Диссертация на соискание ученой степени кандидата
физико-математических наук: 01.04.21 - Лазерная физика. —
Российский университет дружбы народов. — Москва, 2014. — 124 с.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Комоцкий
В.А.
Введение
Обзор научных работ в области исследования оптических датчиков для измерения сверхмалых угловых и линейных перемещений и устройств, основанных на дифракционных эффектах
Четырехквадрантный фотодетектор
Триангуляционные лазерные датчики
Растровые датчики
Интерферометрические датчики
Датчики на ступенчатых фазовых структурах (СФС)
Устройства, основанные на дифракционных эффектах
Устройства, основанные на дифракции лазерного излучения на прямоугольных периодически отражающих структурах, меющих большую глубину
Теоретические основы построения датчиков на периодических прямоугольных структурах
Экспериментальное исследование макета оптоэлектронного датчика угловых смещений, построенного на основе глубокой отражательной фазовой дифракционной решетки
Модулятор лазерного излучения
Измерение глубины прямоугольных периодических структур
Основные результаты исследований
Исследование дифракции гауссова пучка на ступенчатой фазовой структуре (СФС) и приложения для измерения малых линейных и угловых перемещений
Способы формирования и величина ступенчатого фазового перепада
Расчет пространственного спектра гауссова пучка после взаимодействия с СФС методом Фурье анализа
Анализ результатов численных расчетов распределения интенсивности пространственного спектра после взаимодействия гауссова пучка с СФС
Экспериментальные исследования
Основные результаты
Заключение
Список литературы
Приложение В настоящей работе были поставлены следующие задачи:
Провести теоретический анализ пространственного спектра дифрагированных волн, полученных в результате отражения лазерного
пучка от глубокой дифракционной решётки. Проанализировать характер зависимости мощности дифракционных порядков в оптическом пучке, отражённом от глубокой решётки, от глубины рельефа и угла падения оптического пучка.
Исследовать экспериментально зависимости мощности дифракционных порядков в отражённом лазерном пучке от параметров решётки и угла падения - отражения. Сопоставить данные эксперимента с теорией.
Изготовить и исследовать экспериментально модели новых устройств - датчиков угловых колебаний на основе прямоугольных периодических дифракционных структур. Дать рекомендации по практическому применению разработанных новых типов датчиков.
Провести исследования взаимодействия сфокусированного лазерного пучка с ступенчатой фазовой структурой (СФС). Выполнить расчётный анализ распределения интенсивности излучения в пространственном спектре после взаимодействия сфокусированного лазерного пучка с СФС. Проанализировать эффекты, наблюдаемые при смешении ступенчатой фазовой структуры относительно центра перетяжки пучка в различных направлениях (вдоль оптической оси, поперек оптической оси пучка).
Провести экспериментальные исследования дифракции сфокусированного лазерного пучка на ступенчатых фазовых структурах, имеющих различные глубины, с целью проверки и подтверждения достоверности теоретических расчётов.
На основе выявленных закономерностей предложить методики для измерения малых угловых и линейных перемещений. Научная новизна
Исследованы свойства пространственных спектров при дифракции лазерного пучка на прямоугольных периодических отражающих
структурах с большой глубиной, порядка нескольких длин волн. Выявлены новые особенности поведения зависимостей интенсивностей в дифракционных порядках от угла падения лазерного пучка на дифракционную структуру.
Построены и исследованы экспериментально макеты датчика малых угловых перемещений и модулятора лазерного излучения нового
типа, работа которых основана на исследованиях автором эффектах изменения интенсивности лазерного излучения в нулевом порядке дифракции при изменении углов падения-отражения лазерного пучка от глубокой прямоугольной периодической структуры.
С применением Фурье-анализа исследованы основные свойства пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия со
ступенчатой фазовой структурой. Впервые проведено расчетное моделирование поведения пространственного спектра при смещении СФС относительно центра перетяжки лазерного пучка. На основе компьютерного анализа сделан вывод о возможности применения этой оптической системы в качестве датчика малых перемещений.
Проведены экспериментальные исследования основных свойств пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия со
ступенчатой фазовой структурой. Выявлены новые закономерности изменения интегральных мощностей в максиму.мах дифракционной
картины при смещении образца СФС относительно центра перетяжки пучка. Получено хорошее согласование экспериментальных результатов с результатами расчётов.
На основании результатов проведенных физических исследований взаимодействия лазерного пучка с СФС предложено новое устройство измерения малых угловых и линейных перемещений с чувствительным элементом в виде ступенчатой фазовой структуры. Собран макет устройства, показана его работоспособность и экспериментально измерены его характеристики. Новизна устройства подтверждена патентом на полезную модель.
Обзор научных работ в области исследования оптических датчиков для измерения сверхмалых угловых и линейных перемещений и устройств, основанных на дифракционных эффектах
Четырехквадрантный фотодетектор
Триангуляционные лазерные датчики
Растровые датчики
Интерферометрические датчики
Датчики на ступенчатых фазовых структурах (СФС)
Устройства, основанные на дифракционных эффектах
Устройства, основанные на дифракции лазерного излучения на прямоугольных периодически отражающих структурах, меющих большую глубину
Теоретические основы построения датчиков на периодических прямоугольных структурах
Экспериментальное исследование макета оптоэлектронного датчика угловых смещений, построенного на основе глубокой отражательной фазовой дифракционной решетки
Модулятор лазерного излучения
Измерение глубины прямоугольных периодических структур
Основные результаты исследований
Исследование дифракции гауссова пучка на ступенчатой фазовой структуре (СФС) и приложения для измерения малых линейных и угловых перемещений
Способы формирования и величина ступенчатого фазового перепада
Расчет пространственного спектра гауссова пучка после взаимодействия с СФС методом Фурье анализа
Анализ результатов численных расчетов распределения интенсивности пространственного спектра после взаимодействия гауссова пучка с СФС
Экспериментальные исследования
Основные результаты
Заключение
Список литературы
Приложение В настоящей работе были поставлены следующие задачи:
Провести теоретический анализ пространственного спектра дифрагированных волн, полученных в результате отражения лазерного
пучка от глубокой дифракционной решётки. Проанализировать характер зависимости мощности дифракционных порядков в оптическом пучке, отражённом от глубокой решётки, от глубины рельефа и угла падения оптического пучка.
Исследовать экспериментально зависимости мощности дифракционных порядков в отражённом лазерном пучке от параметров решётки и угла падения - отражения. Сопоставить данные эксперимента с теорией.
Изготовить и исследовать экспериментально модели новых устройств - датчиков угловых колебаний на основе прямоугольных периодических дифракционных структур. Дать рекомендации по практическому применению разработанных новых типов датчиков.
Провести исследования взаимодействия сфокусированного лазерного пучка с ступенчатой фазовой структурой (СФС). Выполнить расчётный анализ распределения интенсивности излучения в пространственном спектре после взаимодействия сфокусированного лазерного пучка с СФС. Проанализировать эффекты, наблюдаемые при смешении ступенчатой фазовой структуры относительно центра перетяжки пучка в различных направлениях (вдоль оптической оси, поперек оптической оси пучка).
Провести экспериментальные исследования дифракции сфокусированного лазерного пучка на ступенчатых фазовых структурах, имеющих различные глубины, с целью проверки и подтверждения достоверности теоретических расчётов.
На основе выявленных закономерностей предложить методики для измерения малых угловых и линейных перемещений. Научная новизна
Исследованы свойства пространственных спектров при дифракции лазерного пучка на прямоугольных периодических отражающих
структурах с большой глубиной, порядка нескольких длин волн. Выявлены новые особенности поведения зависимостей интенсивностей в дифракционных порядках от угла падения лазерного пучка на дифракционную структуру.
Построены и исследованы экспериментально макеты датчика малых угловых перемещений и модулятора лазерного излучения нового
типа, работа которых основана на исследованиях автором эффектах изменения интенсивности лазерного излучения в нулевом порядке дифракции при изменении углов падения-отражения лазерного пучка от глубокой прямоугольной периодической структуры.
С применением Фурье-анализа исследованы основные свойства пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия со
ступенчатой фазовой структурой. Впервые проведено расчетное моделирование поведения пространственного спектра при смещении СФС относительно центра перетяжки лазерного пучка. На основе компьютерного анализа сделан вывод о возможности применения этой оптической системы в качестве датчика малых перемещений.
Проведены экспериментальные исследования основных свойств пространственного спектра Гауссова пучка после взаимодействия со
ступенчатой фазовой структурой. Выявлены новые закономерности изменения интегральных мощностей в максиму.мах дифракционной
картины при смещении образца СФС относительно центра перетяжки пучка. Получено хорошее согласование экспериментальных результатов с результатами расчётов.
На основании результатов проведенных физических исследований взаимодействия лазерного пучка с СФС предложено новое устройство измерения малых угловых и линейных перемещений с чувствительным элементом в виде ступенчатой фазовой структуры. Собран макет устройства, показана его работоспособность и экспериментально измерены его характеристики. Новизна устройства подтверждена патентом на полезную модель.