Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию поляризационно- и ориентационно-чувствительного фотовольтаического эффекта (ФВЭ) в нанографитовых плёнках (НГП) для разработки технологических основ создания анализатора поляризации лазерного излучения и датчика углового положения, работающих на новых физических принципах.
Актуальность работы
В экспериментах по разработке и созданию мощных лазерных источников, являющихся неотъемлемой частью современного приборостроения, часто приходится контролировать поляризацию излучения. В простейшем случае для этого используется анализатор поляризации в виде поляризатора с индикатором его углового положения и фотоприёмника с электроизмерительным устройством. Для полного анализа состояния поляризации излучения в состав анализатора поляризации включается четвертьволновая пластинка. Качественные поляризаторы изготавливаются из двулучепреломляющих призм и не могут применяться для световых пучков с широкой апертурой в виду ограничений, накладываемых принципом действия таких поляризаторов. Обычно они имеют апертуру от 5x5 до 10x10 мм. Применение плёночных поляризаторов (поляроидов), имеющих большую апертуру, иногда недопустимо в виду их худших поляризационных характеристик (меньшей степени поляризации), пониженной лучевой стойкости и более узкого спектра пропускания по сравнению с призменными поляризаторами.
Обычно спектр оптического пропускания двулучепреломляющих кристаллов, применяемых в призменных поляризаторах, лежит в диапазоне от ультрафиолета до ближней инфракрасной области. Так кальцит, часто используемый при производстве поляризаторов, оптически прозрачен в пределах от 220 до 2300 нм. Такие поляризаторы и анализаторы поляризации на их основе не могут работать в средней инфракрасной области. В действительности диапазон работы поляризатора дополнительно сужается из-за невозможности обеспечения условия пространственного разделения в нём обыкновенного и необыкновенного лучей на всей протяжённости спектра пропускания.
Кроме того, фотоприёмники, работающие на внутреннем и внешнем фотоэффекте, входящие в состав анализаторов поляризации, также имеют ограниченный спектральный диапазон функционирования. Например, обычный германиевый фотоприёмник, работающий на внутреннем фотоэффекте, не может работать в области длин волн более 2000 нм. Таким образом, для анализа поляризации оптического излучения в широком спектральном диапазоне используются несколько различных поляризаторов, четвертьволновых пластинок и фотоприёмников.
Благодаря высокой направленности излучения лазеры широко используются в составе различных измерительных приборов и устройств, в том числе для определения ориентации объекта в пространстве. Среди оптических датчиков, используемых для определения углового положения, можно выделить лазерные гироскопы, интерференционные и проекционные датчики. Лазерные (в частности, оптоволоконные) гироскопы - это сложные устройства, позволяющие точно
определять угловые перемещения объекта, но требующие периодической калибровки вследствие дрейфа показаний. Интерференционные датчики обладают высокой чувствительностью, однако имеют малый динамический диапазон измеряемых углов. Проекционные датчики обеспечивают измерение углов в широком диапазоне, не требуют когерентного источника излучения, но имеют относительно малое быстродействие, подвержены засветке, работают в относительно небольшом диапазоне температур. Для многих приложений представляет интерес разработка дистанционных датчиков углового положения объекта относительно направления распространения лазерного излучения. Такие датчики могут быть созданы на основе новых материалов, в которых наблюдается ориентационно-чувствительный ФВЭ. Подобные свойства имеют НГП [1,2]. Однако нанографитовый датчик углового положения, предложенный в [3], имеет узкий диапазон измерений углов, чувствителен к внешним механическим воздействиям и флуктуациям мощности лазерного излучения. Поэтому задача модификации свойств НГП для расширения диапазона измеряемых углов и устранения чувствительности датчика к механическим воздействиям и флуктуациям мощности лазерного излучения является актуальной.
Всё выше сказанное диктует необходимость изыскания и испытания новых материалов для создания анализатора поляризации и датчика углового положения на новых физических принципах.
Целью работы является исследование фотовольтаического эффекта в нанографитовых плёнках для разработки технологических основ создания анализатора поляризации лазерного излучения и датчика углового положения.
Для достижения намеченной цели решались следующие задачи:
-
Экспериментальное исследование ориентационных и поляризационных зависимостей фотовольтаического эффекта в нанографитовых плёнках.
-
Исследование влияния модификации НГП покрытием прозрачной диэлектрической смачивающей жидкостью и внешним механическим воздействием на фотовольтаический сигнал (ФВС).
-
Разработка датчика углового положения на ФВЭ в НГП, нечувствительного к флуктуациям мощности лазерного излучения. Разработка автоматизированного комплекса для калибровки датчика.
-
Разработка анализатора поляризации лазерного излучения на ФВЭ в НГП. Создание и апробация действующего макета анализатора.
Научная новизна результатов, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, состоит в следующем:
-
Впервые установлены эмпирические зависимости, описывающие преобразование мощности импульса света в амплитуду импульсного электрического напряжения, возникающего в НГП, в зависимости от параметров эллиптически поляризованного излучения лазера при ориентации измерительных электродов параллельно и перпендикулярно плоскости падения данного излучения. Определено, что ФВС исчезает при ориентации измерительных электродов параллельно плоскости падения циркулярно-поляризованного излучения.
-
Показано, что модификация НГП покрытием прозрачной смачивающей диэлектрической жидкостью приводит к расширению углового диапазона, в
котором наблюдается монотонное изменение ФВС от угла падения луча лазера на плёнку.
-
Показано, что равномерное однонаправленное механическое «сглаживание» поверхности НГП сопровождается возникновением асимметрии зависимости ФВС от угла падения лазерного излучения.
-
Разработан датчик углового положения стабильный по отношению к флуктуациям мощности лазерного излучения, основанный на регистрации поверхностных токов в НГП, существенно зависящих от ориентации поверхности плёнки относительно направления распространения падающего лазерного излучения, имеющий диапазон измеряемых углов ±75.
-
Впервые разработан и создан анализатор поляризации лазерного излучения, основанный на регистрации поверхностных токов в НГП, имеющих знакопеременную зависимость от поляризации падающего излучения. Анализатор позволяет определять поляризацию лазерного излучения с большой апертурой в спектральном диапазоне от 266 до 4000 нм.
Практическая значимость работы
Разработанный анализатор поляризации лазерного излучения имеет простую конструкцию, не содержит оптических элементов и работает в спектральном диапазоне от 266 до 4000 нм. Он позволяет анализировать поляризацию излучения большой апертуры. Разработанный датчик углового положения позволяет осуществлять измерения в диапазоне углов ±75 независимо от флуктуации мощности лазерного излучения.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Для эллиптически-поляризованного излучения лазера ФВС в НГП существенно зависит от степени эллиптичности, азимута поляризации, а также от ориентации измерительных электродов относительно плоскости падения лазерного излучения. При ориентации измерительных электродов параллельно плоскости падения циркулярно-поляризованного излучения ФВС исчезает.
-
Для линейно-поляризованного излучения лазера зависимости амплитуды сигнала от угла падения лазерного излучения отличаются друг от друга при расположении измерительных электродов параллельно и перпендикулярно плоскости падения.
-
Модификация НГП покрытием прозрачной диэлектрической смачивающей жидкостью приводит к расширению углового диапазона, в котором наблюдается монотонное изменение ФВС от угла падения луча лазера на плёнку. Данный результат обусловлен, главным образом, процессами преломления излучения в жидкости и отражения от её поверхности.
-
Равномерное однонаправленное механическое «сглаживание» поверхности НГП приводит к возникновению асимметрии зависимости ФВС от угла падения лазерного излучения.
-
Разработанный датчик углового положения на ФВЭ в НГП нечувствителен к флуктуациям мощности лазерного излучения и имеет диапазон измеряемых углов ±75.
-
Разработанный анализатор поляризации лазерного излучения на ФВЭ в НГП не содержит оптических элементов (четвертьволновых пластинок, поляризаторов) и
не имеет принципиальных физических ограничений по апертуре анализируемого излучения. Анализатор может работать в спектральном диапазоне от 266 до 4000 нм.
Апробация результатов работы
Материалы диссертационной работы докладывались на: Second International Workshop «Nanocarbon Photonics and Optoelectronics», Koli, Finland, 2010; Четвёртой международной научно-практической конференции «Нанотехнологии -производству-2007», Фрязино, 2007; Второй всероссийской конференции с международным интернет-участием «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологии к наноиндустрии», г. Ижевск, 2009; Седьмой конференции молодых учёных «КоМУ-2008», г. Ижевск, 2008; Восьмой всероссийской школе-конференции молодых учёных «КоМУ-2010», г. Ижевск, 2010; Третьей международной конференции «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологии к наноиндустрии», г. Ижевск, 2011; Девятой всероссийской школе-конференции молодых учёных «КоМУ-2011» г. Ижевск, 2011; Двенадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2011.
Работа поддерживалась грантами «Лучшие аспиранты РАН» (грант в области естественных и гуманитарных наук, 2010 год), «Анализатор поляризации лазерного излучения на фотовольтаическом эффекте в нанографитовых плёнках» («Конкурс для молодых учёных и аспирантов УрО РАН на получение средств для оплаты участия в научных конференциях», проект 11-1-ТГ-16, 2011 год); «Широкополосный анализатор поляризации лазерного излучения на основе нанографитовой плёнки» («Конкурс инновационных проектов молодых учёных и аспирантов УрО РАН», проект 11-1-ИП-482, 2011 год).
Достоверность полученных и представленных в диссертации результатов подтверждается использованием апробированных и обоснованных физических методов, работоспособностью созданных установок, а также общим согласованием с результатами других исследователей. Анализ экспериментальных данных проведён с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений.
Личный вклад автора
Результаты диссертационной работы являются оригинальными. Исследования поляризационных и ориентационных зависимостей ФВС в НГП, изложенные в диссертационной работе, выполнены лично автором. Датчик углового положения, нечувствительный к флуктуациям мощности падающего лазерного излучения, и анализатор поляризации лазерного излучения разработаны автором. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.
Публикации
Основное содержание диссертационной работы отражено в 23 научных работах, в том числе 7 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации, и 2 патентах РФ на изобретение.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из списка принятых в работе сокращений, введения, четырёх глав с краткими выводами по каждой главе, заключения и списка цитируемой литературы. Материал работы изложен на 120 страницах, включающих 42 рисунка. Список цитированной литературы содержит 101 наименование.
