авторефераты диссертаций www.z-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

Шмаков Сергей Сергеевич

АДАПТИВНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР НА ОСНОВЕ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ

ДИНАМИЧЕСКИХ ГОЛОГРАММ В ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ

ТИТАНАТА ВИСМУТА СРЕЗА (100)

Специальность 05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск 2015

Шандаров Станислав Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор

Каменев

Олег

Тимурович,

доктор

физико-

математических наук, ведущий научный сотрудник

федерального

государственного

бюджетного

учреждения науки Институт автоматики и процессов

управления

Дальневосточного

отделения

Российской академии наук, г. Владивосток

Чесноков

Дмитрий

Владимирович,

кандидат

технических наук, доцент, заведующий кафедрой

наносистем

и

оптотехники

федерального

государственного

бюджетного

образовательного

учреждения

высшего

образования

«Сибирский

государственный

университет

геосистем

и

технологий», г. Новосибирск

Федеральное

государственное

бюджетное

учреждение науки Физико-технический институт

им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, г.

Санкт-Петербург

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Работа

выполнена

в

федеральном

государственном

бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский

государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР).

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.01,

доктор физико-математических наук

2

А.Е. Мандель

Защита состоится 15 марта 2016 г. на заседании диссертационного совета Д

212.268.01,

созданного

на

базе

федерального

государственного

бюджетного

учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный

университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: 634050, г. Томск, пр.

Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного

университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634045, г.Томск, ул.

Красноармейская

146

и

на

официальном

сайте

http://www.tusur.ru/ru/science/education/dissertations/

Автореферат разослан

«___ » февраля 2016 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время технологическое и производственное оборудование очень

разнообразно и состоит из большого количества узлов и сопряжений, испытывающих

механические колебания. Необходимость повышения производительности ставит

проблему повышения прочности и долговечности технических конструкций, при

снижении материалоемкости. В связи с этим актуальным является создание

высокочувствительных систем для дистанционного мониторинга механических

колебаний, для бесконтактных измерений деформаций узлов и деталей оборудования

различного назначения, в том числе при производстве и в процессе эксплуатации

устройств электроники, содержащей микромеханические элементы и узлы. Одним из

путей решения данных задач является использование методов лазерной и

голографической интерферометрии.

Эффективность использования встречного взаимодействия световых волн на

отражательных фоторефрактивных голограммах в кристаллах титаната висмута для

реализации

принципов

голографической

интерферометрии

при

измерении

механических колебаний отражающих объектов продемонстрирована, в частности, в

работах

[1,

2].

Однако

для

использования

принципа

голографической

интерферометрии

в

реальных

измерительных

оптико-электронных

приборах

необходима

оптимизация

как

конструкции

адаптивного

голографического

интерферометра, так и используемых в нем элементов. Поскольку в работе [2]

показано, что использование кристаллов титаната висмута среза (100) для реализации

линейного режима фазовой демодуляции в сравнении с образцами срезов (110) и

(111) является предпочтительным, актуальным является оптимизация конструкции и

исследование

характеристик

адаптивного

голографического

интерферометра,

основанного на встречном взаимодействии световых волн именно в образцах среза

(100).

Важнейшими

характеристиками

адаптивного

голографического

интерферометра, предназначенного для измерения амплитуд колебаний механических

объектов на различных частотах в широком динамическом диапазоне, являются

частотная зависимость выходного сигнала при заданной амплитуде колебаний

(частотная характеристика) и зависимость его амплитуды на фиксированных частотах

от амплитуды измеряемых колебаний (амплитудная характеристика). Следует

отметить, что в работе [2] частотные зависимости выходного сигнала при

лабораторной

реализации

принципа

голографической

интерферометрии,

использующего

фазовую

демодуляцию

на

отражательных

голограммах,

не

исследовались, а соответствующие амплитудные зависимости изучались в диапазоне

амплитуд измеряемых механических колебаний от 5 пм до 300 нм, не позволяющем

зафиксировать

нижнюю

границу

динамического

диапазона,

обусловленную

шумовыми характеристиками применяемых элементов. В связи с этим актуальным

являются исследования частотной характеристики интерферометра, как и изучение

его амплитудной характеристики в диапазоне, охватывающем область, где выходной

сигнал определяется уровнем собственных шумов.

В

последнее

время

проявляется

значительный

интерес

к

обратному

флексоэлектрическому эффекту, при котором в среде индуцируются упругие

деформации, пропорциональные градиенту напряженности электрического поля, и к

его прямому

варианту, заключающемуся в линейном отклике электрической

поляризации среды на градиент упругих деформаций [3, 4], что связано с

3

необходимостью

описания

физических

свойств

наноструктурированных

метаматериалов. Отражательные голограммы в кристаллах титаната висмута

благодаря высокой концентрации ловушечных центров и малому пространственному

периоду должны характеризоваться высокими значениями градиента напряженности

электрического поля пространственного заряда и могут сопровождаться упругими

полями, обусловленными обратным флексоэлектрическим эффектом, которые

вследствие фотоупругости должны давать дополнительный вклад в эффекты фазовой

демодуляции.

Таким

образом,

актуальным

является

изучение

возможности

обнаружения данного флексоэлектрического вклада в кристаллах титаната висмута

среза (100) и его влияния на характеристики интерферометра.

Все вышеизложенное и определило цель и задачи диссертационной работы.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью работы является разработка конструкции и исследование элементов и

характеристик адаптивного голографического интерферометра, основанного на

встречном взаимодействии световых волн в кристаллах титаната висмута среза (100),

а также его применение для измерений спектра механических колебаний отражающих

объектов и физических параметров используемых кристаллов, определяющих

характеристики выходного сигнала интерферометра. Для достижения данной цели

решались следующие основные задачи:

1. Оптимизация конструкции и исследование характеристик элементов

адаптивного

голографического

интерферометра,

основанного

на

встречном

взаимодействии световых волн в образцах титаната висмута среза (100) и

предназначенного для измерений спектра механических колебаний отражающих

объектов и физических параметров используемых кристаллов.

2. Разработка теоретической модели амплитудной характеристики адаптивного

голографического

интерферометра,

использующего

встречное

двухволновое

взаимодействие в кристаллах титаната висмута среза (100), принимающей во

внимание фликкер-шумы фотоприемника и шумы лазера.

3.

Экспериментальные

исследования

частотной

характеристики

интерферометра

и

его амплитудной характеристики

в

диапазоне амплитуд

механических колебаний, охватывающем область, в которой выходной сигнал

определяется уровнем собственных шумов.

4.

Изучение

возможности

применения

адаптивного

голографического

интерферометра, основанного на встречном взаимодействии световых волн в

образцах титаната висмута среза (100), для обнаружения флексоэлектрического

вклада в его выходной сигнал и для измерения физических параметров используемых

кристаллов титаната висмута.

5. Исследование влияния дополнительного флексоэлектрического вклада в

сигнал

линейной

фазовой

демодуляции

для

адаптивного

интерферометра,

использующего встречное взаимодействие опорной световой волны, имеющей левую

круговую поляризацию, с линейно поляризованной сигнальной волной, в кристаллах

титаната висмута среза (100).

Методы исследования

При оптимизации конструкции и исследовании характеристик элементов

адаптивного

голографического

интерферометра

использовались

методы

проектирования оптико-электронных приборов и экспериментальные методы оптики,

оптоэлектроники,

лазерной

техники,

оптических

измерений,

динамической

голографии. Фазовая модуляция сигнального светового пучка осуществлялась его

4

отражением

от

зеркала,

механические

колебания

которого

создавались

пьезокерамическим

цилиндром,

на

который

подавался

электрический

синусоидальный сигнал.

При исследованиях частотной характеристики адаптивного голографического

интерферометра

использовалась

подгонка

теоретической

зависимости

для

постоянной составляющей и для амплитуды первой гармоники в его выходном

сигнале от амплитуды механических колебаний зеркала под экспериментальные

данные, полученные на дискретных частотах модуляции в диапазоне от 13 до 7150

Гц, с применением методов статистической обработки для определяемых значений

коэффициента двухпучковой связи.

При выводе аналитического выражения для амплитудной характеристики

адаптивного

голографического

интерферометра

использовалась

методика,

заключающаяся в применении операции усреднения к квадрату суммы напряжений

сигнала U l

на частоте первой гармоники Ω и шума UH l , зависящих от

амплитуды колебаний зеркала l. В полученном выражении для амплитудной

характеристики принимались во внимание как дробовые и тепловые шумы, всегда

присутствующие на выходе фотоприемного устройства, так и имеющие сильную

зависимость

от

центральной

частоты

сигнала,

выделяемого

селективным

вольтметром, фликкер-шумы фотоприемника и избыточные шумы лазера.

При

экспериментальном

исследовании

амплитудной

характеристики

адаптивного голографического интерферометра использовалась методика измерения

зависимости выходного напряжения селективного вольтметра при значениях его

избирательности 25 дБ и 40 дБ, от амплитуды колебаний зеркала в диапазоне от 0,1

пм до 80 нм на частотах 300 Гц, 1150 Гц и 3 кГц, с применением в качестве элементов

интерферометра: образцов Bi12TiO20:Fe,Cu с толщиной d = 2,62 мм или Bi12TiO20 с

просветленными гранями и толщиной d = 1,8 мм; фотодиодов ФД-24К с

сопротивлениями нагрузки 8,8 кОм или 43 кОм, или ФД-265 с сопротивлением

нагрузки 43 кОм.

При

выводе

аналитических

выражений

для

относительных

амплитуд

модуляции интенсивности выходного сигнального пучка, имеющего на входной

грани кристалла симметрии 23 среза (100) фазовую модуляцию и правую

циркулярную или линейную поляризацию, на нулевой, первой и второй гармониках

модулирующего сигнала, при его встречном взаимодействии со стационарным

опорным пучком, сохраняющим левую циркулярную поляризацию, использовалась

известная методика [5], дополненная введением в уравнения связанных волн

флексоэлектрического коэффициента связи Γ , учитывающего совместный вклад в

фоторефрактивный

отклик

обратного

флексоэлектрического

и

фотоупругого

эффектов.

Для оценки величины флексоэлектрического коэффициента f1111 монокристалла

Bi12TiO20:Cu,Fe применялись:

методика

экспериментального

исследования

с

использованием

разработанного

адаптивного

голографического

интерферометра

зависимостей

относительных амплитуд модуляции интенсивности на нулевой и первой гармониках

для выходного сигнального пучка, имеющего на входной грани кристалла

Bi12TiO20:Cu,Fe среза (100) с толщиной d = 2,62 мм правую круговую поляризацию и

взаимодействующего на отражательной голограмме с опорным пучком с левой

5

( )

( )

f

круговой поляризацией, от амплитуды колебаний зеркала, реализующего фазовую

модуляцию входного сигнального пучка на частоте Ω;

– подгонка расчётных зависимостей для относительных амплитуд модуляции

интенсивности выходного сигнального пучка на нулевой и первой гармониках по

методу наименьших квадратов под экспериментальные данные, обработанные с

использованием статистических методов.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Разработанный адаптивный голографический интерферометр, использующий

встречное взаимодействие циркулярно поляризованной стационарной опорной волны

с линейно поляризованной фазово-модулированной сигнальной волной (λ = 633 нм)

на отражательных голограммах в образцах Bi12TiO20:Cu,Fe или Bi12TiO20 среза (100),

селективный нановольтметр Unipan 237 при избирательности 40 дБ, лазер ЛГН-214,

кремниевые фотоприемники на основе фотодиодов ФД-24К или ФД-265 с

сопротивлениями нагрузки от 8,8 до 43 кОм, позволяет измерять в частотном

диапазоне от 300 Гц до 3 кГц спектр механических колебаний зеркально отражающих

объектов на линейном участке амплитудной характеристики в динамическом

диапазоне от 1 пм до 40 нм.

2.

Разработанный

адаптивный

голографический

интерферометр,

при

использовании в нем встречного взаимодействия сигнального пучка, имеющего на

входной грани кристалла Bi12TiO20:Cu,Fe среза (100) с толщиной d = 2,62 мм фазовую

модуляцию и правую циркулярную поляризацию, со стационарным опорным пучком,

сохраняющим левую циркулярную поляризацию, позволил обнаружить вклад

обратного флексоэлектрического эффекта и фотоупругости в фоторефрактивный

отклик и оценить значение флексоэлектрического коэффициента исследованного

образца титаната висмута как f1111= 5,3 нКл/м.

3. Дополнительный вклад обратного флексоэлектрического и фотоупругого

эффектов в фоторефрактивный отклик приводит к увеличению максимального уровня

выходного

сигнала

адаптивного

голографического

интерферометра,

предназначенного для измерения спектра механических колебаний отражающих

объектов и использующего встречное взаимодействие стационарной опорной волны с

левой круговой поляризацией с линейно поляризованной сигнальной волной в

кристаллах титаната висмута среза (100), наблюдаемого для ориентации ее вектора

поляризации на входной грани под углом к оси [010], отсчитываемым к оси [001] и

равным ρd / 2 - / 2, при p = 0, ±2, ± 4,..., но уменьшает этот уровень, если число p

в данном условии является нечетным, p = ±1, ±3, ± 5,....

Достоверность полученных результатов

В

пользу

достоверности

защищаемых

положений

свидетельствует

качественное совпадение результатов расчетов по выведенным аналитическим

выражениям и экспериментов. Отличие рассчитанных и экспериментальных

амплитудных

характеристик

разработанного

адаптивного

голографического

интерферометра составляет не более 5 %. Для зависимостей относительных амплитуд

нулевой и первой гармоник в спектре интенсивности выходного сигнала от

амплитуды колебаний зеркала вблизи их максимумов такое отличие не превышает

2%. Для поляризационной зависимости модуля амплитуды выходного напряжения на

первой гармонике выходного сигнала, наблюдаемые различия в результатах расчета и

эксперимента составляют не более 7 %. Достоверность первого защищаемого

положения подтверждается также отсутствием противоречий с экспериментальными

результатами других работ [2, 6].

6

Достоверность результатов, полученных при выводе аналитических выражений

и проводимых по ним расчетов, обеспечивается постановкой задач с использованием

обоснованных приближений, известных моделей фоторефрактивного отклика и

встречного двухпучкового взаимодействия на отражательных голограммах, и

уравнений эластостатики пьезоэлектрических кристаллов.

Достоверность полученных экспериментальных результатов базируется на

использовании измерительных приборов и оптических элементов с известными

характеристиками, а также на обработке большого массива экспериментальных

данных с применением статистических методов, позволяющей усреднить случайные

погрешности измерений, которые не превышали 5 %. При подгонке расчетных

зависимостей под экспериментальные данные использовался метод наименьших

квадратов. Относительная погрешность для измерений интенсивностей световых волн

не превышала 20 %.

Полученные в диссертации расчетные результаты подтверждаются как

экспериментами, имеющими качественный характер, так и их количественным

соответствием экспериментальным данным в пределах погрешности проведенных

измерений.

Научная новизна результатов работы и защищаемых положений

Новизна первого защищаемого положения заключается в экспериментальном

определении линейного участка амплитудной характеристики разработанного

адаптивного голографического интерферометра в исследованном диапазоне частот

для измеряемых механических колебаний зеркально отражающих объектов.

Новизна второго защищаемого положения состоит в экспериментальном

обнаружении вклада обратного флексоэлектрического эффекта и фотоупругости в

фоторефрактивный отклик в кристалле Bi12TiO20:Cu,Fe среза (100) с применением

разработанного

адаптивного

голографического

интерферометра,

в

случае

использования в нем встречного взаимодействия сигнального пучка, имеющего на

входной грани исследуемого образца фазовую модуляцию и правую циркулярную

поляризацию, со стационарным опорным пучком, сохраняющим левую циркулярную

поляризацию, а также в оценке неизвестного ранее для кристаллов титаната висмута

значения флексоэлектрического коэффициента f1111.

Новизна третьего защищаемого положения состоит в выявлении влияния

дополнительного вклада обратного флексоэлектрического и фотоупругого эффектов в

фоторефрактивный отклик на выходной сигнал разработанного адаптивного

голографического

интерферометра,

предназначенного

для

измерения

спектра

механических колебаний отражающих объектов и использующего встречное

взаимодействие стационарной опорной волны с левой круговой поляризацией с

линейно поляризованной сигнальной волной в кристаллах титаната висмута среза

(100), а также в определении ее оптимальной входной поляризации.

Научная ценность

1. Полученное аналитическое выражение для амплитудной характеристики

разработанного адаптивного голографического интерферометра, принимающее во

внимание как дробовые и тепловые шумы фотоприемного устройства, так и частотно-

зависимые фликкер-шумы фотодиода

и избыточные шумы лазера, хорошо

согласующееся с экспериментально измеренной амплитудной характеристикой для

частот от 300 Гц до 3 кГц, позволяет описать ее в широком диапазоне амплитуд

механических колебаний, охватывающем область, в которой выходной сигнал

7

определяется уровнем собственных шумов, а также прогнозировать изменения

выходного сигнала интерферометра с увеличением частоты измеряемых колебаний.

2.

Обнаружение

с

использованием

разработанного

адаптивного

голографического интерферометра в образце Bi12TiO20:Cu,Fe среза (100) вклада в

фоторефрактивный отклик, связанного с обратным флексоэлектрическим эффектом,

подтверждает его существование в кристаллах титаната висмута и демонстрирует

возможность применения методов адаптивной голографической интерферометрии,

основанной на отражательных голограммах, для определения флексоэлектрических

параметров других фоточувствительных кристаллов.

3. Полученное аналитическое выражение для сигнала линейной фазовой

демодуляции

U l,θS 0

в

адаптивном

голографическом

интерферометре,

использующем

встречное

взаимодействие

на

отражательных

голограммах

в

кубических фоторефрактивных кристаллах класса силленитов среза (100) опорной

волны с круговой поляризацией с линейно поляризованной сигнальной волной,

учитывающее

флексоэлектрический

вклад

в

фоторефрактивный

отклик,

подтвержденное экспериментально для образца Bi12TiO20:Cu,Fe с толщиной d = 2,62

мм, позволяет описать поляризационную характеристику интерферометра с учетом

данного дополнительного вклада.

Научная ценность работы подтверждена присуждением автору в 2012 году

звания победителя Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ

студентов и аспирантов в области технических наук в номинации «Лучшая научно-

исследовательская работа аспирантов».

Практическая значимость

1. Практическая значимость первого защищаемого положения заключается в

доказательстве

возможности

применения

разработанного

адаптивного

голографического

интерферометра,

при

использовании

в

нем

встречного

взаимодействия циркулярно поляризованной стационарной опорной волны с линейно

поляризованной фазово-модулированной сигнальной волной на отражательных

голограммах в образцах титаната висмута среза (100), для измерений в частотном

диапазоне от 300 Гц до 3 кГц на линейном участке амплитудной характеристики

спектра механических колебаний зеркально отражающих объектов с амплитудами от

1 пм до 40 нм.

2. Практическая значимость второго защищаемого положения заключается в

получении количественной оценки значения флексоэлектрического коэффициента

f1111 = 5,3 нКл/м для кристалла Bi12TiO20:Cu,Fe, с применением разработанного

адаптивного голографического интерферометра, при использовании в нем встречного

взаимодействия сигнального пучка, имеющего на входной грани образца фазовую

модуляцию и правую циркулярную поляризацию, со стационарным опорным пучком,

сохраняющим левую циркулярную поляризацию.

3. Практическая значимость третьего защищаемого положения заключается в

определении оптимальной входной ориентации вектора поляризации сигнальной

волны, обеспечивающей максимальный уровень выходного сигнала адаптивного

голографического

интерферометра,

предназначенного

для

измерения

спектра

механических колебаний отражающих объектов.

Внедрение результатов работы и рекомендации по их использованию

Результаты диссертационной работы используются на кафедре Электронных

приборов (ЭП) Томского государственного университета систем управления и

радиоэлектроники (ТУСУР) при проведении плановых и инициативных научно-

8

(

)

исследовательских работ: проект по АВЦП «Развитие научного потенциала высшей

школы

(2009-2010

годы)»,

«Эффекты

нелинейного

пространственного

и

спектрального преобразования световых полей в квазирегулярных дифракционных,

волноводно-оптических и доменных структурах на

основе фотополимерных

материалов, электрооптических и сегнетоэлектрических кристаллов»; ФЦП «Научные

и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2010-2014 годы,

государственный контракт от

22 марта 2010 г. № 02.740.11.0553 «Стабильные

периодические и периодически-поляризованные структуры, фотонные решетки и

сверхрешетки в кристаллах, фотополимерных композициях и оптических волноводах

на их основе»; проект по АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы

(2009-2011 годы)», «Эффекты нелинейного пространственного и спектрального

преобразования световых полей в квазирегулярных дифракционных, волноводно-

оптических и доменных структурах на основе фотополимерных материалов,

электрооптических и сегнетоэлектрических кристаллов»; НИР по Темплану в 2010-

2014 г.г. «Стабильные периодические и периодически-поляризованные структуры,

фотонные решетки и сверхрешетки в кристаллах, фотополимерных композициях и

оптических волноводах на их основе»; РФФИ Проект 12-02-90038-Бел_а «Анализ

закономерностей взаимодействия световых пучков на динамических голограммах в

кубических

фоторефрактивных

кристаллах

и

волноводных

периодически

поляризованных

структурах

на

ниобате

лития

для

обеспечения

высокочувствительных адаптивных интерферометрических измерений» (2012-2013

годы); НИР КНИ-3 по проектной части Госзадания Минобрнауки РФ № 3.878.2014К,

«Нелинейно-оптические и дифракционные явления в слоистых и волноводно-

оптических структурах на основе микроструктурированных сегнетоэлектрических и

полупроводниковых нитридных монокристаллов, пленок и жидкокристаллических

сред» (2014 – 2016 годы).

Разработанный адаптивный голографический интерферометр и созданный на

его основе лабораторный стенд используются в учебном процессе кафедры

Электронных приборов Томского государственного университета систем управления

и радиоэлектроники при проведении лабораторных занятий по учебным курсам

«Оптические методы обработки информации», «Фоторефрактивная нелинейная

оптика и динамическая голография», «Голографические методы в фотонике и

оптоинформатики»

для

подготовки

студентов

направления

«Фотоника

и

оптоинформатика». Акт об использовании диссертационных результатов приведен в

Приложении А к диссертации.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на I и II Всероссийских

конференциях по фотонике и информационной оптике (Москва, 2012 и 2013), XIII

Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах»

(«Волны-2012»)

(Москва,

2012),

VII

Международной

конференции

«Фундаментальные проблемы оптики – 2012» (Санкт-Петербург, 2012), XXVIII

школе-симпозиуме по голографии и когерентной оптике (Нижний Новгород, 2013),

III Конгрессе физиков Беларуси (Минск, 2011), Asia-Pacific Conferences on

“Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics “APCOM” (Москва – Самара,

2011; Далянь, Китай, 2012), Topical Meeting “Photorefractive Materials, Effects, and

Devices. Light in Structured Nonlinear Materials” (Энсенада, Мексика, 2011),

International Conference on Photorefractive Effects, Materials and Devices “PR’13”

9

(Винчестер, Великобритания, 2013), 23rd Congress of the International Commission for

Optics (Сантьяго де Компостела, Испания, 2014).

Экспонат автора «Адаптивный голографический интерферометр для измерения

механических колебаний в широком динамическом диапазоне» представлялся на

региональной выставке научных достижений молодых ученых «СибНова-2012»

(Томск,

2012);

работы

автора

были

отмечены

дипломом

первой

степени

Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в

области физических наук в рамках Всероссийского фестиваля науки 2011 года

(Томск);

грантом

на

исследования

по

теме

диссертации

по

результатам

Всероссийского конкурса докладов "Ползуновские гранты" (Барнаул, 2012).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 24 публикациях, в том

числе, в 4 статьях в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ, 8 публикациях в

сборниках трудов Международных конференций, 10 публикациях в сборниках трудов

Российских научных конференций.

Личный вклад автора работы

В диссертации использованы только те результаты, в получении которых

автору принадлежит определяющая роль. Опубликованные работы написаны в

соавторстве с Шандаровым С.М., Буримовым Н.И., Колеговым А.А., Зуевым П.В. и

другими коллегами. В совместных работах автор принимал участие в теоретическом

анализе, моделировании, расчетах; в создании узлов экспериментальных установок,

сборке экспериментальных установок, проведении экспериментов и интерпретации

результатов.

Постановка

задач

исследований

осуществлялась

научным

руководителем.

Структура, объем и содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка

литературы и Приложения. Полный объем диссертации – 137 страниц, включая 28

рисунков и 4 таблицы. Нумерация формул и таблиц принята по главам. Список

литературы содержит 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются

цель и задачи работы, выносимые на защиту основные научные положения.

Указывается научная новизна и практическая значимость результатов. Приводится

краткая аннотация содержания диссертации по главам.

Первая глава является обзорной и посвящена теоретическому анализу и

экспериментальным исследованиям взаимодействия световых волн в кубических

фоторефрактивных

кристаллах

и

возможности

реализации

на

их

основе

измерительных устройств.

В подразделе 1.1 представлено описание одноуровневой модели зонного

переноса заряда в фоторефрактивных кристаллах, рассмотрен диффузионный

механизм записи фоторефрактивной голограммы в приближении малых контрастов

интерференционной картины и механизмы модуляции оптических свойств среды

полем

пространственного

заряда

такой

голограммы.

Уделено

внимание

формированию

абсорбционных

решеток,

связанных

с

фотоиндуцированным

поглощением света и особенностям тензорного описания диэлектрических свойств

кубических фоторефрактивных кристаллов, в том числе и обладающих гиротропией.

В подразделе 1.2 представлены сведения по двухволновому взаимодействию

световых волн в кубических фоторефрактивных кристаллах: дана классификация

10

схем взаимодействия, описаны принципы голографической интерферометрии при

встречном

двухволновом

взаимодействии

на

отражательных

динамических

голограммах, рассмотрены результаты работ по такому взаимодействию в кристаллах

силленитов при фазовой модуляции сигнального пучка. Отмечено, что при круговой

поляризации стационарной опорной волны оптимальным для реализации линейного

режима фазовой модуляции является задание некоторой линейной входной

поляризации сигнального пучка.

Подраздел 1.3 посвящен обзору работ по адаптивным голографическим

интерферометрам на основе отражательных голограмм в фоторефрактивных

кристаллах. В п. 1.3.1 рассмотрены оптические схемы таких интерферометров и

результаты их применения для динамической интерферометрии объекта в реальном

масштабе

времени;

для

визуализации

стоячих

акустических

волн,

распространяющихся в прозрачных средах; для измерения сил Казимира между двумя

близко расположенными в вакууме металлическими пленками. В п. 1.3.2.

рассмотрены схемы и характеристики интерферометров, использующих встречное

взаимодействие на отражательных голограммах в кубических фоторефрактивных

кристаллах CdTe:V и Bi12TiO20:Fe,Cu среза (100) и предназначенных для измерения

характеристик механических колебаний; приведены экспериментальные данные и

аналитическое выражение для амплитудной характеристики интерферометра с

гиротропным кристаллом титаната висмута из работ [2, 6]. Здесь отмечено, что в

данном выражении не были учтены фликкер-шумы фотоприемника, а операция

усреднения была применена только к шумовому напряжению, в то время как

необходимо усреднять сумму напряжений сигнала и шума, выделяемую на

сопротивлении нагрузки фотодиода. Приведена также минимальная амплитуда

колебаний зеркально отражающей поверхности, которую удалось экспериментально

зафиксировать

авторам

[2,

6],

составляющая

5

пм

при

использовании

в

интерферометре лазера с длиной волны 532 нм.

В подразделе 1.4 данной главы на основе проведенного в ней анализа

сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена выбору и оптимизации элементов адаптивного

голографического интерферометра, основанного на встречном взаимодействии

световых волн на отражательных динамических голограммах в кубических

фоторефрактивных кристаллах титаната висмута среза (100).

В

подразделе

2.1

дано

описание

конструктивных

особенностей

разрабатываемого адаптивного голографического интерферометра со схемой (рис. 1),

модифицированной относительно использованной ранее А.А. Колеговым [2]. Она

дополнена четвертьволновой пластиной 6 в сигнальном плече, позволяющей задавать

оптимальную поляризацию сигнального пучка без значительного изменения его

интенсивности с помощью поляризатора 7. Конструктивно основные оптические

элементы исследуемого адаптивного голографического интерферометра 2-9 (рис. 1),

были смонтированы на дюралюминиевой пластине с толщиной 8 мм и поперечными

размерами 190×160 мм2.

В подразделе 2.2 представлено описание основных элементов интерферометра

и результаты исследования их характеристик. Для используемых He-Ne лазеров ЛГН-

214 и JDSU-1146AP в п. 2.2.1 изучено распределение интенсивности по сечению

выходного пучка; исследованы частотные зависимости создаваемого ими шумового

напряжения (рис. 2), регистрируемого селективным вольтметра Unipan 237 при

селективности 40 дБ на сопротивлении нагрузки фотодиода ФД-256; для ЛГН-214 с

11

Рис.1. Схема адаптивного голографического интерферометра, основанного на

отражательных голограммах в фоторефрактивном кристалле

1 – лазер; 2 – оптический делитель; 3 – неподвижное зеркало; 4 – светофильтр; 5 –

колеблющееся зеркало; 6, 8 – составные четвертьволновые пластины; 7 – поляризатор; 9 –

фоторефрактивный кристалл Bi12TiO20 среза (100); 10 – собирающая линза; 11 –

фотодиодный приемник; 12 – селективный вольтметр, 13 – вольтметр, 14 – низкочастотный

генератор

Рис. 2. Зависимость шумового напряжения, регистрируемого на нагрузке фотодиода

ФД-256 от частоты, измеренные при использовании лазера JDSU-1146AP (круги) и лазера

ЛГН-214 (точки) селективным вольтметром Unipan 237 при селективности 40 дБ

минимальным уровнем шумов проведена аппроксимация экспериментальных данных

функцией, учитывающей фликкер-шумы фотодиода и частотную зависимость

спектральной плотности шумов лазера. В п. 2.2.2 экспериментально измерены

амплитудно-частотные характеристики селективного нановольтметра Unipan 237 для

избирательности 40 и 25 дБ и проведена их аппроксимация известной резонансной

кривой с добротностью контура Q = 68,2 и Q = 13,3, соответственно; в п. 2.2.3

12

Токовая монохроматическая

чувствительность, Sph, А/Вт

Напряжение смещения UP,

B

Нагрузочное

сопротивление, RHmax, кОм

Максимально допустимая

мощность падающего

излучения, PSmax, мВт

0,4

0,201

0,217

0,301

12

12

10

10

10

10

12

8,8

43

43

39

43

43

43

3,4

0,69

1,2

1,2

1,1

0,77

0,92

описаны

характеристики

трех

используемых

далее

в

голографическом

интерферометре образцов титаната висмута.

Описанию конструктивного исполнения, электрической схемы включения (рис.

3) и результатов экспериментального исследования характеристик фотоприемных

устройств на основе кремниевых фотодиодов ФД-24К, ФД-265, ФД-256 и BPW-34S

посвящен п. 2.2.4. Здесь представлены результаты измерения их токовой

монохроматической чувствительности (табл. 1) и фликкер-шумов, приведены

паспортные данные по темновому току IT. На основании проведенных исследований

установлено, что в качестве приемного элемента для фотоприемника можно

использовать любой из исследуемых диодов, так как их параметры незначительно

отличаются друг от друга.

Рис. 3. Схема фотоприемника, используемого в голографическом интерферометре

Таблица 1. Значения токовой монохроматической чувствительности применяемых в

фотоприемнике фотодиодов для λ = 633 нм и максимально допустимой мощности входного

излучения для работы в линейном режиме фотодетектирования

Фотодиод

ФД-24К

ФД-256

ФД-265

BPW-34S

Параметр

Дальнейшие

исследования характеристик

адаптивного голографического

интерферометра и его приложений проводились с приемниками излучения на базе

фотодиодов ФД-24К, ФД-256 и ФД-265. Для наиболее подробно изученного

фотодиода ФД-256 были определены все параметры, характеризующие как уровень

его фликкер-шумов, так и их частотную зависимость.

В п. 2.2.5 представлены результаты разработки конструкции составной

четвертьволновой пластины, выполненной автором совместно с Н.И. Буримовым.

Она позволяла реализовать в дальнейших исследованиях и измерительных

приложениях разрабатываемого адаптивного голографического интерферометра

излучение с круговой поляризацией с эллиптичностью b/a, превышающей 0,97.

Конструкция,

технология

изготовления

и

характеристики

узла,

преобразующего механические колебания зеркала в фазовую модуляцию сигнального

пучка, рассмотрены в п. 2.2.6. Применение в нем пьезокерамического цилиндра

13

амплитудных

характеристик

интерферометра.

разработанного

адаптивного

голографического

обеспечивало в экспериментах изменение амплитуды l механических колебаний от

0,1 пм до 220 нм с изменением амплитуды управляющего электрического сигнала от

1 мВ до 220 В на частотах от 13 Гц до 7,15 кГц, при пренебрежимо малом поперечном

сдвиге отраженного сигнального пучка.

В третьей главе представлены результаты исследования частотных и

Изучению

частотной

характеристики

интерферометра,

использующее

встречное взаимодействие опорной волны с круговой поляризацией с линейно

поляризованной сигнальной волной в образце Bi12TiO20: Cu,Fe среза (100) с толщиной

1,15 мм посвящен подраздел 3.1. В проведенных на частотах от 13 Гц до 7,15 кГц

экспериментах определялись зависимости постоянной составляющей и амплитуды

первой гармоники выходного напряжения на сопротивлении нагрузки фотоприемника

от амплитуды l измеряемых механических колебаний (рис. 4), из которых

рассчитывались

усредненные

значения

коэффициентов

связи

ΓI f ,

характеризующих как встречное двухпучковое взаимодействие, так линейный режим

фазовой

демодуляции.

Получено,

что

в

пределах

точности

эксперимента

Рис. 4. Зависимость модуля относительной амплитуды нулевой и первой гармоник

выходного сигнала интерферометра от амплитуды колебаний зеркала при частоте модуляции

5150 Гц

Рис. 5 – Частотная зависимость средних значений коэффициента связи ГI

демодуляционную характеристику интерферометра в диапазоне частот от 13 до 7150

Гц можно полагать частотно-независимой, а коэффициент связи, зависимость

14

( )

2

2

2

(1)

H

H

ph

(0)

2

(0)

ph

RH

ph

(0)

ν

(S PS M (l)η )

ph

LN

1 2

+ 4kBTRH ]}

где PS – выходная мощность сигнального светового пучка в отсутствие фазовой

модуляции (при l = 0); e – элементарный электрический заряд; ∆f – полоса

пропускания селективного вольтметра; M(n)(l) – относительные амплитуды нулевой

(n=0) и первой (n=1) гармоник в спектре модуляции интенсивности выходного

сигнального

пучка;

B

и

ν

параметры,

характеризующие

фликер-шумы

фотоприемника; ηLN = 1,65⋅10-5

– коэффициент, связывающий избыточные шумы

используемого лазера ЛГН-214 со средней мощностью выходного сигнального пучка,

найденный в п. 2.2.1 из аппроксимации экспериментальных данных; kB – постоянная

Больцмана и T – абсолютная температура.

В

п.

3.2.2

приводятся

результаты

экспериментального

исследования

амплитудных характеристик для интерферометра, в котором используется лазер ЛГН-

214 с малыми избыточными шумами. Эксперименты проводились при использовании

в интерферометре образцов Bi12TiO20:Cu,Fe с толщиной d = 2,62 мм или Bi12TiO20 с

просветленными гранями и толщиной d = 1,8 мм; фотодиодов ФД-24К с

сопротивлениями нагрузки 8,8 кОм или 43 кОм, или ФД-265 с сопротивлением

нагрузки 43 кОм; при значениях избирательности селективного вольтметра 25 дБ или

40 дБ, для частот измеряемых колебаний 300 Гц, 1150 Гц и 3 кГц. Проведенное здесь

сравнение

экспериментальных

данных

с

амплитудными

характеристиками,

рассчитанными из аналитического выражения (1), иллюстрируемое рис. 6, показало

их хорошее соответствие друг другу. В результате получено, что при избирательности

селективного вольтметра 40 дБ разработанный адаптивный голографический

интерферометр

позволяет

измерять

на

линейном

участке

характеристики

механические колебания с амплитудой от 0,001 до 40 нм.

Проведенный далее в п. 3.2.2 анализ шумов, ограничивающих предельную

чувствительность исследованного интерферометра, показал, что дробовые шумы, при

используемых в данном интерферометре кремниевых фотоприемниках, образцах

фоторефрактивных кристаллов титаната висмута и селективном вольтметре с

15

которого от частоты измеряемых колебаний представлена на рис. 5, имеет значение ГI

= 3,48 см-1.

В

подразделе

3.2

представлены

результаты

детального

исследования

амплитудных

характеристик

адаптивного

голографического

интерферометра,

использующего встречное взаимодействие стационарной опорной волны с правой

круговой поляризацией с линейно поляризованной сигнальной волной в кристаллах

силленитов среза (100). В п. 3.2.1 с применением операции усреднения к квадрату к

квадрату суммы напряжений сигнала U l

и шума UH l

получено следующее

аналитическое выражение для амплитудной характеристики такого интерферометра,

принимающего во внимание как дробовые и тепловые шумы фотоприемного

устройства, так и частотно-зависимые фликкер-шумы фотодиода и избыточные шумы

лазера:

U (l)+U (l) = U (l)+ U (l) ={[RH S PS M (l)] +

2

+ ∆f

2e(S PS M (l)+ IT )+ B(S PS M (l)+ IT ) +

+

(1)

f

( )

( )

избирательностью 40 дБ, будут превосходить избыточные шумы, характерные для

лазерного источника излучения ЛГН-214, на частотах выше 30 кГц.

0.1

Рис. 6. Экспериментальная (символы) и расчетная (сплошная линия) зависимости

амплитуды выходного напряжения голографического интерферометра, использующего

встречное взаимодействие в кристалле Bi12TiO20 среза (100) и фотодиод ФД-24К, от

амплитуды колебаний зеркально отражающего объекта. Частота модуляции f = 300 Гц (1, 4)

и 3 кГц (2, 3); сопротивление нагрузки фотодиода RH= 8,8 (1-3) и 43 (4) кОм; селективность

нановольтметра 40 (1, 2, 4) и 25 (3) дБ

В четвертой главе представлены результаты применения разработанного

адаптивного

голографического

интерферометра,

использующего

встречное

двухпучковое взаимодействие на отражательных голограммах, для обнаружения

вклада обратного флексоэлектрического эффекта в фоторефрактивный отклик в

объемном монокристаллическом образце титаната висмута среза (100) и по

измерению значений флексоэлектрического коэффициента f1111 для исследованного

образца.

В

подразделе

4.1

представлены

соотношения,

описывающие

флексоэлектрический

вклад

в

возмущения

оптических

свойств

кубического

фоторефрактивного кристалла динамической голограммой, формирующейся за счет

диффузионного механизма перераспределения зарядов. Отмечено, что в образцах

среза

(100)

такая

голограмма

отражательного

типа

вследствие

обратного

флексоэлектрического эффекта сопровождается упругими деформациями, которые

благодаря фотоупругому эффекту вызывают возмущения только диагональных

компонент тензора диэлектрической проницаемости кристаллов симметрии 23 на

частоте световой волны.

В подразделе 4.2 рассмотрен эффект фазовой демодуляции в голографическом

интерферометре, использующем встречное двухпучковое взаимодействие волн с

циркулярной поляризацией противоположных знаков в кристаллах силленитов среза

(100), с учетом соотношений для флексоэлектрического вклада, представленных в

подразделе 4.1. С использованием метода медленно меняющихся амплитуд здесь

16

10

100

0.01

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

1

4

3

2

10-4

10-3

0.01

0.1

1

Амплитуда колебаний l (нм).

Γil 2

Γ2 + Γ2 +16ρ2 + 8ρΓ

Γa

2

(2)

(3)

cos Γ

f

d

f

2

,



 

d + 2ρd

1+ exp

(ad - 2exp -

)

f

a

f

получены следующие аналитические выражения для относительных амплитуд

модуляции интенсивности выходного сигнального пучка, имеющего на входной

грани кристалла фазовую модуляцию и правую циркулярную поляризацию, на

нулевой, первой и второй гармониках модулирующего сигнала, при встречном

взаимодействии

со

стационарным

опорным

пучком,

сохраняющим

левую

циркулярную поляризацию:

(0)

2

M

(-dm) = 1+ J0 ϕm exp

( )

(ad -1+

{

)

sin  Γ

d

2

Γa

2

Γa

(1)

M (-dm) = -4J0 ϕm J1 ϕm exp -

( ) ( )

( ) ( )

d ,

M

(-dm) = 4J0 ϕm J2 ϕm

exp -

d

cos Γ

d  -1,

(4)

(2)

f

2

2

где ρ – удельное оптическое вращение кристалла; Jn – функция Бесселя n-го порядка;

Γa

– коэффициент связи, описывающий вклад во встречное взаимодействие

абсорбционной составляющей голограммы. Коэффициенты связи

Γil

и

Γ,

характеризующие соответственно вклад в фоторефрактивный отклик, обусловленный

линейным электрооптическим эффектом при левой циркулярной поляризации волны

накачки, и флексоэлектрическим эффектом, определяются выражениями

(

) ESC,

(5)

Γil =

n0 r41 + K

λ

2C11

Γ =

n0

E ( p13 + p12)KESC,

(6)

λ

C11

где n0

- показатель преломления для невозмущенного кристалла; K = 2π/Λ, Λ –

пространственный период и ESC – эффективное поле пространственного заряда

отражательной голограммы;

r41

компонента электрооптического тензора

механически зажатого кристалла; C11

– компонента тензора модулей упругости и

p12,

p13

компоненты тензора упругооптических постоянных для электрически

закороченного

кристалла;

f1111

компонента

тензора

флексоэлектрических

коэффициентов кристалла.

Как следует из соотношений (3) и (6), сигнал фазовой демодуляции на частоте

первой гармоники в разработанном адаптивном голографическом интерферометре,

конструкция и элементы которого были рассмотрены в главе 2, при использовании

взаимодействия волн циркулярной поляризации с противоположными знаками

вращения в монокристаллах силленитов среза (100) определяется исключительно

вкладом

в

фоторефрактивный

отклик

обратного

флексоэлектрического

и

фотоупругого эффектов.

Описанию экспериментов по обнаружению флексоэлектрического вклада в

фоторефрактивный

отклик

в

монокристалле

Bi12TiO20:Cu,Fe

среза

(100)

с

использованием разработанного адаптивного голографического интерферометра

посвящен подраздел 4.3. Измеренные зависимости постоянной составляющей и

17

f

E

E

f1111 p13 - p12

3

S

E

f1111

E

E

f

3

S

E

E

E

относительных амплитуд первой и второй гармоник частоты модуляции в спектре

интенсивности выходного сигнального пучка от амплитуды колебаний зеркала (рис.

7) аппроксимировались кривыми, рассчитанными по выведенным в подразделе 4.2

аналитическим выражениям (2)-(4). В результате такой подгонки расчетных

зависимостей

под

экспериментальные

данные

были

определены

значения

коэффициентов связи Гil = 4,14 см–1, Гa = –0,18 см–1, и Гf = 0,56 см–1, характеризующих

вклад во встречное взаимодействие традиционного электрооптического эффекта,

абсорбционной компоненты голограммы и его флексоэлектрической составляющей,

соответственно.

Рис. 7. Зависимости постоянной составляющей (а) и относительных амплитуд первой (б) и

второй (в) гармоник в спектре интенсивности выходного сигнала от амплитуды колебаний

зеркала

Наблюдаемый экспериментально уровень амплитуды первой гармоники в

спектре модуляции интенсивности выходного сигнального пучка, достигающей в

максимуме

значений

|M(1)|0,1,

позволил

сделать

вывод

о

наличии

флексоэлектрического вклада в фоторефрактивный отклик, обнаруженного с

применением разработанного адаптивного голографического интерферометра, при

использовании в нем встречного взаимодействия опорной и сигнальной волн с

циркулярной поляризацией противоположных знаков.

Расчету значения флексоэлектрического коэффициента f1111 кристалла титаната

висмута Bi12TiO20:Cu,Fe среза (100) из экспериментальных данных, полученных в

подразделе 4.3, посвящен подраздел 4.4. Здесь изложена методика расчета

эффективного

поля

пространственного

заряда

отражательной

голограммы

диффузионного типа, найденного как

ESC ≈ 5,1⋅105, и флексоэлектрического

коэффициента, значение которого оценено как

f1111= 5,3 нКл/м. Получено, что

амплитуду поля пространственного заряда для исследованной отражательной

голограммы и его градиент в кристалле Bi12TiO20:Cu,Fe среза (100) можно оценить

как m(0)ESC ≈ 2,3 кВ/см и m(0)KESC ≈ 12 ТВ/м2 соответственно, где m(0) - контраст

стационарной части картины интерференции взаимодействующих на отражательной

голограмме опорной и сигнальной волн.

Влияние флексоэлектрического эффекта на сигнал фазовой демодуляции в

адаптивном интерферометре, использующем сигнальную волну с входной линейной

поляризацией, взаимодействующей с циркулярно поляризованной опорной волной на

отражательных голограммах в кристаллах силленитов среза (100), рассмотрено в

подразделе 4.5. Здесь приведено аналитическое выражение для глубины модуляции

интенсивности на первой гармонике, учитывающее флексоэлектрический вклад, и

представлены результаты проведенных экспериментов по измерению зависимости

модуля амплитуды выходного напряжения на первой гармонике выходного сигнала

18

разработанного адаптивного голографического интерферометра от угла θS 0

между

вектором поляризации сигнальной волны и кристаллографическим направлением

[010] на входной грани кристалла (рис. 8).

Рис. 8. Поляризационная зависимость амплитуды выходного напряжения на первой

гармонике выходного сигнала адаптивного голографического интерферометра

Как следует из рис. 8, флексоэлектрический вклад приводит к увеличению

максимального уровня выходного сигнала интерферометра, наблюдаемого для

входного поляризационного угла, удовлетворяющего условию θS 0 = ρd / 2 - / 2,

где d – толщина кристалла, при p = 0, ±2, ± 4,..., но уменьшает его уровень, если

число p в данном условии является нечетным, p = ±1, ±3, ± 5,...

В заключении сформированы основные результаты диссертационной работы:

1.

Оптимизирована

конструкция

адаптивного

голографического

интерферометра, основной блок которого был смонтирован на дюралюминиевой

пластине с поперечными размерами 190×160 мм2, что позволило существенно

уменьшить

зависимость

выходного

сигнала

интерферометра

от

внешних

механических воздействий, таких как вибрации.

2. Проведены сравнительные экспериментальные исследования частотных

зависимостей шумовых флуктуаций интенсивности для используемых в адаптивном

интерферометре лазерных излучателей JDSU-1146AP и ЛГН-214. Установлено, что

для лазера ЛГН-214 уровень дополнительных шумов в диапазоне частот от 1200 до

5000 Гц меньше, чем для модели JDSU-1146AP; найдена аппроксимирующая функция

для частотной зависимости шумов лазера ЛГН-214 и определены ее параметры.

3. Разработана конструкция фотодиодного приемника оптического излучения,

минимизирующая внешние электромагнитные помехи. Измерены значения токовой

монохроматической чувствительности кремниевых фотодиодов ФД-24К, ФД 256, ФД

265 и BPW-34S для используемого фотодиодного режима работы на длине волны 633

нм и их шумовые характеристики. Установлено, что на частоте модуляции

интенсивности 300 Гц все исследованные фотодиоды характеризуются близким

уровнем фликкер-шумов. Для фотодиодов ФД-256 определена форма частотной

зависимости фликкер-шумов в диапазоне частот от 50 Гц до 5 кГц и найдены

характеризующие ее параметры.

19

4. Экспериментально показано, что при использовании в адаптивном

интерферометре

встречного

взаимодействия

циркулярно

поляризованной

стационарной опорной волны с линейно поляризованной фазово-модулированной

сигнальной волной (λ = 633 нм) на отражательных голограммах в образце Bi12TiO20:

Cu, Fe среза (100) с толщиной d = 1,15 мм коэффициент связи не зависит от частоты в

диапазоне от 13 до 7150 Гц и имеет значение ГI = 3,48 см-1. Это позволяет

использовать разработанный адаптивный голографический интерферометр для

измерения амплитуд механических колебаний зеркально отражающих объектов в

данном частотном диапазоне в линейном режиме фазовой демодуляции.

5. Получено аналитическое выражение для амплитудной характеристики

адаптивного голографического интерферометра, регистрирующего в линейном

режиме

фазовой

демодуляции

напряжение

на

сопротивлении

нагрузки

фотоприемника на частоте первой гармоники модулирующего сигнала, которое

учитывает,

наряду

с

дробовыми

и

тепловыми

шумами,

фликкер-шумы

фотоприемника и избыточные шумы лазера ЛГН-214, а также зависимость

постоянной

составляющей

интенсивности

выходного

сигнального

пучка

от

амплитуды измеряемых колебаний.

6. Проведены экспериментальные исследования амплитудной характеристики

адаптивного голографического интерферометра при использовании в нем встречного

взаимодействия циркулярно поляризованной стационарной опорной волны с линейно

поляризованной фазово-модулированной сигнальной волной (λ = 633 нм) на

отражательных голограммах в двух образцах среза (100): Bi12TiO20: Cu, Fe (d = 2,62

мм) и Bi12TiO20 с просветленными гранями (d = 1,8 мм). Установлено, что полученное

аналитическое выражение для амплитудной характеристики хорошо согласуется с

экспериментальными

данными

при

использовании

характеристик

элементов

исследуемого интерферометра, определенных в главе 2. Продемонстрировано, что

при избирательности селективного вольтметра 40 дБ разработанный адаптивный

голографический

интерферометр

позволяет

измерять

на

линейном

участке

характеристики механические колебания с амплитудой от 0,001 до 40 нм.

7. Проведен анализ шумов, ограничивающих предельную чувствительность

исследуемого интерферометра, который показал:

- на частотах механических колебаний до 1000 Гц основной вклад в них

обусловлен фликер-шумами фотоприемника;

- в частотном диапазоне от 1200 до 3000 Гц преобладающими являются

избыточные шумы лазера;

- дробовые шумы при используемых в данном интерферометре кремниевых

фотоприемниках, образцах фоторефрактивных кристаллов титаната висмута и

селективном вольтметре с избирательностью 40 дБ будут превосходить избыточные

шумы, характерные для лазерного источника излучения ЛГН-214, на частотах выше

30 кГц.

8.

Получены

аналитические

выражения

для

относительных

амплитуд

модуляции интенсивности выходного сигнального пучка, имеющего на входной

грани кристалла симметрии 23 фазовую модуляцию и правую циркулярную

поляризацию, на нулевой, первой и второй гармониках модулирующего сигнала, при

встречном взаимодействии со стационарным опорным пучком, сохраняющим левую

циркулярную поляризацию. Показано, что сигнал фазовой демодуляции на частоте

первой гармоники в разработанном адаптивном голографическом интерферометре

при

использовании

взаимодействия

волн

циркулярной

поляризации

с

20

(

)

противоположными знаками вращения в монокристаллах силленитов среза (100)

определяется исключительно вкладом в фоторефрактивный отклик обратного

флексоэлектрического и фотоупругого эффектов.

9.

С

использованием

разработанного

адаптивного

голографического

интерферометра

проведены

экспериментальные

исследования

зависимостей

относительных амплитуд модуляции интенсивности на нулевой, первой и второй

гармониках для выходного сигнального пучка, имеющего на входной грани кристалла

Bi12TiO20:Cu,Fe среза (100) с толщиной d = 2,62 мм правую круговую поляризацию и

взаимодействующего на отражательной голограмме с опорным пучком с левой

круговой поляризацией, от амплитуды колебаний зеркала, реализующего фазовую

модуляцию

входного

сигнального

пучка

на

частоте

Ω.

Получено,

что

экспериментальная

зависимость

выходного

сигнала

фазовой

демодуляции

интерферометра на частоте первой гармоники Ω от амплитуды механических

колебаний хорошо согласуется с предсказываемой полученным аналитическим

выражением, описывающим вклад в этот сигнал, обусловленный исключительно

обратным флексоэлектрическим эффектом и фотоупругостью. Подгонка расчётных

зависимостей для относительных амплитуд модуляции интенсивности выходного

сигнального пучка на нулевой и первой гармониках под экспериментальные данные

позволила оценить величину флексоэлектрического коэффициента монокристалла

Bi12TiO20:Cu,Fe как f1111= 5,3 нКл/м.

10. Получено аналитическое выражение для сигнала линейной фазовой

демодуляции

U l,θS 0

в

адаптивном

голографическом

интерферометре,

использующем

встречное

взаимодействие

на

отражательных

голограммах

в

кубических фоторефрактивных кристаллах класса силленитов среза (100) опорной

волны с круговой поляризацией с линейно поляризованной сигнальной волной,

учитывающее флексоэлектрический вклад в фоторефрактивный отклик.

11. Экспериментально исследована поляризационная зависимость сигнала

линейной

фазовой

демодуляции

U θS 0

разработанного

адаптивного

голографического интерферометра для встречного взаимодействия опорной световой

волны с левой круговой поляризацией с линейно поляризованной сигнальной волной

в кристалле Bi12TiO20:Cu,Fe среза (100) с толщиной d = 2,62 мм, при амплитуде

механических колебаний зеркала l = 5 нм. Получено, что флексоэлектрический вклад

приводит к увеличению максимального уровня выходного сигнала, наблюдаемого для

входного поляризационного угла, удовлетворяющего условию θS 0 = ρd / 2 - / 2,

при p = 0, ±2, ± 4,..., но уменьшает его уровень, если число p в данном условии

является нечетным, p = ±1, ±3, ± 5,....

В приложении содержатся документы об использовании материалов

диссертации.

Список цитируемой литературы

1. Адаптивные методы обработки спекл-модулированных оптических полей /

Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.А. Камшилин, Р.В. Ромашко. М.: Физматлит, 2009. –

276 с.

2. Колегов, А.А. Отражательные динамические голограммы в кристаллах

силленитов для адаптивных голографических интерферометров: дис. … канд. техн.

наук: 01.04.05 / Колегов Алексей Анатольевич. ТУСУР. – Т., 2010. – 161 с.

21

(

)

3. Experimental studies of the converse flexoelectric effect induced by

inhomogeneous electric field in a barium strontium titanate composition / J. Y. Fu, W. Zhu,

N. Li, L.E. Cross // Journal of Applied Physics. – 2006. – Vol. 2, № 100. – p. 024109.

4. Flexure mode flexoelectric piezoelectric composites / B. Chu, W. Zhu, N. Li, L.E.

Cross // Journal of Applied Physics – 2009. – Vol. 10. – №106. – p. 104109.

5. Two-wave mixing on reflection dynamic gratings in sillenite crystals under phase

modulation of signal beam / S.M. Shandarov, A.A. Kolegov, N.I. Burimov, et al. // Physics

of Wave Phenomena. – 2009. – Vol. 17. – № 1. – P. 39-44.

6. Колегов, А.А. Амплитудная характеристика адаптивного голографического

интерферометра / А.А. Колегов, С.М. Шандаров, Ю.Ф. Каргин // Доклады ТУСУРа, –

2010. – Т.22. – № 2. – Ч. 2. – С. 66-69.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи

в

научных

журналах,

которые

включены

в

Перечень

рецензируемых

научных

изданий,

рекомендованных Высшей

аттестационной

комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для

опубликования основных научных результатов диссертаций, и в международные

базы данных цитирования Web of Science или Scopus:

1. Адаптивная интерферометрия, использующая динамические отражательные

голограммы в кубических фоторефрактивных кристаллах / А.А. Колегов, С.М.

Шандаров, С.С. Шмаков и др. // Квантовая электроника, 2011. – Т. 41. – №9. – С.

847-852;

Переводная версия

Adaptive interferometry based on dynamic reflective holograms in cubic

photorefractive crystals / A.A. Kolegov, S.M. Shandarov, G.V. Simonova, L.A. Kabanova,

N.I. Burimov, S.S. Shmakov, V.I. Bykov, Yu.F. Kargin // Quantum Electronics. – 2011. –

V. 41. – Issue 9. – P. 847–852.

2.

Обнаружение

вклада

обратного

флексоэлектрического

эффекта

в

фоторефрактивный отклик в монокристалле титаната висмута / С.М. Шандаров, С.С.

Шмаков, Н.И. Буримов и др.// Письма в ЖЭТФ. – 2012. – Т. 95. – № 11. – с. 699-702;

Переводная версия

Detection of the contribution of the inverse flexoelectric effect to the photorefractive

response in a bismuth titanium oxide single crystal / S.M. Shandarov, S.S. Shmakov, N.I.

Burimov et al. // JETP Letters. – 2012. – Vol. 95. – No. 12. – P. 618-621.

3. Вклад обратного флексоэлектрического эффекта в фоторефрактивный отклик

в титанате висмута / С.М. Шандаров, Н.И. Буримов, С.С. Шмаков и др. // Известия

Российской Академии наук. Серия физическая. – 2012. – Т. 76. – № 12. – С. 1452-

1455;

Переводная версия

Contribution from the inverse flexoelectric effect to the photorefractive response in a

bismuth titanium oxide / S.M. Shandarov, N.I. Burimov, S.S. Shmakov and et. al. //

Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2012. – Vol. 76. – № 12. – P.1297-

1300.

4. Вклад обратного флексоэлектрического эффекта во встречное двухволновое

взаимодействие световых пучков в фоторефрактивных кристаллах / С.М. Шандаров,

С.С. Шмаков, П.В. Зуев и др. // Оптический журнал. – 2013. – Т. 80. – № 7. – С. 5-12;

Переводная версия

22

Contribution of the inverse flexoelectric effect to counterpropagating two-wave

mixing of light beams in photorefractive crystals / S.M. Shandarov, S.S. Shmakov, P.V.

Zuev // Journal of Optical Technology. – 2013. – Vol. 80. – № 7. – P. 409-414.

Публикации в других научных изданиях:

5. Котин, А.С. Исследование характеристик голографического интерферометра

/ А.С. Котин, С.С. Шмаков // Материалы докладов Всероссийской научно-

технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия

ТУСУР-2011». – Томск: В-Спектр, 2011. – Ч. 1. – с. 271-274.

6.

Исследование

амплитудных

характеристик

голографического

интерферометра / С.С. Шмаков, А.С. Котин, С.М. Шандаров, Н.И. Буримов //

Измерение, автоматизация и моделирование в промышленности и научных

исследованиях: межвузовский сборник – Бийск: изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2011. –

№1. – с. 198 – 200.

7.

Шмаков,

С.С.

Исследование

характеристик

голографического

интерферометра / С.С. Шмаков, А.С. Котин // Сборник тезисов лауреатов

всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в

области физических наук в рамках всероссийского фестиваля науки. – Томск: из-во

ТПУ, 2011. С. 105 – 107

8. Адаптивная интерферометрия с использованием отражательных голограмм в

кубических гиротропных фоторефрактивных кристаллах / С.М. Шандаров, С.С.

Шмаков, Н.И. Буримов и др. // Сборник тезисов III конгресса физиков Беларуси.

International Conference «Spins & Photonic Beams at Interface» (SPBI’2011). Минск –

2011, с. 11

9.

Исследование

амплитудных

характеристик

голографического

интерферометра / С.С. Шмаков, А.С. Котин, С.М. Шандаров, Н.И. Буримов // Южно-

сибирский научный вестник. – 2012. – №1. – С. 198-200.

10. Amplitude characteristic for adaptive interferometer utilizing dynamics reflection

holograms in sillenite crystals / Stanislav M..Shandarov, Sergei S. Shmakov, Nikolai I.

Burimov et al. // In Proc. Topical Meeting Photorefractive Materials, Effects, and Devices.

Light in Structured Nonlinear Materials. Ensenada, Mexico, 2011. P-T7-1-T7-2.

11. Amplitude characteristic for adaptive interferometer utilizing dynamics reflection

holograms in sillenite crystals / S. Shandarov, V. Bykov, N. Burimov, S. Shmakov et al. //

Materials of Asia-Pacific Conferences on “Fundamental Problems of Opto- and

Microelectronics (APCOM)” 2011. Moscow-Samara, CD, OH-6.

12. Частотная характеристика голографического интерферометра / Р.С. Ким,

Л.А. Кабанова, А.А. Колегов, С.С. Шмаков // Материалы докладов Всероссийской

научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых

«Научная сессия ТУСУР-2010». – Томск, 2010. – Ч. 1. – С. 305-308.

13.

Поляризационные

зависимости

выходного

сигнала

в

адаптивном

голографическом интерферометре, использующем отражательные голограммы в

кристалле титаната висмута / С.С. Шмаков, С.М. Шандаров, Н.И. Буримов, Ю.Ф.

Каргин // Сборник научных трудов всероссийской конференции по фотонике и

информационной оптике. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – С.66-67

14. Сюваева, О.С. Фазовая демодуляция при двухволновом взаимодействии на

отражательных голограммах в кристаллах класса силленитов / О.С. Сюваева, С.С.

Шмаков // Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов,

23

аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2012», посвященной 50-

летию ТУСУРа. – Т.: В-Спектр, 2012, ч. 2., С.49-52.

15.

Шмаков,

С.С.

Поляризационные

зависимости

сигнала

фазовой

демодуляции в голографическом интерферометре на кристалле титаната висмута /

С.С. Шмаков, О.С. Сюваева // Материалы 50-й юбилейной международной научной

студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», физика

твёрдого тела и электроника. – Н.: НГУ, 2012. – с. 77

16. Шмаков, С.С. Фазовая демодуляция при двухволновом взаимодействии на

отражательных голограммах в кристаллах класса силленитов / С.С. Шмаков, О.С.

Сюваева, С.М. Шандаров // Сборник материалов XIII Российской научной

студенческой конференции. – Т: ТГУ, 2012, С. 223 – 225.

17. Вклад обратного флексоэлектрического эффекта в фоторефрактивный

отклик в титанате висмута / П.В. Зуев, С.С. Шмаков, С.М. Шандаров и др. // Сборник

трудов 13-й Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных

средах». – СПб., 2012. – С.17-19.

18.

Вклад

обратного

флексоэлектрического

эффекта

во

встречное

взаимодействие световых пучков в фоторефрактивных кристаллах / С.М. Шандаров,

С.С. Шмаков, П.В. Зуев и др. // Сборник трудов Международной конференции

«Фундаментальные проблемы оптики-2012». – СПб., 2012. – С. 550-554

19. Анализ влияния вклада обратного флексоэлектрического эффекта на

выходные характеристики адаптивного голографического интерферометра / С.С.

Шмаков, О.С. Сюваева, С.М. Шандаров и др. // Южно-сибирский научный вестник. –

2012. – №2. – С.206-209

20.

Исследование

обратного

флексоэлектрического

эффекта

в

фоторефрактивных

кристаллах

методом

адаптивной

голографической

интерферометрии / С.С. Шмаков, П.В. Зуев, В.И. Быков и др. // Сборник научных

трудов всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. – М.:

НИЯУ МИФИ, 2013. – С.136-137

21. Dynamic Denisyuk holograms in photorefractive crystals: fundamental physical

properties and applications for adaptive interferometry / S.M. Shandarov, S.S. Shmakov,

N.I. Burimov et al. // Proceeding of the Asia-Pacific Conferences on Fundamental Problems

of Opto- and Microelectronics/Edited by Jinping OU, Mingshan ZHAO, Zhi ZHOW. –

Dalian University of Technology. Dalian, China – 2012. – P.22-28.

22. Вклад обратного флексоэлектрического эффекта во встречное двухволновое

взаимодействие

световых

пучков

на

отражательных

голограммах

в

фоторефрактивных кристаллах / С.С. Шмаков, С.М. Шандаров, Н.И. Буримов и др. //

Материалы

ХХVIII

школы-симпозиума

по

голографии

и

когерентной

оптике «Голография: теоретические и прикладные вопросы». – Нижний Новгород,

2013. – C.165-169

23. Flexoelectric contribution in the photorefractive response / S. M. Shandarov,

S. S. Shmakov, N. I. Burimov et. al. // PR¢13 International conference on photorefractive

effects, materials and devices. – Winchester, UK, 2013. – P.22-23.

24. Амплитудная характеристика голографического интерферометра /Л.А.

Кабанова, А.А. Колегов, С.С. Шмаков, Р.С. Ким // Материалы докладов XLVIII

Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический

прогресс»: Физика / Новосиб. Гос. Ун-т. Новосибирск, 2010. – С. 97.

24

Заказ. Тираж.

Томский государственный университет

систем управления и радиоэлектроники

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.

25



 
Похожие работы:

«Чочиа Павел Антонович ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ДВУХМАСШТАБНОЙ МОДЕЛИ ИЗОБРАЖЕНИЯ Специальность 05.13.18 – математическое моделирование, численные методы и комплексы программ Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва – 2015 2 Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем передачи информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук (ИППИ РАН) Официальные...»

«0 Учреждение образования БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ УДК 004.934 + 004.4’277 АЗАРОВ Илья Сергеевич МЕТОДЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С НЕСТАЦИОНАРНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ МУЛЬТИМЕДИА АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.17 – Теоретические основы информатики Минск 2015 Белорусский государственный Научный консультант Петровский...»

«Шоуман Марва Ахмед Элшахат МНОГОЯЗЫКОВЫЙ ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОИСК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МУЛЬТИАГЕНТНОЙ ПЛАТФОРМЫ Специальность 05.13.17 – Теоретические основы информатики АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2015 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИТИКА РАБОТЫ Актуальность темы Объем специальной информации, относящейся к самым разным областям науки и техники, в интернете постоянно растет. Использование этой информации невозможно без эффективного...»





 
© 2015 www.z-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.