Введение к работе
.;';' ..'
iI;'IJ.I:.':''' Актуальность работы. При решении задач исследования устройств, работающих на поверхностных акустических волнах (ПАВ), возникает необходимость детального изучения акустического поля, сформированного на поверхности звукопровода. Эта проблема может бить решена при помощи методов зондирования ПАВ с високим пространственным разрешением на поверхности распространения волны. Весьма эффективный метод оптического зондирования ПАВ с опорной дифракционной решеткой (ОДР), предложенный и разработанный в 1979 - 89 гг. на кафедре радиофизики УДИ, регистрирует интегральные значения амплитуды и фазы ПАЙ на участке звукопровода с размером, определяемым шириной оптического пучка, который охватывает, по крайней мере, несколько периодов волны. Необходимая для повышения пространственного разрешения метода фокусировка зондирующего пучка на поверхности звукопровода приводит к увеличению его расходимости и кривизны волнового фронта. В этих условиях развитая ранее теория зондирования ПАВ плоской оптической волной не в состоянии достаточно точно описать характеристики метода. 8 связи с этим встал вопрос о дальнейшем развитии теории зондирования ПАВ с ОДР с учетом расходимости оптического пучка. Эта задача решается в настоящей работе на основе анализа дифракции гауссова оптического пучка на системе из двух дифракционных решеток, одна из которых движется, моделирующей схему зондирования ПАВ с ОДР.
Оптическая схема с двумя дифракционными решетками широко известна и используется в таких приложениях, как оптическое зондирование ПАВ, модуляция световых пучков, акустооптические измерители перемещений. Однако, эта схема не исчерпала еще своих возможностей для новых приложений. В частности, предлагаемые в работе метод контроля и измерения расходимости лазерного излучения, а также оптические датчики колебаний и перемещений, используют схему с двумя решетками.
В последнее время большое внимание уделяется регистрации с высоким пространственным разрешением колебаний и деформаций поверхности объектов, вызванных, в частности, фототермическими и фотоакустическими эффектами в схемах неразрутающего контроля. Поэтому разработка и изучение новых методов эондирова-
кия таких колебаний сфокусированным оптическим пучком являются весьма актуальными. Как один из новых подходов к решению этой проблемы в работе предлагается метод зондирования ПАВ и колебаний с использованием ступенчатой фазовой структуры (СФС) в качестве опорного элемента.
Задачи, поставленные в диссертационной работе, охватывают, помимо теоретического анализа взаимодействия расходящегося оптического пучка с опорными дифракционными структурами при зондировании ПАВ, ряд практических приложений этого анализа в виде новых измерительных схем для различных областей науки и техники.
Цель работы - развитие метода оптического зондирования ПАВ с опорной дифракционной решеткой с учетом расходимости излучения лазера, поиск, разработка и испытания новых схем оптического зондирования поверхностных волн и колебаний с высоким пространственным разрешением, а также разработка метода эффективного контроля и быстрого измерения расходимости световых пучков.
Научная новизна. В результате исследований, проведенных в работе, получены следующие результаты, обладающие научной новизной и выносимые на защиту.
-
Проведен теоретический анализ взаимодействия гауссова оптического пучка с системой из двух дифракционных решеток произвольного типа, одна из которых движется. Получены расчетные формулы, позволяющие исследовать схемы оптического зондирования ПАВ с опорной дифракционной решеткой в условиях расходимости лазерного излучения. Рассчитан порог чувствительности схемы в зависимости от угла расходимости зондирующего пучка.
-
Рассчитаны оптимальные параметры и рабочие характеристики системы из двух фазовых дифракционных решеток прямоугольного профиля, предназначенной для работы в измерительных схемах, где используется модуляция оптической мощности в дифракционных порядках при движении одной из решеток относительно другой.
-
На основе результатов анализа взаимодействия гауссова оптического пучка с системой глубоких фазовых решеток разработан и экспериментально исследован новый метод измерения параметров угловых колебаний отражающей поверхности объектов.
-
Разработана методика измерения угла расходимости оптических пучков на основе системы из двух дифракционных решеток, одна из которых находится в колебательном движении. Реализовано практически и экспериментально исследовано устройство для определения расходимости лазерного излучения.
-
На базе оптической схемы из двух дифракционных решеток разработан и исследован измеритель параметров малых линейных колебаний и перемещений.
-
Исследована дифракция гауссова пучка на одиночном ступенчатом фазовом перепаде, при этом получено и проверено экспериментально выражение для энергетического пространственного спектра дифрагированного пучка. Показано, что пространственное положение минимума дифракционной картины однозначно в пределах 2п соответствует глубине перепада СФС. На основе этого эффекта предложена новая методика измерения глубины травления ступенчатых структур.
-
Показано, что в схеме дифракции гауссова пучка на СФС оптическая мощность его центральной части, вырезанной при помощи щелевой диафрагмы в дальней зоне, зависит от глубины перепада СФС по гармоническому закону. На этой основе разработан новый метод оптического зондирования ПАВ и" других типов волн и колебаний, а также предложен и рассчитан ряд схем, реализующих этот метод.
Достоверность полученных результатов. Достоверность расчетов обеспечивалась применением хорошо проверенных подходов к теоретическому описанию зондирования и явлений дифракции оптических пучков и подтверждена хорошим совпадением теоретических и экспериментальных зависимостей. Достоверность экспериментальных исследований обеспечивалась тщательным их выполнением, прогрессивными методами устранения посторонних помех и статистической обработкой экспериментальных данных с применением ЭВМ. Достоверность результатов работы была также подтверждена работоспособностью приборов, созданных на основе этих результатов.
Практическая ценность. Развитая в работе теория зондирования ПАВ расходящимся оптическим пучком в присутствии ОДР позволит ликвидировать ошибки измерений, вызванные ранее неучитываемой как естественной, так и связанной с фокусировкой расходимость» излучения лазера. Новые измерительные методы и
схемы, предложенные и разработанные в диссертации, отличаются простотой и эффективностью и могут найти широкое практическое применение для высокоразрешающего зондирования ПЛВ и других типов волн и колебаний, а также для измерения параметров лазерного излучения. Так, на основе некоторых схем, описанных в работе, были созданы новые научные приборы, такие как дифракционный измеритель малых колебаний и перемещений, измеритель расходимости оптических пучков и датчик смещений и колебаний для скважинного деформографа.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: Всесоюзной научно-технической конференции "Оптический, радиоволновой и тепловой методы не-разрушающего контроля" (Могилев 1989 г.), XXVII научной конференции факультета физико-математических и естественных наук УДН им. П.Лумумбы (Москва 1991 г.), научных семинарах кафедры радиофизики УДН в 1987, 1989, 1990 и 1991 гг., научном семинаре кафедры физики колебаний физического факультета МГУ в 1991 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 3-х научных работах и 1-м авторском свидетельстве на изобретение.
Структура и обьем работа. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложения, содержит 150 страниц основного текста и 81 рисунка. Приведенная библиография включает 108 наименований.
