Система для вимірювання змін коефіцієнта заломлення та подвійної променезаломлюваності, викликаних нелінійними ефектами в мікрозонах оптичних матеріалів

Реферат: Система складається з фемтосекундного лазера (FS), фотонного світловода (SF), оптичної системи зі світлорозділювальним елементом (DW) і двома оптичними каналами (KO1, KO2), а також інтерферометричної системи, особливо у вигляді інтерферометра VAWI, розташованого на оптичній осі вимірювального променя, що виходить з оптичної системи. До складу першого оптичного каналу (КО1) входить монохроматор (MCR) з конденсором (К), що формує вимірювальний промінь, причому монохроматор (MCR) з'єднано на вході з фотонним світловодом (SF). До складу другого оптичного каналу (КО2) входить система дзеркал з пересувним дзеркалом (ZP), що змінює довжину оптичного шляху другого променя в другому оптичному каналі (КО2). Досліджуваний матеріал (М) розміщено у вимірювальній зоні, розташованій на перетині вимірювального променя та другого променя, що підводиться по оптичному каналу (КО2). Винахід забезпечує точне вимірювання нелінійного коефіцієнта заломлення та подвійної променезаломлюваності оптичних матеріалів у зонах розмірами менше декількох мікронів. UA 105086 C2 (12) UA 105086 C2 UA 105086 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до системи для вимірювання змін коефіцієнта заломлення та подвійної променезаломлюваності, викликаних нелінійними ефектами в мікрозонах оптичних матеріалів, яка призначена для застосування в метрології оптичних параметрів матеріалів, спектроскопії, метрології дисперсії відставання по фазі та інженерії матеріалів для дослідження нелінійних явищ в оптичних матеріалах, особливо у наноматеріалах. В дослідженнях коефіцієнтів заломлення та подвійної променезаломлюваності матеріалів застосовуються інтерферометричні системи, наприклад інтерферометри Маха-Цендера, Майкельсона, а також їх різні модифікації. Застосовуються також поляризаційноінтерференційні інтерферометри VAWI (Variable Wavelength Interferometry), розроблені в Інституті прикладної оптики, в яких використовується техніка змінної довжини хвилі. В описі патенту US 7663765 представлена вимірювальна система, в якій вимірювання виконується двопроменевим методом за допомогою камери для зйомки зображень. Промінь світла з хвилею певної довжини проходить через оптичну систему, що складається зі світлорозділювального елемента, розташованого на вході системи, поляризаторів і системи дзеркал. На шляху поширення одного променя світла розташовується досліджуваний об'єкт. Обидва промені на виході оптичної системи спрямовані в камеру, що реєструє зображення, яке утворилося в результаті інтерференції обох поляризованих променів, і посилає в комп'ютер, що обробляє та аналізує зареєстровані дані. У відомих вимірювальних методах, застосовуваних для дослідження змін коефіцієнтів заломлення, викликаних нелінійними ефектами, що утворюються в результаті взаємодії матерії з лазерними імпульсами великої потужності, для вимірювання використовуються системи типу "Z-Scan". В цих системах промінь, що сходиться, лазерного світла великої потужності пропускається крізь зразок досліджуваної матерії. В результаті нелінійних змін коефіцієнта заломлення матеріалу змінюється збіжність променя, який проходить через матеріал, що впливає на силу світла, вимірювану нерухомим детектором, розташованим на оптичній осі Z. Вимірювання сили світла для різних положень зразка, переміщуваного вздовж напрямку розходження світлового променя, дозволяє визначити зміни коефіцієнта заломлення зразка, викликані нелінійними ефектами. Система Z-Scan дозволяє вимірювати зміни оптичних параметрів тільки в макрозонах, що не дозволяє застосовувати її для вимірювання мікрооб'єктів. Крім того, ця система вимірює усереднений ефект впливу світла на матерію, у зв'язку з чим вимірюється середнє значення нелінійного коефіцієнта заломлення. Відомі також інші одно- або двопроменеві системи для вимірювання нелінійного коефіцієнта заломлення, в тому числі інтерферометричні, однак вони дозволяють вимірювати лише усереднений параметр як у часі, так і в просторі, і не дозволяють вимірювати нелінійні оптичні параметри в мікрозонах. Недоліком відомих систем є відсутність можливості вимірювати нелінійний коефіцієнт заломлення та нелінійної подвійної променезаломлюваності в мікрозонах оптичного матеріалу, а також вплив зовнішніх умов на результати вимірювання, що не дозволяє вимірювати нелінійні параметри з достатньою точністю. Відомі також методи зображення з високим ступенем розділення, застосовувані, особливо в нелінійній оптиці, спектроскопії та оптичній томографії, які базуються на генерації суперконтиніума в системі, що складається з фемтосекундного лазера, фотонного світловода та камери з аналізатором хвильового фронту. В результаті поширення коротких фемтосекундних лазерних імпульсів у фотонному світловоді можна одержати цільний і широкий спектр континіума з високим ступенем розділення. Ці системи не пристосовані до вимірювання змін коефіцієнта заломлення та подвійної променезаломлюваності, викликаних нелінійними ефектами в мікрозонах матеріалів. Задача винаходу - розробити модифіковану інтерферометричну систему, що дозволяє точно вимірювати нелінійний коефіцієнт заломлення та нелінійної подвійної променезаломлюваності оптичних матеріалів у зонах розмірами менше декількох мікронів з використанням лазерних імпульсів. Система для вимірювання змін коефіцієнта заломлення та подвійної променезаломлюваності, викликаних нелінійними ефектами, яка складається з фемтосекундного лазера, фотонного світловода, оптичної системи зі світлорозділювальними елементами і двома оптичними каналами, а також інтерферометричної системи, особливо у вигляді інтерферометра VAWI, розташованого на оптичній осі вимірювального променя, що виходить з оптичної системи, відповідно до винаходу характеризується тим, що до складу першого оптичного каналу входить монохроматор з конденсором, що формує вимірювальний промінь, причому монохроматор з'єднаний на вході з фотонним світловодом. До складу другого оптичного каналу входить система дзеркал, в тому числі пересувного, що змінює довжину 1 UA 105086 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 оптичного шляху другого променя в другому оптичному каналі. Досліджуваний матеріал розміщено у вимірювальній зоні, розташованій на перетині вимірювального променя і другого променя, що підводиться по оптичному каналу. Краще, якщо між досліджуваним матеріалом і інтерферометром VAWI розміщено оптичний фільтр, що відсікає лазерне світло другого променя. Краще, якщо до складу першого оптичного каналу входить збираючий елемент, особливо у вигляді першої лінзи, розташований на вході фотонного світловода. Краще, якщо до складу другого оптичного каналу входить другий світловод, оснащений на вході оптичним збираючим елементом, особливо у вигляді другої лінзи. Краще також, якщо до складу системи дзеркал з пересувним дзеркалом входить друге дзеркало, розташоване між світлорозділювальним елементом і пересувним дзеркалом, причому пересувне дзеркало являє собою прямокутну систему двох плоских відбиваючих поверхонь. Відповідно до винаходу, система дозволяє вимірювати нелінійний коефіцієнт заломлення та нелінійного двозаломлення оптичних матеріалів у зонах, розмірами менше декількох мікронів, в зоні лазерного імпульсу, що проходить через досліджуваний матеріал у поперечному напрямку до оптичної осі вимірювального променя, що висилається з монохроматора в напрямку інтерферометра VAWI. Крім того, система дозволяє вимірювати зміни оптичних параметрів, викликані нелінійними ефектами і термічними ефектами в результаті взаємодії матерії з лазерним випромінюванням великої потужності, причому нелінійні і термічні ефекти можна розрізняти. Застосування монохроматора дозволяє одержувати точні спектральні характеристики нелінійних коефіцієнтів заломлення та подвійної променезаломлюваності у всьому спектрі, що пропонується монохроматором. Імпульси з лазера, що викликають оптичні нелінійні ефекти, можуть конфігуруватися порізному, наприклад за потужністю або довжиною хвилі, що дозволяє проводити більш детальні дослідження з урахуванням нарощування та ослаблення спостережуваних явищ, а також їхньої залежності від довжини хвилі. Предмет винаходу зображено на кресленні, що представляє схему системи для вимірювання змін коефіцієнта заломлення та подвійної променезаломлюваності. Як представлено на кресленні, промінь імпульсів монохроматичного лазерного світла, що випускається фемтосекундним лазером FS, розділяється світлорозділювальним елементом DW на два промені, що проходять по окремих оптичних каналах КО1 і КО2. Перший оптичний канал КО1 визначається ходом першого лазерного променя в оптичній системі, починаючи зі світлорозділювального елемента DW до інтерферометра VAWI. Другий оптичний канал КО2 визначається ходом другого лазерного променя в оптичній системі, починаючи зі світлорозділювального елемента DW до вимірювальної зони, в якій розташовано досліджуваний матеріал М. На шляху першого променя розташоване перше дзеркало Z1, перша лінза Ob1 і фотонний світловод SF, послідовно з'єднаний з монохроматором MCR, оснащеним конденсором К. Генерований фотонним світловодом SF суперконтиніум вводиться у монохроматор MCR через вхідну щілину S1, а монохроматичний промінь світла, що виходить з монохроматора MCR через вихідну щілину S2, формується конденсором К. За конденсором К знаходиться вимірювальна зона, в якій розміщено досліджуваний матеріал М. Монохроматичний промінь світла, пройшовши вимірювальну зону, проходить через оптичний фільтр F, що відсікає лазерне світло другого променя від інтерферометра VAWI. На шляху другого променя розташоване друге дзеркало Z2, пересувне дзеркало ZP, друга лінза Оb2 і другий світловод SM, що підводить лазерне світло великої потужності до досліджуваного матеріалу М. Пересувне дзеркало ZP призначене для синхронізації імпульсів. Досліджуваний матеріал М розміщено у вимірювальній зоні, що знаходиться на перетині другого променя та монохроматичного променя світла, що виходить з монохроматора MCR і проходить уздовж оптичної осі інтерферометра VAWI. Монохроматичний промінь світла є вимірювальним променем, що аналізується в інтерферометрі VAWI. Світло, що проходить по першому оптичному каналу КО1, вводиться через першу лінзу Obi у фотонний світловод SF, що перетворює імпульси монохроматичного світла в імпульси поліхроматичного світла, особливо білого, іменованого суперконтиніум. Поліхроматичне світло, що виходить із фотонного світловода SF, вводиться у вхідну щілину S1 монохроматора MCR, що перенастроюється, в якому розщеплюється на окремі довжини хвиль і направляється у вихідну щілину S2. Монохроматичне світло з відібраною довжиною хвиль у вимірювальному діапазоні монохроматора MCR, що виходить із вихідної щілини S2, 2 UA 105086 C2 5 10 15 20 25 30 формується за допомогою конденсора К у паралельний промінь монохроматичного світла, що освітлює досліджуваний матеріал М. Імпульси високої потужності поліхроматичного світла з другого оптичного каналу КО2 вводяться через лінзу Оb2 у другий світловод SM, по якому потрапляють на досліджуваний матеріал М. Це світло може бути також введено у досліджуваний матеріал М без посередництва другого світловода SM. Імпульси великої потужності з оптичного каналу КО2, взаємодіючи з досліджуваним матеріалом М, змінюють його локальні оптичні параметри коефіцієнт заломлення та подвійної променезаломлюваності - у місці і в момент їхнього проходження через матеріал. Миттєві зміни коефіцієнта заломлення та подвійної променезаломлюваності матеріалу викликають миттєві зміни фазового відставання світла вимірювального променя в мікрозонах досліджуваного матеріалу М, через які проходять імпульси великої потужності. Вимірювання полягає в такій просторовій і тимчасовій синхронізації світлових імпульсів з обох оптичних каналів КО1 і КО2, щоб обидва імпульси одночасно дійшли до місця досліджуваного матеріалу М, аналізованого інтерферометром. В такій ситуації зона матеріалу, через яку проходить у цей момент імпульс великої потужності, одночасно освітлюється імпульсом вимірювального променя, що виходить з монохроматора MCR. Синхронізація виконується за допомогою пересувного дзеркала ZP. Його рух у напрямку, позначеному стрілкою, викликає зміну довжини оптичного шляху, який проходять імпульси світла в другому оптичному каналі КО2. Вимірювальний промінь, пройшовши через досліджуваний матеріал М, досягає через фільтр F автоматизованого інтерферометра типу VAWI. Завдяки синхронізації імпульсів обох каналів КО1 і КО2 в інтерферометрі реєструються миттєві зміни оптичних параметрів, викликані нелінійними ефектами, що утворюються в результаті впливу імпульсів лазерного світла великої потужності на матерію. Монохроматор MCR, що перенастроюється, дозволяє освітлювати досліджуваний матеріал М променем монохроматичного світла із заданою довжиною хвилі, завдяки чому можливе дослідження миттєвих змін спектрального розподілу коефіцієнтів заломлення та подвійної променезаломлюваності зразка по всьому спектру видимого світла, тобто в діапазоні від 400 до 700 нм. Застосування інтерферометра VAWI замість системи Z-Scan, а також фотонного світловода SF, що генерує суперконтиніум, набагато збільшує точність вимірювань і дозволяє виконувати вимірювання в мікрозонах матеріалів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 55 60 1. Система для вимірювання змін коефіцієнта заломлення та подвійної променезаломлюваності, викликаних нелінійними ефектами, яка складається з фемтосекундного лазера, фотонного світловода, оптичної системи зі світлорозділювальним елементом і двома оптичними каналами, а також інтерферометричної системи, особливо у вигляді інтерферометра VAWI, розташованого по оптичній осі вимірювального променя, що виходить з оптичної системи, яка відрізняється тим, що до складу першого оптичного каналу (КО1) входить монохроматор (MCR) з конденсором (К), формуючим вимірювальний промінь, причому монохроматор (MCR) з'єднано на вході з фотонним світловодом (SF), а до складу другого оптичного каналу (КО2) входить система дзеркал з пересувним дзеркалом (ZP), що змінює довжину оптичного шляху другого променя в другому оптичному каналі (КО2), а досліджуваний матеріал (М) розташовано у вимірювальній зоні, яка знаходиться на перетині вимірювального променя та другого променя, що підводиться по оптичному каналу (КО2). 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що між досліджуваним матеріалом (М) і інтерферометром VAWI розміщено оптичний фільтр (F), що відсікає лазерне світло другого променя. 3. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що до складу першого оптичного каналу (КО1) входить збираючий елемент, особливо у вигляді першої лінзи (Оb1), розташований на вході фотонного світловода (SF). 4. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що до складу другого оптичного каналу (КО2) входить другий світловод (SM), оснащений на вході оптичним збираючим елементом, особливо у вигляді другої лінзи (Оb2). 5. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що до складу системи дзеркал, яка має пересувне дзеркало (ZP), входить друге дзеркало (Z2), розташоване між світлорозділювальним елементом (DW) і пересувним дзеркалом (ZP), причому друге дзеркало (Z2) являє собою прямокутну систему двох плоских відбиваючих поверхонь. 3 UA 105086 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4