В качестве источника излучения использовался Nd:YAG-лазер с длиной волны 1064 нм. Лазерный пучок делился на объектный и опорный. Объектный пучок фокусировался и направлялся на исследуемый объект, закрепленный на калиброванный электродинамический преобразователь, с помощью которого осуществлялось передача колебаний исследуемому объекту. Вследствие колебаний образца, отраженное от него излучение было модулировано по фазе, которое затем собиралось линзой и направлялось в фоторефрактивный кристалл. Демодуляция фазы отраженной волны осуществлялась за ее взаимодействия с опорной волной на динамической голограмме формеруемой в кристалле CdTe. Интенсивность объектного пучка регистриловаллось с помощью фотоприемника. Сигнал которого через АЦП поступал в компьютер.

2.2 Исследуемые объекты

В качестве исследуемых объектов были выбраны вытянутые кварцевые световоды диаметром 15 мкм и 2 мкм без дополнительных отражающих покрытий. Отношение мощности отраженного от объекта излучения и излучения направляемого на объект не превышало 5%. Тем самым моделировалось исследование слабоотражающих и полупрозрачных объектов.

Рис. 5 Снимок исследуемого образца с диаметром 15 мкм

Рис. 6 Снимок исследуемого объекта с диаметром 2 мкм

Рис. 7 Снимок лазерного пучка отраженного от исследуемого объекта

Несмотря на сложную структуру отраженного от объекта пучка (рис. 8) , благодаря голографическому принципу объединения волн в кристалле, в данном интерферометре может быть выполнена его фазовая демодуляция.

2.3 Методика эксперимента

Объектный пучок фокусировался короткофокусной линзой L 1 (рис. 4) на исследуемый объект (рис. 4). Поперечный диаметр объектного пучка в месте максимальной фокусировке составлял 50 мкм .

Исследуемый объект располагался рядом с реперным кварцевым волокном с диаметром 130 мкм на рамке, жестко связанной с электродинамическим преобразователем (рис. 8). В силу того что объекты имели малый размер для поиска и исследования образца использовалась двухкоординатная система линейного моторизированного перемещения Standa8DCMC1.

Данная система позволила перемещать образец относительно объектного пучка с точностью до 14 нм .

Рис. 8 Взаимное расположение образца с диаметром 15 мкм и реперного кварцевого волокна

Управление отдельными нано-трансляторами системы моторизированного перемещения осуществлялось с помощью команд подаваемых с компьютера на контроллер. Для подачи команд и автоматизации управления было разработано и реализованно специализированное программное обеспечение «motor control for 8DCMC1», главное диалоговое окно которого представлено на рис. 8. (листинг файлов программы приведен в приложении)

Рис. 9 Главное диалоговое окно программы «motor control for 8DCMC1»

С помощью данной программы была осуществлена регистрация и синхронизация сигнала, подаваемого на АЦП, с передвижением нано-транслятора, что позволило правильно интерпретировать полученные результаты.

2.4 Экспериментальные результаты

Перемещение образцов относительно объектного пучка осуществлялась от реперного кварцевого волокна к исследуемому образцу по направлению Х, как показано на рис. 8.

Экспериментально полученная зависимость амплитуды демодулированного сигнала от положения сканирующего пучка для двух образцов с диаметром 15 мкм и 2 мкм приведена на рис. 10. При этом амплитуда колебаний образца составляла 20 нм .

Рис. 10 Зависимости амплитуды сигнала от положения сканирующего пучка для образцов с диаметром 15 мкм и 2 мкм

Как видно из рис. 10 характер изменения сигнала демодуляции с расстоянием от реперного оптического волокна соответствует прямому оптическому измерению с помощью микроскопа (рис. 7), что подтверждает полученные результаты.

Заключение

Таким образом, в настоящей работе разработана и практически реализована система регистрации малых колебаний микрообъектов с помощью адаптивного интерферометра на основе динамических ортогональных голограмм, формируемых в фоторефрактивном кристалле. Показано что такая система позволяет регистрировать колебания объектов размерами 2 мкм. Создано программное обеспечение для управления нано-позиционерами.

С учетом того, что ортогональная геометрия формирования динамической голограммы в ФРК позволяет создавать поляризационно-независимые схемы адаптивных интерферометров, разработанная измерительная система может быть использована в том числе и для исследования сложных микро- и нано- объектов, взаимодействие излучения с которыми может приводить к полной его деполяризации.

Список литературы

1. B. Ilic, H. G. Craighead, S. Krylov, W. Senaratne, C. Ober, and P. Neuzil. Attogram detection using nanoelectromechanical oscillators // J. Appl. Phys. - 2004–Vol.95.

2. M. Sato, B. E. Hubbard, L. Q. English, and A. J. Sievers, B. Ilic, D. A. Czaplewski and H. G. Craighead. Study of intrinsic localized vibrational modes in micromechanical oscillator arrays // CHAOS - 2003. –Vol. 13, No.2 – P.702-715.

3. L. Sekaric,a) M. Zalalutdinov, S. W. Turner, A. T. Zehnder, J. M. Parpia, and H. G. Craighead Nanomechanical resonant structures as tunable passive modulators of light // J. Appl. Phys. - 2002 –Vol.80.

4. S. Di Girolamo, A.A.Kamshilin, R.V.Romashko, Yu.N.Kulchin, J.-C.Launay. Fast adaptive interferometer on dynamic reflection hologram in CdTe:V // Optics Express. – 2007. – Vol.15. – No.2. – P.545-555.

5. М. П. Петров, С. И. Степанов, А. В. Хоменко. Фоточувствительные электрооптические среды в голографии и оптической обработке информации. – Л.: Наука Ленингр. отд.-ние. – 1983. – 269 с.

6. A. Ashkin, G. D. Boyd, J. M. Dziedzic, R. G. Smith, A. A. Ballman, J. J. Levinstein, K. Nassau. Optically-induced refractive index inhomogeneities in LiNbO₃ and LiTaO₃ // Appl. Phys. Lett. – 1966. – V.9. – P.72.

7. P. Gunter, J.-P. Huignard, eds. Photorefractive materials and their applications 2: Materials. – Springer Series in Optical Sciences. – 2007. – V.114. – 646 p.

8. G. Zhang, D. Kip, D. D. Nolte, J. Xu, eds. OSA Trends in Optics and Photonics: Photorefractive Effects, Materials, and Devices. – 2005. – V.99.

9. P. Delaye, C. Denz, L. Mager, G. Montemezzani, eds. OSA Trends in Optics and Photonics: Photorefractive Effects, Materials, and Devices. – 2003. – V.87.

10. В. Л. Винецкий, Н. В. Кухтарев. Динамическая голография. – Киев: Наукова думка. – 1983. – 125 с.

11. Di Girolamo S., Romashko R.V., Kulchin Y.N., Kamshilin A.A. Orthogonal geometry of wave interaction in a photorefractive crystal for linear phase demodulation // Opt. Commun. – 2010. - V.283. - P.128-131.

12. R. V. Romashko, S. Di Girolamo, Y. N. Kulchin, and A. A. Kamshilin. Photorefractive vectorial wave mixingin different geometries// J. Opt. Soc. Am. -2010. -Vol. 27. No. 2. –P. 311-317.

Приложение

Программа «motor control for 8DCMC1»

Данная программа создана в среде MSVisualC++ 6.0 на базе класса MFC.Состоит из двух диалоговых окон: SERIALGATETEST_DIALOG и ABOUTBOX. Реализованы следующие функции:

1. Взаимодействие с COM – портом компьютера. Чтение и запись информации в памяти контроллера 8DCMC1 по средствам интерфейса RS232. Эта функция реализована в виде отдельной библиотеки – SerialGate.dll.

2. Аналог командной строки для управления шаговыми двигателями, содержащий поле ввода и поле вывода.