Диссертация (Исследование оптического диэлектрического микрорезонатора для детектирования наночастиц), страница 9

Подготовить средства измерений всоответствии с руководством по эксплуатации. Установить на осциллографеPV1 частоту дискретизации 200 кГц (200 ksp/s). Установить на осциллографеPV2 режим синхронизации по каналу TRIG.2. Установить связь с резонатором. Подготовить к работе лазер всоответствиисинструкциейпоэксплуатации.Включитьизлучение,переключив тумблер OPEN на передней панели блока управления лазером.Установить уровень тока лазерного диода ручкой LEVEL на уровень не более30 % от максимального. Подвести микрорезонатор к элементу связи системыввода/вывода с помощью трехкоординатного транслятора (грубая подача).Процесс подвода контролируется через прозрачную стенку с использованиеммикроскопа или другого средства увеличения. При подводе не допускатьсоприкосновения микрорезонатора и элемента связи. Установить зазор междуэлементом связи и микрорезонатором ~ 0,025 мм.Продолжить подвод микрорезонатора к элементу связи с помощьюточной пьезоподачи, регулируя напряжение на контроллере пьезопривода.

Впроцессе подвода микрорезонатора контролировать показания осциллографаPV2. Остановить подачу микрорезонатора после появления на экранеосциллографа характерной картины частотного спектра резонатора.С помощью ручек SWEEP, SCAN, OFFSET на передней панели блокауправления лазера установить диапазон сканируемого спектра таким образом,чтобы наблюдать на осциллографе PV2 единичный отрицательный пик .3. Результаты измерений с осциллографа сохранить в файле. Запустить наперсональном компьютере прикладной пакет программ для решения задачтехнического вычисления MATLAB для обработки результатов измерений.2.8 Выводы к главе 2В главе 2 приведены результаты разработки новой, надежной методики,позволяющей изготавливать ОДМР с воспроизводимыми метрологическими55характеристиками, а именно уменьшить разброс в отклонении плоскостикасательной экватора к осевой линии ножки ОДМР, а также уменьшитьотклонение воспроизводимости диаметра ОДМР.

Разработана установка, накоторой отрабатывалась методика.В результате измерений диаметра в партии ОДМР, изготовленных сиспользованием описанной методики, было выявлено, что для получениявоспроизводимыхметрологическиххарактеристикдетектора наночастицпараметр шероховатости поверхности Ra ОДМР должен быть не более2,67±18% на базовой длине 30 мкм.Показано, что использование разработанной методики позволяет в шестьраз, с 33 мкм до 5,65 мкм, сократить отклонение плоскости экватора от осевойлинии ножки.В случае, если концентрация частиц размером 1 и 0,5 мкм не превышаетзначений 4,84×105 шт.

см-3 и 9,53×104 шт. см-3 соответственно, то добротностьОДМР оказывается не ниже 1,3×109±20%.56ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫОПТИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРОРЕЗОНАТОРОВВ детекторах на основе оптических диэлектрических микрорезонаторовчувствительный элемент изготавливается методом термической обработки. Вбольшинствеслучаевподобныемикрорезонаторыизготавливаютсяизоптоволокна в высокотемпературном пламени кислородно-водородной смеси.При обработке заготовки сердцевина и оболочка оптоволокна могутсплавляться в объеме сферы, это может привести к появлению на поверхностиОДМР сердцевины и как следствие увеличить потери на рассеивание. Для того,чтобы избежать возможного вплавления ядра в оболочку, необходимоколичественно контролировать разность показателя преломления и егораспределениевОДМР.ОсновнойхарактеристикойОДМРявляетсядобротность мод «шепчущей галереи», которая сильно зависит от потерь,возникающих в том числе, и на внутренних неоднородностях показателяпреломления,Распределениескоторымможетвнутреннихвзаимодействоватьнеоднородностейизлучениепоказателямоды.преломленияневозможно зарегистрировать стандартными методами; для решения этойзадачи было принято решение использовать оптическую томографию, котораяпозволяет не просто определять разность показателя преломления, аисследовать его абсолютное значение.3.1 Получение проекций ОДМРМикроскоп МИА-1 позволяет получать фазовые изображения и на ихоснове информацию о двумерном распределении оптической разности хода(далее — ОРХ) Δ(x,y).

Для получения фазовых изображений в микроскопереализован метод фазовых шагов с пятью шагами.Длядостиженияданногорезультатабылавыбранасхемаавтоматизированного интерферометра Линника (рисунок 9.а), которая дает57возможность измерять фазу волнового фронта с погрешностью 0,1%, чтоявляется необходимым для решения некорректной задачи реконструкциитомограмм.Рисунок 9. а - Оптическая схема микроскопа: 1 — источник; 2, 3, 5 —линзы; 4 — диафрагма; 6 — светоделитель; 7,9 — микрообъективы; 8 —опорное зеркало 10 — зеркало; 11— проекционная линза; 12 — матрицывидеокамеры; 13 — персональный компьютер; 14 — график напряжения,подаваемого на пьезоэлемент опорного зеркала; 15 —микрорезонатор; b —Схема прохождения луча через микрорезонатор: — угол падения луча; ∆Х —поперечное смещение луча; X — прицельный параметр; с — Кювета смикрорезонатором: 1 — покровное стекло; 2 — глицерин; 3 — микрорезонатор;4 — зеркало; 5 —кювета58На вышеприведенной схеме изображение источника излучения 1(светодиод с длиной волны 530 нм) с помощью оптической системы 2 и 3строится в плоскости апертурной диафрагмы 4, которое в дельнейшем спомощью конденсорной линзы 5 повторно отражается в передние фокальныеплоскости микрообъективов 7 и 9, после предварительного разделения напредметный и опорный пучки с помощью светоделителя 6.

Предметный пучок(вертикальный) падает на исследуемый микрорезонатор 15 (показан условно),который является кварцевой сферой размером 200-500 мкм на стеклянномвозвышении. Для компенсации рефракции на границе микрорезонатора онпомещается в кювету с иммерсионной жидкостью, которая имеет зеркальнуюнижнюю грань 4, и накрывается покровным стеклом 1 (рисунок 9.с). Также он всостоянии вращаться вокруг своей оси.

Опорный пучок (горизонтальный)падает на опорное зеркало 8, которое соединено с пьезоэлементом (не указан).Оба пучка (предметный и опорный) после отражения от зеркал 10 и 8, проходятчерез светоделитель 6, проекционную линзу 11 и выстраивают изображениепредмета и опорного зеркала в плоскости фотодетектора – матрицывидеокамеры 12. Видеокамера и пьезоэлемент опорного зеркала управляются отПЭВМ 13.Входеиспользовалсяизображенияпроцессаметодприреализовывалисьполученияфазовыхразличныхпутемподачифазовыхшагов.фазовыхДляизображенийэтогосдвигахдискретных(проекций)интерференционныезеркалазначений8,которыенапряжениянапьезоэлемент 14, записывались в ПЭВМ.

В дальнейшем с помощьюспециальногоПО«WinPhast»происходитрасшифровказаписанныхинтерферограмм и восстановление фазового изображения.На рисунке 10.а представлено интерференционное изображение ОДМРполученное с использованием микроскопа. При этом он был сфокусирован назеркало и наблюдались контрастные интерференционные полосы.59абРисунок 10.

Данные, получаемые с микроскопа МИА-1: а —Интерференционное изображение ОДМР; б — Фазовое изображениеОДМР.Перед записью проекций было предварительно записано фазовоеизображение (рисунок 10.б) без резонатора – фазовые аберрации микроскопа,которые затем вычитались из каждого измерения. Также по маске,исключающей область с резонатором, вычиталась наклонная плоскость (клин),обусловленная интерференцией в полосах конечной ширины.3.2 Предобработка проекцийДля восстановления томограммы необходимо получить проекции вдиапазоне углов от 0 до 180 град. Для этого исследуемый ОДМР поворачивалсяв поле зрения интерференционного микроскопа МИА-1 с помощью шаговогодвигателя.

Для правильного восстановления необходимо, чтобы ОДМРповорачивался без продольного и поперечного сдвига относительно осивращения. Однако, допуски на изготовление крепежных элементов иотсутствие механизма выравнивания оси ОДМР и оси вращения шаговогодвигателя неизбежно приводят к небольшим сдвигам проекций на несколькодесятков мкм как в продольном, так и поперечном направлении. Это требуетпредварительной корректировки смещения ОДМР на проекциях.60Для восстановления томограммы на всех проекциях выбирается одно итоже поперечное сечение (перпендикулярно оси вращения) – одномерная (1D)проекция.

Далее с помощью алгоритма восстановления реконструируетсядвумерная (2D) томограмма. Наличие продольного сдвига относительнооптической оси не позволяет правильно получить 1D проекции, так как сечениебудет проходит через разные участки ОДМР. Поэтому сначала былоткорректирован продольный сдвиг проекций.Для этого были получены интегралы вдоль оси y перпендикулярно осивращения ОДМР, являющиеся по сути нулевым моментом от проекции m0(y;φ).Учитывая, что нулевой момент трехмерной функции f(x,y,z), равныйM00(y), вдоль оси x не зависит от угла поворота, и равен нулевому моменту отпроекции вдоль оси p, равный m0(y;φ):M 00 ( y)  m0 ( y, )  const ,(4)можно заключить, что нулевые моменты m0(y;φ) для всех проекцийдолжны совпадать, однако, при этом они могут иметь относительныйпродольный сдвиг.Для его компенсации необходимо на всех нулевых моментах найти однуи ту же реперную точку и определить ее координату.