оптического пучка на выходе после диафрагмы (7) был установлен фотодиод ФД‑24К с резистором нагрузки. Сигнал на нагрузке фотодиода пропорционален мощности излучения на выходе модулятора в нулевом порядке дифракции. На вход механического привода подавался гармонический сигнал. Формы выходных сигналов, соответствующие различным уровням входного сигнала привода, представлены на рис. 3. Как видно из приведенных графиков, при умеренных амплитудах входных колебаний форма выходного сигнала практически повторяет форму входного гармонического сигнала (кривые 1, 2). При глубине модуляции, близкой к 100%, наблюдаются нелинейные искажения (кривые 3 и 4). Таким образом, в отличие от широко распространенных щелевых модуляторов с прерыванием оптического пучка данный тип модулятора позволяет получать гармоническую форму модуляции с заданной глубиной модуляции. При этом пространственная структура выходного пучка не искажается его прерыванием. Модулятор может быть сконструирован для различных диапазонов длин волн лазерного излучения.
ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ УГЛОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ОБЪЕКТОВ, ПРИМЕНЕНИЕ ДАТЧИКА УГЛОВЫХ СМЕЩЕНИЙ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СЕЙСМОМЕТРОВ
Как следует из предыдущего раздела, при колебаниях ГРС происходит преобразование угловых отклонений ГРС в изменения мощности излучения нулевого порядка дифракции. По существу рассмотренная выше схема может служить в качестве датчика малых угловых перемещений. Если разместить ГРС на колеблющемся объекте, то на выходе фотодетектора, установленного в нулевом дифракционном порядке, можно получить сигнал, пропорциональный угловому отклонению ГРС. В этом случае ГРС изготавливаем на подложке – тонкой пластинке или на пленке – и эту подложку приклеиваем к поверхности исследуемого объекта. Эксперименты по измерению угловых колебаний конструкций с применением ГРС были описаны в работе [1], при этом применялась простейшая схема без уголкового отражателя. Минимальная детектируемая амплитуда колебаний составила порядка Δθ = 10–5 радиан при детектировании колебаний в полосе частот до 1 кГц.
Представляет интерес применение датчика угловых колебаний с применением БУО с ГРС в качестве датчика угловых колебаний в конструкции сейсмометра. Во многих известных конструкциях сейсмометров применяются датчики индуктивного типа, которые выдают выходной сигнал, пропорциональный скорости смещения земной поверхности. В области низких частот чувствительность таких датчиков падает. Индуктивные датчики не могут регистрировать статических изменений наклона поверхности. Применение оптоэлектронного датчика, построенного с использованием БУО с ГРС, позволяет расширить частотный диапазон измерений в сторону низких частот. При этом возможно измерение не только динамических, но и статических наклонов.
Упрощенная схема прибора для измерений колебаний земли изображена на рис. 4.
На основании прибора (1) в упругих подвесах или в подшипниках установлена ось вращения, на которой закреплен физический маятник (2), который на данном чертеже имеет форму диска. Центр тяжести физического маятника расположен ниже оси вращения на некотором расстоянии RОС. В области оси вращения с помощью втулки к диску прикреплен БУО (3), две грани которого расположены под прямым углом друг к другу. На одной грани уголкового отражателя расположена отражающая ГРС с прямоугольным профилем (4), а на другой грани расположено зеркало (5). ГРС закреплена на грани БУО таким образом, чтобы линии рельефа были перпендикулярны оси вращения физического маятника и фактически параллельны плоскости диска. Полупроводниковый лазер (6) установлен на горизонтальной площадке основания (1) таким образом, чтобы пучок его излучения был направлен на ГРС. На пути лазерного пучка, возвращенного после отражения его от ГРС (4) и затем от зеркала (5), установлено поворотное зеркало (7), с помощью которого дифракционный пучок излучения направлен на диафрагму (8), выделяющую излучение нулевого порядка дифракции. Выделенный пучок излучения нулевого порядка направляется на фотодетектор (9), с выхода которого получают электрический выходной сигнал. На вертикальной стойке основания (1) закреплены постоянные магниты (10), плоские поверхности которых расположены параллельно поверхности металлического диска (2) вблизи его поверхности. Магниты предназначены для оптимального демпфирования колебаний диска за счет эффекта возникновения вихревых токов в металлическом диске при его движении.
БУО (3) имеет возможность поворота относительно диска, что необходимо для первоначальной настройки, т. е. для обеспечения установки начального оптимального угла падения лазерного пучка на ГРС (4). На горизонтальной части основания (1) расположены три регулировочных винта, которые предназначены для установки основания в исходное горизонтальное положение. При этом два винта размещены на одной стороне основания на линии, перпендикулярной плоскости диска, а третий винт размещен на противоположной стороне основания. С помощью третьего регулировочного винта возможна тонкая подстройка наклона основания в плоскости диска и установка оптимального угла падения пучка лазера на ГРС
При горизонтальном движении основания устройства вместе с поверхностью, на которой оно установлено, за счет сил инерции происходит поворот физического маятника относительно основания в направлении, противоположном движению основания. В результате происходит изменение угла падения лазерного пучка на ГРС в плоскости, параллельной ее линиям, что вызывает изменение мощности нулевого порядка дифракции, пропорциональное углу отклонения физического маятника. Электрический сигнал с выхода фотодиода содержит две компоненты. Одна компонента сигнала пропорциональна наклону поверхности, на которой установлен прибор. При этом на выходе регистрируется как переменная, так и постоянная составляющая наклона поверхности. Вторая компонента выходного сигнала пропорциональна горизонтальному смещению поверхности, на которой установлен прибор. При этом устройство не реагирует на статические перемещения в горизонтальном направлении, а реагирует только на колебания в горизонтальном направлении, параллельном плоскости физического маятника. Уровень выходного сигнала этой компоненты будет снижаться в области частот колебаний, меньших резонансной частоты физического маятника, однако это снижение не будет таким быстрым, как у приборов с индуктивным датчиком колебаний.
ФИЛЬТРЫ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ПОСТРОЕННЫЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГРС
Как видно из выражения (2), коэффициент передачи мощности с входа на выход устройства, в котором применяется дифракция на ГРС, зависит от длины волны излучения. Эту зависимость можно использовать для фильтрации оптического излучения. Простейшая схема фильтра с использованием ГРС приведена на рис. 5. Наряду с этой схемой можно применять более сложную схему, содержащую уголковый отражатель.
Расчетные параметры фильтров. Вначале рассмотрим наиболее простой фильтр, который подавляет излучение на определенных длинах волн. Зависимость коэффициента передачи мощности излучения kp = P0 / Pэфф от длины волны излучения λ определяется соотношением (2). На рис. 6 приведено семейство расчетных зависимостей kp (λ) при различных значениях параметра θ – угла падения светового пучка на рельефную структуру с глубиной, равной: Hp = 0,6 мкм. На графиках имеются выраженные области низкого и области высокого коэффициента передачи мощности излучения с входа на выход фильтра. Этот график демонстрирует возможность перестройки расположения частот максимумов и минимумов коэффициентов пропускания фильтров за счет изменения угла падения входного оптического пучка. При различных углах падения нулевые (минимальные) значения коэффициента передачи фильтра соответствуют разным длинам волн, координаты которых на оси длин волн можно рассчитать по формуле:
(4)
При увеличении отношения Hp / λ частота расположения минимумов и максимумов зависимости kp (λ) на шкале длин волн увеличивается. Подобрав определенным образом глубину ГРС и угол падения оптического пучка, мы можем выделять или подавлять определенные спектральные линии.
Рассмотрим в качестве примера такую задачу: выделить излучение спектральной линии аргонового лазера, которая имеет длину волны λ2 = 0,514 мкм, и при этом подавить излучение другой сильной спектральной линии с длиной волны λ1 = 0,488 мкм. Для этого коэффициент передачи фильтра должен быть максимальным на длине волны 0,514 мкм, а на длине волны λ1 = 0,488 он должен быть минимальным.
В результате расчетов, изложенных подробно в [7], мы выбрали глубину ГРС Ηp = 3 мкм. Графики зависимостей коэффициентов передачи от длины волны представлены на рис. 7 (а, б). Как видно из графика № 1, приведенного на рис. 7(а), фильтр с параметрами ГРС Ηp = 3 мкм, θ = 31,35° подавляет излучение с длиной волны λ1 = 0,488 мкм и пропускает излучение с длиной волны, равной λ2 = 0,514 мкм.
Если же перестроить фильтр, изменив угол падения и установив его равным: θ = 35,53°, то при той же глубине ГРС, равной Ηp = 3 мкм, фильтр будет пропускать излучение с длиной волны, равной λ1 = 0,488 мкм и подавлять излучение с длиной волны λ2 = 0,514 мкм, как это видно на графике № 3 на рис. 7.(b). Кривая № 2 на рис. 7 (а) показывает, как изменится характеристика фильтра в том случае, если ГРС будет изготовлена с погрешностью и ее глубина составит Ηp = 3,2 мкм вместо глубины Ηp = 3 мкм, при условии, что угол падения пучка остался равным 31,35°. Положения минимумов и максимумов существенно изменятся по сравнению с кривой № 1.
Однако неточность изготовления легко скомпенсировать за счет изменения угла падения. Для этого следует изменить первоначальный угол падения входного оптического пучка с угла θ = 31,35° на другой угол падения θ = 36,81°. В результате после изменения угла падения входного пучка мы получаем расчетную кривую зависимости коэффициента передачи от длины волны, которая фактически с высокой точностью повторяет кривую № 1 на рис. 7(а). Таким образом при другой глубине ГРС, равной Ηp = 3,2 мкм, можно легко скомпенсировать изменение спектральной характеристики фильтра. После перестройки схемы и установки нового угла падения θ = 36,81°, расчетная зависимость коэффициента передачи от длины волны смещается по оси длин волн, и она практически полностью совпадает с зависимостью, рассчитанной при сочетании параметров: θ = 31,35 и Ηp = 3 мкм. На практике точную настройку угла падения надо будет проводить по минимуму выходного излучения с заданной длиной волны.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований показана возможность построения трех типов новых устройств, в основе работы которых лежит принцип дифракции оптического пучка на глубокой рельефной структуре. Применение датчиков с ГРС в сейсмометрах, возможно, позволит расширить частотный диапазон регистрации в сторону низких частот. Новые схемы фильтров на основе ГРС могут быть применены не только в видимом диапазоне длин волн, но и в различных областях инфракрасного диапазона. Для ИК диапазона ГРС могут быть изготовлены на поверхностях металлических пластин с высоким отражением.
Данные исследования были выполнены в лаборатории оптоэлектроники Института физических исследований и технологий Факультета физико–математических и естественных наук РУДН при поддержке программы 5–100.
ЛИТЕРАТУРА
Комоцкий В. А., Соколов Ю. М., Алексеев А. Н., Басистый Е. В. Исследование оптоэлектронного датчика угловых смещений на основе глубокой отражательной фазовой дифракционной решетки. Вестник РУДН. Серия Математика. Информатика. Физика. 2009; 4: 95–104.
Komockij V. A., Sokolov YU. M., Alekseev A. N., Basistyj E. V. Issledovanie optoelektronnogo datchika uglovyh smeshchenij na osnove glubokoj otrazhatel'noj fazovoj difrakcionnoj reshetki. Vestnik RUDN. Seriya Matematika. Informatika. Fizika. 2009; 4: 95–104.
Комоцкий В. А., Соколов Ю. М., Басистый Е. В. Метод измерения глубины периодических рельефных отражателей акустических волн лазерным зондированием. Радиотехника и электроника. 2011; 56 (2): 243–248.
V. A. Komotskii, Yu. M. Sokolov, and E. V. Basistyi. Depth Measurement of the Periodic Grooved Reflectors of Surface Acoustic Waves Using Laser Probing. Journal of Communications Technology and Electronics. 2011; 56(2): 220–225.
Комоцкий В. А., Корольков В. И., Соколов Ю. М. Оптоэлектронные дифракционные датчики малых угловых перемещений. Фотоника. 2011; 1:16–19.
Komockij V. A., Korol'kov V. I., Sokolov YU. M. Optoelektronnye difrakcionnye datchiki malyh uglovyh peremeshchenij. Fotonika. 2011; 1:16–19.
Патент RU 2616935/ Устройство для модуляции лазерного излучения. Комоцкий В. А., Соколов Ю. М. Суетин Н. В. 2017.
Patent RU 2616935/ Ustrojstvo dlya modulyacii lazernogo izlucheniya. Komockij V. A., Sokolov YU. M. Suetin N. V. 2017.
Патент RU 181381/ Устройство для фильтрации спектров оптических сигналов. Комоцкий В. А., Соколов Ю. М., Суетин Н. В. ; 2018.
Patent RU 181381/ Ustrojstvo dlya fil'tracii spektrov opticheskih signalov. Komockij V. A., Sokolov YU. M., Suetin N. V. ; 2018.
Комоцкий В. А., Соколов Ю. М., Суетин Н. В. Модуляция лазерного пучка с применением уголкового отражателя и глубокой дифракционной решетки // Радиотехника и электроника, 2017, том 62, № 7, с. 717–722.
V. A. Komotskii, Yu. M. Sokolov, and N. V. Suetin. Laser Beam Modulation Using Corner Reflector and Deep Diffraction Grating . Journal of Communications Technology and Electronics. 2017; 62( 7): 822–826.
Комоцкий В. А., Соколов Ю. М. Суетин Н. В. Оптический фильтр, построенный с применением глубокой периодической отражающей рельефной структуры. HOLOEXPO 2018. 15 международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям. Тезисы докладов. 2018; 165–169.
Komockij V. A., Sokolov YU. M. Suetin N. V. Opticheskij fil'tr, postroennyj s primeneniem glubokoj periodicheskoj otrazhayushchej rel'efnoj struktury. HOLOEXPO 2018. 15 mezhdunarodnaya konferenciya po golografii i prikladnym opticheskim tekhnologiyam. Tezisy dokladov. 2018; 165–169.
Комоцкий В. А. Основы когерентной оптики и голографии. Конспект лекций. М.: Изд. РУДН. 2011.
Komockij V. A. Osnovy kogerentnoj optiki i golografii. Konspekt lekcij. M.: Izd. RUDN. 2011.
Кащенко Н. М., Комоцкий В. А. Определение глубины опорных дифракционных решеток на основе измерения и анализа дифракционных порядков. Вестник РУДН. Серия физика. 1999; 7(1): 55–65.
Kashchenko N. M., Komockij V. A. Opredelenie glubiny opornyh difrakcionnyh reshetok na osnove izmereniya i analiza difrakcionnyh poryadkov. Vestnik RUDN. Seriya fizika. 1999; 7(1): 55–65.
Отзывы читателей
