Пристрій для фотопружної мікроскопії твердих тіл та їх структур

Реферат: Пристрій для фотопружної мікроскопії твердих тіл та їх структур, який містить джерело поляризованого випромінювання, чвертьхвильову фазову пластину, мікрооб'єктив, фотопружний модулятор, аналізатор, фотодетектор, крім того додатково містить поляризатор, оптоволокно, зонд з попередньо заданим квазілінійним розподілом оптичної анізотропії; синхронно-фазовий детектор, опорний вхід котрого підключений до блока живлення фотопружного модулятора, вихід синхронно-фазового детектора підключений до входу аналогово-цифрового перетворювача, вихід якого підключений до входу персонального комп'ютера, вихід котрого підключений до трикоординатної позиційної системи, на поверхні якої монтована калібрувальна п'єзопластина. UA 78510 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ФОТОПРУЖНОЇ МІКРОСКОПІЇ ТВЕРДИХ ТІЛ ТА ЇХ СТРУКТУР UA 78510 U UA 78510 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі оптичної мікроскопії, зокрема до поляризаційномодуляційної мікроскопії та засобів неруйнівного контролю. Найбільш близьким аналогом пристрій, що описаний у [1], який полягає в тому, що випромінювання від лазера світлодільником поділяється на два пучки. Один спрямовується на компенсатор, а другий на досліджуваний зразок (або еталон). Обидва пучки після відбиття і проходження крізь модулятор та аналізатор зводяться на фотодіод. Окуляр та мікрооб'єктив утворюють мікроскоп, в якому за допомогою світлодільника і елемента спостереження напівпрозорого дзеркала можна спостерігати досліджувану поверхню. В даному пристрої як мікрооб'єктив використовують об'єктив типу ΕΠΙ. Коли на цей мікрооб'єктив падає паралельний пучок лазерного випромінювання, він фокусує це випромінювання в точку на досліджувану поверхню. Якщо паралельний пучок лазерного випромінювання має діаметр значно більший, ніж діаметр мікрооб'єктива, то все випромінювання, що попадає в зону після відбиття від дзеркальної поверхні на внутрішній стороні корпусу через вихідний отвір в корпусі падає на досліджувану поверхню, забезпечуючи тим самим її освітлення. Таким чином мікрооб'єктив типу ΕΠΙ дає можливість спостерігати в мікроскопах об'єкти дослідження у відбитому світлі. Недоліком описаного пристрою є недостатня роздільна здатність, що свідчить про обмеженість методу в субмікронному діапазоні мікроскопії. А також відсутність можливості цифрового збільшення зображення надмалих об'єктів та вимірювання їх розмірів в режимі реального часу. В основу корисної моделі поставлена задача в поєднанні сучасних та доступних приладів, простих в обслуговуванні, з використанням методики з високою завадостійкістю, швидкодією та виявною здатністю удосконалити відомий пристрій шляхом застосування зміненої фокусуючої та оптичної системи, використання зонда з попередньо заданим розподілом показника заломлення, що дає змогу вимірювати структуру поверхні в абсолютних величинах відносно довільної точки відліку з можливістю калібрування. Технічний результат полягає у підвищенні виявної здатності, точності вимірювання та формуванні зображення відсканованої поверхні шляхом застосування модуляційної поляриметрії та зонда з функціонально залежною зміною показника заломлення вздовж його еталонної вимірювальної області. Поставлена задача розв'язується тим, що у відомому пристрої для фотопружної мікроскопії твердих тіл та їх структур, який містить джерело поляризованого випромінювання, чвертьхвильову фазову пластину, мікрооб'єктив, фотопружний модулятор, аналізатор, фото детектор новим є те, що додатково містить поляризатор, оптоволокно, зонд з попередньо заданим квазілінійним розподілом оптичної анізотропії; синхронно-фазовий детектор, опорний вхід котрого підключений до блока живлення фотопружного модулятора, вихід синхроннофазового детектора підключений до входу аналогово-цифрового перетворювача, вихід якого підключений до входу персонального комп'ютера, вихід котрого підключений до трикоординатної позиційної системи, на поверхні якої монтована калібрувальна п'єзопластина. Неоднорідний потенціал в матеріалі зонда може бути викликаний статичними механічними напруженнями, градієнтом тепла, градієнтом складу, домішок та ін. Важливою особливістю є те, що вибирають таку область зонда з квазілінійним розподілом неоднорідного потенціалу, яка дозволяє проводити вимірювання у всьому необхідному діапазоні, а також попередньо задають порогову роздільну здатність вимірювання в залежності від вимог та умов вимірювання. Вибираючи область зонда з необхідним та відомим розподілом оптичної анізотропії, та вимірюючи зміну стану поляризації випромінювання пройденого через цю область, можна розрахувати зміщення зонда відносно початку відліку. Скануючи поверхню у вигляді растра, можна отримати рельєф поверхні на персональному комп'ютері. Перед початком вимірювання проводять калібрування відомими методами з використанням п'єзоматеріалів, які лінійно змінюють свої розміри в залежності від прикладеної напруги. Пристрій для фотопружної мікроскопії твердих тіл та їх структур, а також структура зонда ілюструється фігурами. На Фіг. 1 представлена блок-схема реалізації пристрою для фотопружної мікроскопії твердих тіл та їх структур. На Фіг. 2 представлена структурна схема зонда з градаційним квазілінійним неоднорідним потенціалом. Пристрій передбачає роботу за такою схемою. Лазерний промінь з джерела лазерного випромінювання 1 проходить через поляризатор 2 для повної поляризації випромінювання, далі промінь проходить через чвертьхвильову фазову пластинку 3 та фокусується оптичною системою, що складається з лінзи 4, що фокусує промінь в торець оптичного волокна 5 для максимального фокусування лазерного променю та його фільтрації від непотрібних мод - таким 1 UA 78510 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 чином отримується зондуючий промінь. При його проходженні через оптично анізотропну область зонда 6 з попередньо заданою градацією, стан поляризації змінюється з лінійного в частково циркулярну. Далі промінь розфокусовується лінзою 7 та пропускається через фотопружний модулятор 8 та аналізатор 9, та направляється на фотодетектор 10, який сприймає інформаційний сигнал, що пропорційний циркулярному стану поляризації. Залежність зміни інтенсивності лазерного променю та стану поляризації при проходженні через кожен оптичний елемент схеми докладно описаний в [2]. Сигнал з виходу фотоприймача подають на вхід селективного підсилювача 11, настроєного на резонансну частоту блока живлення фотопружного модулятора 15, що живить фотопружний модулятор та підключений до входу опорного сигналу синхронно-фазового детектора 12. Сигнал з виходу селективного підсилювача подають на вхід синхронно-фазового детектора для реєстрації та контролю зміни фази зондуючого лазерного випромінювання. Сигнал з виходу синхронно-фазового детектора через аналогово-цифровий перетворювач 13 подають на персональний комп'ютер 14 для фіксування даних вимірювання. Персональний комп'ютер в свою чергу керує роботою трикоординатної позиційної системи 16, яка здійснює переміщення зразка 18 растровим способом. Перед початком вимірювань проводять калібрування за допомогою кварцової пластини 17, розміщеної між зразком та опорою трикоординатної позиційної системи шляхом подачі на неї потенціалу, який викликає чітко визначену зміну товщини кварцової пластини, а отже, змістить зразок та зонд на аналогічну відстань, що повинна співпадати з отриманим виміряним результатом. Після зняття потенціалу з кварцової пластини, за допомогою чвертьхвильової фазової пластинки встановлюють мінімальний рівень сигналу, що відповідає умові максимальної чутливості вимірювання. Таким чином установка здатна вимірювати надмалі зміщення. При зміні геометричних розмірів зразка з різних фізичних, хімічних, біологічних причин чи його саме зміщення призведе до зміщення зонда, а отже, зондуючий промінь буде проходити через область з відмінним від початкового значення неоднорідного потенціалу і буде набувати іншого стану циркулярної поляризації, що відображається на зміні інтенсивності лазерного випромінювання, що попадає на фото детектор. Окрім цього є можливим переміщення зразку растровим способом з фіксацією рельєфу відсканованої поверхні на персональному комп'ютері у вигляді растрового зображення з роздільною здатністю, що задається просторовим розподілом неоднорідного потенціалу зонда або структурованим фотонним кристалом з оптичними характеристиками, ідентичними за впливом до неоднорідного потенціалу. Структура зонда являє собою тонку пластину, що задовольняє умові чвертьхвильової пластини, а також як матеріал зонда може бути використаний наноструктурований фотонний кристал. Оптично прозора пластина зонда має штучно створений квазілінійний розподіл внутрішніх напруженнь, які характеризуються квазілінійним розподілом потенціалу. Вони, в свою чергу, є причиною додаткового перетворення лінійного стану поляризації випромінювання в циркулярний, причому зміна стану поляризації відбувається в лінійній залежності від величини просторової зміни показника заломлення [3]. Чутливість та швидкодія вимірювання залежить від просторової зміни показника заломлення та часу інтегрування синхронно-фазового детектора, а також від фотопружних та термопружних ефектів в оптичній системі описаних в [4]. Роздільна здатність Δ пристрою для фотопружної мікроскопії твердих тіл та їх структур складає мікро- та нанометри на мікровольт в залежності від діапазону вимірювань та вимог, потенційна роздільна здатність може сягати ангстрем [5]. Отже, в залежності від умов та вимог до точності та діапазонів вимірювання є можливість оптимального підбору матеріалу зонда. Розрахунок величини зміщення зонда проводиться за формулою та присвоюється певній координаті сканованої поверхні: hx, y   50 55 2 2 d1   2     dn1  n 2 M    kU     . Де Δh(x,y) - величина вертикально зміщення на декартовій площині, ε - тензор діелектричної проникності, ξ - тензор механічних напружень, λ - довжина хвилі лазерного випромінювання, d товщина зонда, (σ1-σ2) - зміна виміряних механічних напружень, Μ - коефіцієнт зв'язку розподілу механічних напружень або зміни показника заломлення від просторових координат (встановлюється експериментально), (n1-n2)- зміна показника заломлення, k - тангенс кута розподілу стаціонарної оптичної анізотропії, ΔU - сигнал, пропорційний зміні інтенсивності лазерного випромінювання, ±γ - похибка вимірювань, що враховує методологічні особливості процесу вимірювання та нестаціонарний вплив навколишнього середовища, радіус заокруглення кантилевера r зондуючого торця вибирається з умови r