Введение к работе
Актуальность темы
Оптические поляризационные измерения широко применяются в различных областях науки, техники и производства. В области поляризационных измерений существует много методов, в числе которых есть и наиболее распространенные — поляриметрия и эллипсометрия. Поляриметрия включает методы измерения угла вращения плоскости поляризации света (УВПП) оптически активными веществами. Эллипсометрия — это методы измерения состояния поляризации светового пучка, отраженного или прошедшего через вещество. Здесь измеряемыми параметрами являются разность фаз и отношение амплитуд двух взаимно ортогональных компонент вектора напряженности электрического поля световой волны, так называемые эллипсометрические углы Дельта и Пси.
Выполнение точных и достоверных поляризационных измерений необходимо в оптической промышленности для повышения качества и надежности оптических приборов. Поляризационные приборы широко используются в системах взаимной ориентации различных деталей и узлов крупных конструкций, астронавигации и системах наведения летательных и других аппаратов (измерение углов скручивания). Лазерная техника, модуляторы света часто изготавливаются из поляризационных материалов, для контроля качества и калибровки которых требуются высокоточные поляризационные измерения. Поляриметрические методы также применяются в пищевой промышленности для определения содержания сахарозы в различных изделиях. В этой области поляризационных измерений действуют международные стандарты и рекомендации МОЗМ и ICUMSA. В лабораторной медицине поляриметры используются для определения содержания сахара в моче и крови.
Методы измерения поляризационных характеристик оптического излучения, таких как, УВПП и разности фаз при двулучепреломлении, можно условно разделить на две группы: нулевые методы и методы, основанные на поляризаци-
онной модуляции света. Суть нулевых методов состоит в установлении взаимосвязи между измеряемой величиной и теми положениями оптических элементов поляриметра, при которых достигается минимум интенсивности (гашения) светового пучка. Недостатками нулевых методов являются низкий уровень сигнала в момент гашения, чувствительность к посторонним засветкам и флуктуациям интенсивности источника света, а также необходимость использования высокоточного угломерного устройства.
В методах с поляризационной модуляцией светового потока измеряемые величины получаются из анализа амплитуды или фазы временных сигналов. Методы на основе анализа амплитуды сигналов имеют те же недостатки, что и нулевые методы гашения, а также требуют высокой стабильности вращения модулирующего элемента, применения быстродействующих компараторов и высокоразрешающих времязадающих схем. Фазовые методы позволяют уменьшить влияние амплитудных помех, снизить требования к качеству поляризационных элементов и неравномерности вращения модулятора. Эти методы реализуются в схемах дифференциальных поляриметров.
Однако существующие методы дифференциальной поляриметрии обладают невысокой точностью измерений, связанной с рядом недостатков в области схемных решений, регистрации и обработки сигналов, и реализованных методов фазовых измерений. Поэтому задача повышения точности поляризационных измерений методом дифференциальной поляриметрии является актуальной.
Цель и основные задачи диссертации
Целью работы является разработка и исследование метода цифровой дифференциальной поляриметрии для высокоточных измерений угла вращения плоскости поляризации и разности фаз ортогональных компонент эллиптически поляризованного света.
Цель работы предопределила основные задачи, решаемые в диссертационной работе:
1 Анализ существующих методов измерения угла вращения плоскости поляриза-
ции (УВПП).
2 Разработка и исследование цифрового метода расчета разности фаз двух гармо-
нических сигналов на основе методов фурье-интерферометрии временных гармонических сигналов.
3 Построение математической модели измерения разности фаз сигналов в присут-
ствии фазового шума.
4 Разработка цифрового дифференциального поляриметра для измерения УВПП
света, прошедшего через оптически активный материал.
5 Исследование метрологических характеристик цифрового дифференциального
поляриметра в режиме измерения УВПП.
6 Анализ существующих методов измерения разности фаз, вносимой двулучепре-
ломляющим материалом между ортогональными компонентами света.
7 Разработка метода измерения разности фаз, вносимой двулучепреломляющим
материалом, с использованием цифрового дифференциального поляриметра и введением дополнительной модуляции азимута плоскости поляризации луча в измерительном канале.
8 Численное моделирование алгоритма измерения разности фаз, вносимой двулу-
чепреломляющим материалом, и определение его метрологических свойств.
9 Исследование метрологических характеристик дифференциального поляримет-
ра в режиме измерения разности фаз ортогональных компонент эллиптически поляризованного света.
10 Разработка единого программного комплекса для управления параметрами ра
боты дифференциального поляриметра, оцифровки измерительных сигналов,
измерения УВПП и разности фаз ортогональных компонент света, применения
к результатам температурной и дисперсионной коррекции, сохранения и выво
да результатов в протоколы измерений.
Научная новизна работы
Разработан цифровой метод вычисления разности фаз двух гармонических временных сигналов на основе метода фурье-интерферометрии, в котором производится полосовая фильтрация основной гармоники несущей частоты фурье-спектров исходных сигналов и вычисление аргумента результата комплексного перемножения отфильтрованных сигналов во временной области.
Разработан двухканальный цифровой дифференциальный поляриметр, в котором компенсация нестабильности вращения анализатора, флуктуации интенсивности источника света, несовершенства поляризационных элементов и вибраций оптической схемы осуществляется за счет использования излучения от одного источника света в обоих каналах поляриметра и пересечения оптических осей каналов в центре вращения анализатора, что дает возможность повысить точность измерения УВПП до величины расширенной неопределенности 0,0014 при коэффициенте охвата 3.
Показано, что введение дополнительной модуляции азимута плоскости поляризации в измерительный канал оптической схемы цифрового дифференциального поляриметра позволяет проводить измерение разности фаз ортогональных компонент эллиптически поляризованного света с расширенной неопределенностью, не превышающей 0,078 при коэффициенте охвата 3.
Практическая ценность и использование результатов работы
Разработанный программно-аппаратный комплекс входит в состав Государственного первичного эталона единицы угла вращения плоскости поляризации ГЭТ 50-2008 и является одной из эталонных установок Государственного первичного эталона единиц эллипсометрических углов ГЭТ 186-2010.
Разработанный программно-аппаратный комплекс может быть эффективно использован для измерений оптических постоянных веществ и для оптического производственного контроля.
Вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в разработке цифрового дифференциального поляриметра, разработал математический аппарат обработки измерительных данных, провел математическое моделирование предложенных в работе алгоритмов и рассчитал метрологические характеристики программно-аппаратного комплекса, создал программный комплекс для проведения измерений.
Также автор принимал участие в разработке ГОСТ 8.590-2009 «Государственная поверочная схема для средств измерений угла вращения плоскости поляризации» и Государственной поверочной схемы для средств измерений эллипсо-метрических углов.
Апробация работы
Основные материалы диссертации были представлены на научно-технических конференциях «Научная сессия МИФИ-2005, 2007»; 15, 17 и 18-ой научно-технических конференциях «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (ВНИИОФИ, 2005, 2008, 2009 гг.); 6-ой Русско-Баварской конференции «Biomedical Engineering» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 г.); 6-ой научно-практической конференции «ГОЛОЭКСПО-2009».
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, в том числе 8 статей в рецензируемых отечественных журналах.
Структура и объем работы
