Развитие методов низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии Иванов Вадим Валерьевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Низкокогерентная кольцевая резонансная интерферометрия

1.1. Резонансная кольцевая интерферометрия на низкокогерентном свете: теория 30

1.1.1. Идея метода 30

1.1.2. Модуляционные измерения. «Медленная» модуляция 33

1.1.3. Шум 34

1.1.4. Подавление избыточного шума 36

1.1.5. Предельная чувствительность 37

1.1.6. Сравнение с другими типами кольцевых интерферометров 40

1.1.7. Спектр избыточного шума. «Быстрая модуляция» 42

1.1.8. Интерферометр с отражательным кольцевым резонатором 43

1.1.9. Многорезонаторный интерферометр 45

2.2. Низкокогерентная резонансная кольцевая интерферометрия: эксперимент 46

1.2.1. Измерение эффекта Саньяка 46

1.2.2. Измерение эффекта Доплера 49

Выводы 51

Глава 2. Методы волоконно-оптической нткокогерентиой интерферометрии для situ диагностики и измерений в экстремальных условиях

2.1. Эффекты связи мод в низкокогерентных интерференционных системах с многомодовыми оптическими волноводами 53

2.1.1. Многомодовая низкокогерентная тандемная интерферометрия 53

2.1.2. Оптическая автокорреляционная функция многомодового низкокогерентного тандем ного интерферометра 54

2.1.3. Случай большого числа распространяющихся мод 58

2.1.4. Образец с непараллельными поверхностями. Резонансная связь мод 62

2.1.5. Чувствительность к оптическому качеству образцов: сравнение одномодовых и многомодовых интерференционных систем 69

2.1.6. Чувствительность к ориентации образца 70

2.1.7. Влияние аберраций проекционной системы и позиционирования образца вдоль зондирующего пучка 72

2.1.8. Гибридная схема оптического зондирования 73

2.1.9. Связь мод в волокне 75

2.1.10. Многомодовые волоконно-оптические ответвители в тандемной низкокогерентной интерферометрии 76

2.1.11. Влияние многомодового «когерентного шума» на точность измерений 78

2.1.12. Область применения интерференционных систем с многомодовыми волокнами 79

2.2. Контроль толщины листового стекла с помощью многомодовой волоконно-оптической тандемной низко когерентной интерферометрии 79

2.2.1. Постановка задачи 79

2.2.2. Оптические методы измерения толщины флоат-стекла 80

2.2.3. Описание измерительной системы 83

2.2.4. Факторы, влияющие на точность измерений 85

2.2.5. Промышленная эксплуатация 87

2.3. Применение низкокогерентной интерферометрии для оперативного контроля лазерной обработки CVD алмазов 89

2.3.1. Постановка задачи 89

2.3.2. Лазерное выглаживание CVD алмазов 90

2.3.3. Особенности интерференционной диагностики необработанных алмазных пластин 92

2.3.4. Эксперименты по контролируемой лазерной обработке алмазных пластин 96

2.3.5. Аппаратура in situ контроля лазерного травления алмазных пластин 100

2.3.6. Контроль лазерного микропрофилирования алмазных структур с нанометровым аксиальным разрешением 101

Выводы 104

Глава 3. Дифференциальная низкокогерентная тандемная интерферометрия и мультиплексируемые оптоволоконные сенсорные системы

3.1. Дифференциальная низкокогерентная тандемная интерферометрия 105

3.1.1. Дифференциальная низкокогерентная интерферометрия: идея 105

3.1.2. Относительные и абсолютные измерения в дифференциальной интерферометрии 108

3.1.3. Учет дисперсии 110

3.1.4. Предельные возможности метода 113

3.1.5. Измерение профиля прозрачных образцов методом дифференциальной низкокогерентной интерферометрии 115

3.1.6. Погрешности измерения, связанные с пространственной структурой зондирующих пучков 118

3.1.7. Эксперимент: измерение профиля прозрачной пластины 120

3.2. Когерентное мультиплексирование многоканальных волоконно-оптических

датчиков методом дифференциальной низкокогерентной интерферометрии 122

3.2.1. Дифференциальная низкокогерентная интерферометрия: обобщение на многоканальные системы с когерентным мультиплексиро ванием 122

3.2.2. Предельная чувствительность 123

3.3.2. Перекрестная связь между чувствительными элементами 125

3.3.3. Многоканальное измерение температуры: эксперимент 129

Выводы 136

Заключение 137

Список цитированной литературы 141

Список публикаций автора по теме диссертации 152

• Низкокогерентная резонансная кольцевая интерферометрия: эксперимент
• Многомодовые волоконно-оптические ответвители в тандемной низкокогерентной интерферометрии
• Контроль лазерного микропрофилирования алмазных структур с нанометровым аксиальным разрешением
• Погрешности измерения, связанные с пространственной структурой зондирующих пучков

Введение к работе

Низкокогерентная оптическая интерферометрия представляет собой быстрораз-вивающийся раздел интерференционной оптики, который объединяет измерительные методы, использующие корреляционные свойства частично-когерентного оптического излучения с продольной длиной когерентности много меньше оптических путей интерферирующих волн. Новейшая история низкокогерентной интерферометрии насчитывает около 30 лет (примерно таков же возраст самого термина) [1], хотя се базовые принципы были хорошо известны еще в долазсрную эпоху [2]. В определенном смысле, вся оптическая интерферометрия до появления лазеров была низкокогерентной, так как эффективных когерентных источников света просто не существовало.

Изобретение лазера произвело революцию в оптической интерферометрии, так же как и во многих других областях оптики. Вместе с тем, довольно быстро стали очевидны ограничения и недостатки интерферометрии на основе излучения с высокой временной когерентностью. В 70-е - 80-е гг. был предложен ряд методов измерения, основанных на наблюдении временных оптических корреляций, создаваемых измеряемым объектом при освещении частично-когерентным излучением [3-15]. Тогда же было предложено использовать частично-когерентный свет для устранения нежелательной интерференции, связанной с рассеянием света в волоконно-оптическом кольцевом интерферометре Саньяка [16]. Новая волна интереса к низкокогерентной интерферометрии в 90-х гг. связана с изобретением оптической когерентной томографии — метода построения 3-х мерных изображений рассеивающих биологических сред, в котором аксиальное разрешение обеспечивается за счет когерентной селекции участка образца, дающего вклад в интерференционную картину [17]. Сегодня низкокогерентная интерферометрия является активно разрабатываемой областью физической и прикладной оптики, использующей последние достижения оптоэлектроники и волоконной оптики и находящей разнообразные применения в технологии, биомедицине и научных исследованиях. Вместе с тем, обзор текущего состояния дел показывает, что уникальные возможности низкокогерентной интерферометрии - возможность однозначного измерения оптической задержки, возможность селективного измерения нескольких объектов, находящихся на луче зрения, высокая помехоустойчивость - осознаны и реализованы не в полной мере.

Диссертация посвящена разработке новых измерительных методов на основе интерференции частично-когерентного света, исследованию физических явлений и эффек-

то в, существенных для измерительных систем на основе низко когерентной интерферометрии, и их практическому внедрению.

Актуальность работы

Оптические интерференционные методы измерения играют значительную и все возрастающую роль в современной науке и технике. Благодаря уникальным особенностям оптической интерферометрии - бесконтактному, неразрушаю щему характеру измерений, высокой чувствительности и точности - эти методы широко используются для измерения геометрических параметров объектов, а также разнообразных физических величин, конвертируемых в разность оптических путей интерферирующих волн — температуры, давления, механических напряжений, линейной и угловой скорости и т.д.

Существенную роль в развитии оптической интерферометрии сыграло появление лазеров - источников света с высокой временной и пространственной когерентностью. В классической лазерной интерферометрии продольная длина когерентности лазера существенно больше, чем измеряемая оптическая разность хода интерферирующих волн. Это приводит к чисто синусоидальной, строго периодической зависимости выходной мощности интерферометра от оптической разности хода интерферирующих волн. В силу этого, оптическая разность хода в лазерном интерферометре измеряется с произволом в неопределенное число длин волн, т.е. лазерный интерферометр способен измерять только приращения величин, но не их абсолютные значения. Кроме того, при большой длине когерентности рассеяние и нежелательное отражение света в оптическом тракте интерферометра может конвертироваться во флуктуации амплитуды выходной мощности интерферометра из-за интерференции рассеянных и сигнальных волн.

В значительной степени, именно проблема интерференции рассеянного света в оптических датчиках вращения на основе волоконных кольцевых интерферометров Саньяка дала начальный импульс развитию низкокогерентной интерферометрии в ее современном виде. Волоконно-оптические гироскопы основаны на измерении фазового эффекта Саньяка, т.е. разности фаз световых волн, обегающих контур кольцевого интерферометра в противоположных направлениях [18], возникающей при наличии компоненты вектора угловой скорости, ортогональной плоскости контура. Помимо основных (сигнальных) волн, на выходе волоконно-оптического кольцевого интерферометра присутствуют волны, рассеянные в волоконном контуре интерферометра. Интерферен-

ция рассеянных и сигнальных волн приводит к зависимости выходной мощности интерферометра от распределения рассеивающих центров вдоль чувствительного контура; иными словами, обратное рассеяние создает эффективную фазовую невзаимность ф_5С, не

связанную с вращением интерферометра. Из геометрии кольцевого интерферометра Саньяка следует, что эта фазовая невзаимность создается участком чувствительного контура с длиной порядка длины когерентности интерферирующих волн. При статистически однородном распределении рассеивающих центров по чувствительному контуру,

Фас ~-fia>h Благодаря этому, замена лазеров на широкополосные источники света с продольной длиной когерентности порядка 20 -^ 50 мкм - суперлюминесцентные полупроводниковые диоды - позволила уменьшить невзаимность обратного рассеяния на несколько порядков [19]. Переход к широкополосным источникам имел ключевое значение для успеха датчиков вращения на основе волоконно-оптических интерферометров Саньяка, которым удалось занять свою нишу в навигационных приложениях [20,21].

Дальнейшее расширение области применения оптических датчиков вращения требует их миниатюризации и снижения стоимости. С этой точки зрения, чрезвычайно привлекательной выглядит идея одночипового интегрально-оптического гироскопа [22,23], все элементы которого выполнены на одном кристалле.

Реализация этой идеи требует новых подходов, так как при размерах чувствительного контура, совместимых с интегральной оптикой, чувствительность к вращению кольцевого интерферометра Саньяка недостаточна для большинства приложений. Один из путей повышения чувствительности состоит в использовании высоко добротных пассивных кольцевых резонаторов в качестве чувствительных элементов оптических датчиков вращения [21,24,25]. Так как встречные волны многократно обходят кольцевой резонатор, аккумулируя невзаимную фазу, резонансный чувствительный контур в принципе может дать выигрыш в чувствительности в F раз по сравнению с интерферометром Саньяка той же геометрии, где F — резкость резонатора, или отношение межмодового интервала к ширине резонансной линии. В последние годы благодаря прогрессу в интегрально-оптической технологии появилась возможность изготовления высокодобротных кольцевых резонаторов [26,27], что делает концепцию резонансного гироскопа привлекательной с точки зрения создания интегрально-оптических датчиков вращения.

Рис. ВЛ. Резонансный кольцевой интерферометр с монохроматическим источником света. L, лазер; 3 <Ш, направленный ответвитель; С, направленный ответвитель со слабой связью; CR, кольцевой резонатор; PD, фотоприемник.

СО" 0> ⁺

Рис. В.2. Детектирование фазовой невзаимности в кольцевом резонансном интерферометре с когерентным источником света. Разность резонансных частот для встречных направлений а>⁺ -аГ пропорциональна невзаимному фазовому сдвигу & (ВЛ).

Стандартный подход к построению оптических датчиков вращения на основе пассивных кольцевых резонаторов основан на сравнении коэффициентов пропускания кольцевого резонатора во встречных направлениях на частоте, соответствующей максимальной крутизне резонансной кривой [24,28-30], рис. ВЛ. Вращение интерферометра приводит к саньяковской фазовой невзаимности, и вследствие этого, к сдвигу резонансных пиков для встречных направлений обхода резонатора, пропорциональному проекции вектора угловой скорости на нормаль к плоскости резонатора (рис. В.2).

В конце 80-х - середине 90-х гг. со схемами на основе пассивных кольцевых резонаторов связывались большие надежды [31]. Однако, в рамках традиционного подхода, основанного на использовании монохроматического излучения, потенциал резонансных схем остался в значительной мере нереализованным.

Наиболее серьезные трудности стандартного подхода связаны с интерференцией обратно рассеянных волн в кольцевом резонаторе, приводящей к нестационарной невзаимной фазовой «подставке» [32,33], а также к нелинейности масштабного коэффициента [34]. Существуют также технические трудности, обусловленные чувствительностью интерферометра к оптической длине резонатора и следующей отсюда необходимостью подстройки резонансной частоты кольцевого резонатора под частоту источника света. Кроме того, стандартный подход предполагает использование лазерных источников света с очень узкими линиями (10 кГц * 1 МГц в зависимости от периметра и добротности резонатора) [35], что само по себе вступает в противоречие со стремлением к миниатюризации и снижению стоимости. Все эти трудности органически связаны с использованием когерентного света, и преодолеть их в рамках стандартного подхода до сих пор не удалось. Учитывая опыт создания нерезонансных волоконно-оптических гироскопов, можно со значительной долей уверенности утверждать, что стандартный «монохроматический» подход является тупиковым. Об этом свидетельствует и статистика публикаций по гироскопам на основе пассивных резонаторов: пик публикаций пришелся на вторую половину 80-х гг., к концу 90-х поток публикаций практически иссяк.

По аналогии с кольцевыми интерферометрами Саньяка, можно ожидать, что трудности стандартных оптических датчиков вращения на основе пассивных кольцевых резонаторов могут быть преодолены за счет отказа от монохроматических источников света. Исходя из этого, в работах [36,37] была предложена идея кольцевого резонансного интерферометра с источником частично-когерентного излучения с длиной когерентности много меньше периметра резонатора. В [36], и независимо, в наших работах [А1,А2], предложена топология, в которой фазовая невзаимность в кольцевом резонаторе непосредственно преобразуется в выходную мощность. В работе [37] и последующих работах [38-40] предложен альтернативный вариант низкокогерентного резонансного интерферометра, в котором кольцевой резонатор играет роль невзаимного фазового элемента, встроенного в кольцевой контур интерферометра Саньяка. Проблема этого подхода в том, что вклад в фазовую невзаимность вносят только спектральные компоненты, локализованные вблизи резонансов кольцевого резонатора; таким образом, только малая часть спектральных составляющих на выходе интерферометра Саньяка несет информа-

цию о невзаимной фазе; остальные спектральные компоненты дают лишь вклад в шумы. Вследствие этого, резонансный выигрыш в чувствительности в этой схеме может быть достигнут только при наличии усиления в кольцевом резонаторе [39]. Однако введение оптического усилителя в резонатор может приводить к дополнительным нестабильно-стям и нелинейностям оптического датчика вращения, кроме того, это усложняет оптическую схему. В этой связи, подход, основанный на прямом преобразовании фазовой невзаимности в выходную мощность, представляется более перспективным. Развитию этого подхода посвящена первая глава предлагаемой диссертационной работы,

В течение последнего десятилетия значительные усилия исследователей в области низко когерентной оптической интерферометрии были направлены на создание и практическое внедрение методов диагностики геометрических параметров и пространственной структуры объектов. В значительной степени эти усилия были стимулированы появлением оптической когерентной томографии (ОКТ) - метода диагностики пространственной структуры биологических сред, основанного на низкокогерентной оптической интерферометрии [17]. За 15 лет исследований и разработок, ОКТ превратилась в практический инструмент медицинской диагностики и биологических исследований [41,42]. Успех ОКТ в значительной мере способствовал прогрессу низкокогерентной интерферометрии - как в методическом плане, так и с точки зрения элементной базы: работы по созданию новых низкокогерентных источников света [43-46], модуляторов оптического пути [47-52] и т.д. стимулировались главным образом потребностями ОКТ. Вместе с тем, следует констатировать, что небиологические приложения низкокогерентной интерферометрии в определенной степени оставались в тени ОКТ. Потенциал низкокогерентной интерферометрии для промышленных и исследовательских задач, в частности, для in situ диагностики геометрических размеров и структуры объектов в экстремальных условиях, до недавнего времени был востребован не в полной мере. С нашей точки зрения, во многом это связано с тем, что методы измерения, используемые в ОКТ, не всегда оптимальны для промышленных приложений, требующих повышенной помехозащищенности и устойчивости к экстремальным условиям в зоне измерений.

Методы низкокогерентной интерферометрии, предназначенные для измерения геометрических характеристик объектов (положения, толщины, пространственной структуры), а также физических величин, конвертируемых в геометрические параметры (температуры, давления, механических напряжений, вибраций и т.д.) основаны на измерении автокорреляционной функции зондирующего излучения после взаимодействия с образцом [53]. Автокорреляционная функция может быть измерена с помощью интер-

ферометра с модулируемой разностью плеч - оптического коррелометра; альтернативный метод нахождения автокорреляционной функции, иногда называемый «спектральной интерферометрией», состоит в измерении спектра мощности излучения на выходе системы с последующим преобразованием Фурье. Измерения геометрических параметров объектов могут производиться в двух базовых конфигурациях.

В конфигурации, которую условно можно назвать «томографической» (название не общепринятое), образец помещается внутрь оптического коррелометра и служит его частью. Этот подход реализуется в классической схеме ОКТ на основе модуляционного интерферометра Майкельсона, одно из плеч которого замкнуто диагностируемым объектом, а длина другого модулируется подвижным зеркалом М (рис. В.З) [17]. Если объект представляет собой прозрачную пластину, в моменты совпадения оптической длины опорного плеча с оптическим путем от делительного зеркала интерферометра Майкельсона до одной из поверхностей объекта, на фотоприемнике PD наблюдается интерференционный сигнал (пик когерентности), локализованный в пределах нескольких длин когерентности источника света (рис. В.4). Толщина пластины может быть измерена как разность положений подвижного зеркала М, соответствующих центральным максимумам пиков когерентности, создаваемых передней и задней поверхностью образца.

Рис. В.З. «Томографический» вариант низкокогерентной интерферометрии. LS, источник света с широким спектром; 2x2, 3 дБ волоконный ответвитель 2x2; М, подвижное зеркало в опорном плече; F, оптическое волокно; obj\ объектное плечо коррелометра; ref, опорное плечо коррелометра; О, проекционный объектив; PD, фотоприемник.

Изменение длины объектного плеча приводит к сдвигу пиков когерентности, равному этому изменению; если это изменение превышает диапазон модуляции длины опорного плеча коррелометра, пики когерентности становятся ненаблюдаемыми. Если за время перестройки коррелометра от одной поверхности образца к другой оптическая

длина объектного плеча успевает измениться, толщина образца измеряется с ошибкой, равной этому изменению. Таким образом, «томографическая» конфигурация неустойчива по отношению к изменениям оптического пути между измерительной системой и образцом, что ограничивает ее эффективность в условиях, когда этот путь может неконтролируемым образом меняться в зависимости от внешних условий.

*l ^Х2 X{t)

Рис. В.4. Интерференционный сигнал в «томографическом» измерителе толщины прозрачных пластин. X(t), координата подвижного зеркала в опорном плече; d, оптическая толщина пластины.

Более помехоустойчивым является альтернативный подход, основанный на разделении объекта измерения и коррелометра (рис. 3.3). Это так называемый тандемный вариант низкокогерентной интерферометрии [3,4] , в котором коррелометр и образец располагаются последовательно. Если измеряемый объект представляет собой плоскопараллельную пластину, тандем «коррелометр» - «объект» делит каждый входящий волновой цуг источника света на 4 цуга, полные оптические пути которых записываются следующим образом:

Ly = L_t Lz^L + lYit), Ls^L + ld, L₄ = L + 2Y(t) + 2d (B.l)

где Y(t) - разность плеч коррелометра; L - общий для всех цугов путь, включающий участки между источником света и коррелометром, коррелометром и образцом, образцом и фотоприемником; d - оптическая толщина образца. При нулевой разности плеч коррелометра на выходе системы цуг Ц интерферирует с цугом L^, а 1^ — с Д,; при

совпадении разности плеч коррелометра и оптической толщины образца - 1^ интерфе-

¹ Термин «тандемный» не является устоявшимся: употребляется также термин «интерферометрия с общим оптическим путем» (common path interferometry)

рирует с ij- Оптическая мощность на выходе тандема пропорциональна автокорреляционной функции излучения источника света LS, отраженного от образца (рис. В.4) [1]:

J(Y(i)) ~ fo + *,(1 - R,)² \l + Г(Г(г))соь(4яГ(г)/Л)) +

+ ЛЙ'²Л|'²(1 - ^)Г(Г(/) ± d)cos{47t(Y(t) ± d)/X)

где Rq , - эффективные коэффициенты отражения поверхностей образца, определяемые как Rj -Р^^г) І Р^(,) (Р^и] — падающая на образец мощность, Pj^r) — мощность, возвращаемая j-VL отражающей поверхностью в волоконную линию F, / = 0 соответствует передней поверхности образца, j = 1 - задней поверхности), Г(у) - огибающая функции когерентности источника света. Оптическая толщина образца d равна расстоянию, пройденному подвижным зеркалом коррелометра от центрального максимума «нулевого» пика когерентности (первый член (В.2)), до пика когерентности на толщине образца (второй член (В.2)).

Важно, что отклик тандем ного интерферометра (В.2) не зависит от общего пути L: система нечувствительна к изменениям оптического пути между коррелометром и образцом, если характерное время этих изменений много больше оптической задержки в образце v_s = 2djc [1]. При толщине образца 10 мм x_s ~10~^п с. Это обеспечивает высокую стабильность и помехоустойчивость тандемной конфигурации при дистанционной диагностике геометрических параметров образцов, находящихся в экстремальных температурных и иных условиях.

7^

IWVVW

:CR

27(/)

_Ді^о%

— А~

Рис. В.5. Тандемный вариант низкокогерентной интерферометрии. LS, источник света с широким спектром; CR, оптический коррелометр; 50%, светоделитель; F, оптическое волокно; S, образец; О, проекционный объектив; PD, фотоприемник.

Рис. В.6. Зависимость выходной мощности тандемного интерферометра от разности плеч коррелометра при измерении толщины плоскопараллельной прозрачной пластины. Y(t), разность плеч коррелометра, rf, оптическая толщина образца. Центральные максимумы пиков когерентности отмечены стрелками.

К одному коррелометру может быть параллельно подключено несколько образцов, что позволяет реализовать многоканальные измерительные системы с параллельным мультиплексированием образцов (чувствительных элементов), см., например, [104,105].

К настоящему времени известно множество реализаций метода тандемной интерферометрии. Спектр приложений тандемной интерферометрии весьма широк: от прецизионного контроля профиля поверхности оптических элементов до измерения температуры, давления и электрического поля [55-72]. Однако, хотя нечувствительность к длине оптического пути между коррелометром и образцом отмечена в литературе как важная особенность тандемной интерферометрии (см., например, обзор [1]), ее возможности для измерений в экстремальных условиях осознаны не в полной мере, если судить по публикациям, а также по техническим решениям, предлагаемым для конкретных измерительных задач.

Один из примеров - задача контроля толщины листового стекла на горячих стадиях его производства. В литературе сообщалось о попытке использования «томографического» варианта волоконно-оптической низко когерентной интерферометрии для решения этой задачи [73]. Между тем, «томографическая» конфигурация здесь существенно проигрывает тандемной. Тепловые флуктуации оптической длины волоконного кабеля, соединяющего коррелометр и зону измерения могут достигать 15 см, при том, что максимальная оптическая толщина стекла составляет 18 мм. Это означает, что для измерения толщины стекла в «томографической» конфигурации требуется диапазон модуля-

ции разности плеч коррелометра около 160 мм, из которых «полезные» 18 мм составляют лишь 11%. Для тандемной конфигурации достаточно диапазона модуляции в 18 мм, благодаря нечувствительности к длине волоконной линии между коррелометром и образцом. Кроме того, в «томографической» конфигурации существенное влияние на результаты измерений может оказывать оптическая турбулентность над раскаленной поверхностью стекла, которая приводит к быстрым флуктуациям оптической длины объектного плеча коррелометра с характерными временами порядка 0.05 -s- 0.5 с. Эти времена сопоставимы с периодом модуляции разности плеч коррелометра, что может приводить к заметным ошибкам измерения толщины. В тандемном интерферометре оптические флуктуации в среде вокруг образца и перемещения образца вдоль зондирующего пучка не приводят к прямым ошибкам измерений, хотя и могут влиять на амплитуду пиков когерентности и отношение сигнал/шум.

Для in situ диагностики объектов в экстремальных условиях представляет интерес возможность использования в тандемной интерферометрии многомодовых оптических волокон для связи между коррелометром и образцом. Эта возможность была впервые экспериментально продемонстрирована в работе [8] и использовалась в последующих работах [74,75]. Следует отметить, что применение многомодовых волокон в этих работах в значительной мере диктовалось отсутствием источников света с малой длиной когерентности, совместимых с одномодовыми оптическими волокнами. С появлением суперлюминесцентных диодов, фемтосекундных лазеров и широкополосных волоконных источников, позволяющих эффективно возбуждать одномодовые волокна, интерес к многомодовым схемам снизился. Этому способствовало также то, что многомодовые системы оказались более требовательными к оптическому качеству объекта измерения, чем системы на основе одномодовых волокон [74]. Как отмечено в [74], это обусловлено появлением дополнительных пиков когерентности, амплитуда которых зависит от оптического качества образца. Было высказано предположение, что этот эффект связан с модо вой дисперсией в многомодовом волокне и перемешиванием волоконных мод при отражении от образца. Однако, детального анализа эффектов, влияющих на формирование автокорреляционной функции в тандемном низкокогерентном интерферометре с многомодовым соединяющим волокном, насколько нам известно, до сих пор не проводилось.

В настоящей диссертационной работе показано, что применение многомодовых волокон в низкокогерентных измерительных системах может быть оправдано для диагностики образцов сравнительно высокого оптического качества в «шумных» промыш-

ленных средах. Привлекательными особенностями многомодовых интерференционных систем, с нашей точки зрения, являются:

совместимость с недорогими широкополосными источниками света, несовместимыми с одномодовыми волокнами - светодиодами, лампами накаливания и т.д.

меньшая, по сравнению с одномодовыми схемами, чувствительность к ориентации образца и к его позиционированию вдоль зондирующего пучка;

менее жесткие требования к качеству проекционной оптики и к юстировке проекционной системы по сравнению с одномодовыми системами.

Проведенные исследования особенностей формирования автокорреляционной функции в многомодовых низкокогерентных интерференционных системах позволили нам создать и внедрить эффективную аппаратуру оперативного контроля геометрических параметров прозрачных материалов в промышленности и научных исследованиях.

Одной из важных областей применения низкокогерентной оптической интерферометрии является диагностика поверхностного рельефа и профиля толщины плоскослоистых объектов и структур, в частности, структур со ступенчатым (кусочно-гладким) рельефом [58,76-82]. Это связано с тем, что низкокогерентная интерферометрия позволяет измерять геометрические размеры без неопределенности в А/2, свойственной стандартной лазерной интерферометрии. Как правило, измерение профиля производится в «томографической» конфигурации, т.е. образец помещается в одно из плеч коррелометра, см. [76-82]. Однако, при измерении профиля толщины прозрачных образцов, находящихся в «шумном» окружении, предпочтительным с точки зрения помехоустойчивости является тандемный вариант низкокогерентной интерферометрии.

Стандартная процедура измерения толщины прозрачных плоскопараллельных образцов в тандемной конфигурации рис. В.5 основана на измерении разности плеч коррелометра, соответствующей пику когерентности на толщине образца рис. В.6. Это ведет к необходимости контроля разности плеч коррелометра, точность которого должна соответствовать заданной точности измерения толщины. При нано- или субнанометро-вой точности измерений, такой контроль осуществляется с помощью опорного интерференционного сигнала, генерируемого при перестройке коррелометра.

Этот сигнал может быть получен несколькими методами. Стандартный метод, используемый в большинстве работ, основан на прецизионной лазерной интерферометрии [83-86]. В коррелометр вводится излучение высокостабильного лазера, создающее на выходе коррелометра интерференционный сигнал вида J_rc{(Y{t)) ~ coi4nY(t)/А^ , где

Y(t) - разность плеч коррелометра, A_tef - длина волны опорного лазера. Лазерный контроль разности хода коррелометра основан на дорогостоящих оптоэлектронных компонентах: высокостабильном опорном лазере, оптических компонентах для объединения/разделения низкокогерентного света и излучения опорного лазера на входе и выходе коррелометра, а также аппаратных и программных средств обработки интерференционных сигналов. Кроме того, опорный сигнал должен быть привязан к «нулевому» пику когерентности, т.е. размах модуляции разности плеч коррелометра не может быть меньше толщины образца. Это может ограничивать применимость метода для измерения толстых образцов.

В работе [87] предложено использовать для генерации опорного сигнала участок спектра основного низкокогерентного источника. Ширина этого участка Av должна быть достаточно малой, чтобы соответствующая ей длина когерентности /^ - Д v^_1 была порядка диапазона измерения оптической толщины D. Соответственно, мощность излучения, используемого для формирования опорного сигнала, обратно пропорциональна диапазону измерения толщины. Вследствие этого, метод может быть эффективным только для измерений в ограниченном диапазоне толщин.

От этого ограничения свободен дифференциальный метод, предложенный в [88,89], и независимо, в наших работах [А13,А16]. Идея метода состоит в том, чтобы генерировать опорный интерференционный сигнал с помощью высокостабильного эталонного интерферометра с известной оптической задержкой, подключенного к оптическому коррелометру параллельно образцу. При этом не требуется привязка к «нулевому» пику когерентности, что позволяет существенно уменьшить диапазон модуляции разности плеч коррелометра. Дифференциальный метод эффективен для задач, в которых толщины образца может изменяться в пределах нескольких длин когерентности. В ранних работах [88,89] метод применен для измерения температуры с помощью оптического датчика Фабри-Перо. Перспективные приложения дифференциальной низкокогерентной интерферометрии включают в себя: измерение параметров, конвертируемых в оптическую толщину; контроль отклонения размеров изделий (образцов) от заданных значений; прецизионную диагностику профиля толщины прозрачных образцов, в частности, дифференциальную диагностику, в которой зондирование образца производится двумя пучками и измеряется разность толщин образца в двух точках.

Проблемам прецизионного измерения профиля поверхности методами дифференциальной (двухпучковой) интерферометрии посвящен ряд публикаций [80-82,90,91].

В [90,91] описаны различные варианты дифференциальной лазерной интерферометрии, в которых уменьшено влияние флуктуации аксиальной координаты образца на результат измерения рельефа поверхности. Основное ограничение методик, развитых в этих работах, состоит в невозможности измерения скачков высоты (толщины), превышающих Я/2. В [80-82] предложен низкокогерентный дифференциальный профилометр на основе волоконного интерферометра Майкельсона; зондирующие пучки используются поляризационные моды анизотропного оптического волокна. «Узким местом» метода является чувствительность к оптическим неоднородностям на трассе распространения зондирующих пучков, что приводит к ограниченной помехоустойчивости.

Как показало в диссертационной работе, дифференциальная тандемная низкоко-гогерентная интерферометрия позволяет решить проблему помехоустойчивости в in situ измерениях прозрачных образцов и структур [А16]. В диссертации исследованы предельные возможности дифференциального метода и реализована измерительная процедура, учитывающая дисперсию в образце, эталоне и коррелометре. Эффективность метода для прецизионного измерения структуры образцов подтверждается недавней работой [92], в которой дифференциальная низкокогерентная интерферометрия использована для диагностики структуры биологических объектов.

Дифференциальная низкокогерентная интерферометрия может быть использована для создания многоканальных мультиплексируемых волоконно-оптических сенсорных систем. Рост интереса к таким системам, наблюдаемый на протяжении последних 20 лет, связан с их уникальными преимуществами, а также с появлением технологий и оптоэлектронных компонентов, позволяющих реализовать эти преимущества [93-97]. К настоящему времени, реализованы многоканальные волоконно-оптические датчики температуры, вибраций (сейсмических колебаний), давления, механических напряжений (деформаций) и других физических величин. Области применения многоканальных волоконно-оптических датчиков включают в себя сейсморазведку полезных ископаемых [98], внутрискважинный мониторинг нефте- газодобычи [99], диагностику состояния зданий и инженерных сооружений (мостов, дамб, тоннелей и.т.д.) [100].

Для волоконных сенсорных систем, включающих десятки или сотни чувствительных элементов, экономически оправданным является подключение чувствительных элементов к одной волоконной линии. Типичная многоканальная волоконная сенсорная система включает в себя сенсорные цепи, каждая из которых представляет собой оптоволоконную линию с подключенными к ней чувствительными элементами, и блока сбора данных (рис. В.7).

Рис. В.7. Многоканальная волоконно-оптическая сенсорная система. ODA, оптический блок сбора данных; S, чувствительный элемент; F, волоконная линия.

Основными преимуществами волоконно-оптических датчиков являются [91]:

нечувствительность к электромагнитным помехам;

непревзойденная устойчивость к экстремальным температурам;

отсутствие ограничений на длину линий передачи сигналов от чувствительных элементов к блоку сбора данных;

возможность последовательного подключения множества чувствительных элементов к одной оптоволоконной линии;

возможность объединения в одной сенсорной сети датчиков различных физических величин

В ряде приложений, характеризуемых экстремальными температурными или электромагнитными условиями, волоконным датчикам нет альтернативы. Среди таких приложений - непрерывный внутрискважинный мониторинг нефтедобычи, вибрационная и температурная диагностика оборудования атомных электростанций, и ряд других [98,99]. По мере снижения стоимости оптоволоконных компонентов волоконные датчики становятся привлекательными и для приложений, допускающих использование традиционных датчиков. Однако практическое внедрение волоконных датчиков сдерживается их сравнительно высокой стоимостью [94].

Значительная часть стоимости многоканальных систем приходится на компоненты, используемые для опроса (мультиплексирования) чувствительных элементов. Создание новых методов мультиплексирования, позволяющих снизить себестоимость сенсорных систем, имеет ключевое значение для их будущего.

Среди многочисленных типов оптоволоконных датчиков, существенный интерес для создания многоканальных сенсорных систем для измерений в экстремальных температурных условиях представляют интерференционные датчики. В интерференционных датчиках в качестве чувствительных элементов используются оптические интерферометры, транслирующие измеряемую величину (сейсмические колебания, температуру, давление и т.д.) в оптическую разность хода [95]. Чувствительные элементы интерференционных датчиков могут быть выполнены в виде резонаторов Фабри-Перо из материалов, способных выдерживать температуры ~ 1000 С (сапфир, карборунд и т.д.) [72,88]. Оптическое зондирование чувствительных элементов может осуществляться дистанционно, с расстояния до нескольких метров. При промышленной диагностике объектов и сред внутри ограниченных высокотемпературных объемов (печей, реакторов и т.д.) это позволяет избежать введения оптоволоконных компонентов в горячую зону, внутри которой размещается только чувствительный элемент.

Известные методы мультиплексирования интерференционных датчиков, последовательно присоединенных к волоконной линии, могут быть разделены на три группы, в зависимости от способа идентификации чувствительных элементов [54,93]. К первой группе относятся методы временного мультиплексирования (time division multiplexing, TDM), в которых идентификация чувствительных элементов производится по времени распространения света от блока сбора данных до чувствительного элемента и обратно. Вторую группу составляют методы волнового мультиплексирования (wavelength division multiplexing, WDM), основанные на распознавании чувствительных элементов по их спектральному отклику. В третью группу входят методы когерентного мультиплексирования (coherence multiplexing, СМ), основанные на низкокогерентной интерферометрии, в которых чувствительные элементы идентифицируются по вкладу в автокорреляционную функцию света на выходе сенсорной цепи [13,86,100-103,106,107]. Для увеличения числа мультиплексируемых чувствительных элементов и уменьшения перекрестных помех между ними, могут использоваться комбинации различных методов: так, в работе [107] предложена комбинация когерентного и временного мультиплексирования. Система может включать несколько параллельных сенсорных цепей, как показано на рис. В.7.

Многоканальная сенсорная система с когерентным мультиплексированием по сути представляет собой тандемный низкокогерентный интерферометр, измеряющий автокорреляционную функцию света на выходе цепочки последовательно соединенных чувствительных элементов (рис. В.7). Эта автокорреляционная функция имеет вид [102]:

4тг(Г±М5)

-+у

(В.З)

где Y - разность плеч коррелометра, Y - групповая разность плеч коррелометра, n_qt и*?, d* - обычный и групповой показатель преломления и геометрическая толщина чувствительного элемента с порядковым номером q, d_k —оптическая толщина k-го чувствительного элемента, Т(у) - огибающая автокорреляционной функции источника света. Разность плеч (или оптическая толщина) каждого чувствительного элемента в сенсорной цепи должна отличаться от других минимум на ширину пика когерентности, т.е. на несколько длин когерентности источника света. Оптическая толщина чувствительных элементов измеряется как разность плеч коррелометра, соответствующая центральному интерференционному максимуму соответствующего пика когерентности. Как и в обычной низкокогерентной интерферометрии, прецизионные измерения в системах с когерентным мультиплексированием в рамках стандартного подхода основаны на контроле разности плеч коррелометра средствами лазерной интерферометрии.

В диссертационной работе показано, что в задачах, где диапазон изменения оптической толщины чувствительных элементов не превосходит нескольких длин когерентности, для генерации опорного интерференционного сигнала можно использовать цепочку высокостабильных эталонных интерферометров с оптическими задержками, близкими к оптическим задержкам в чувствительных элементах. Это позволяет существенно уменьшить стоимость многоканальных сенсорных систем с когерентным мультиплексированием и расширить область их применения.

Цели и задачи работы

Цель работы состоит в разработке новых оптических методов измерений, использующих корреляционные свойства частично-когерентного оптического излучения, и исследовании возможностей применения этих методов в научных исследованиях и промышленности.

Задачи работы:

I. Исследование предельных возможностей низко когерентных кольцевых резонансных интерферометров и путей улучшения их чувствительности

Измерение эффекта Саньяка и эффекта Доплера с помощью низкокогерентного кольцевого резонансного интерферометра

Исследование особенностей формирования оптической автокорреляционной функции в тандемных низко когерентных интерферометрах, использующих мно-гомодовые оптические волноводы

Создание методов и аппаратуры in situ контроля геометрических параметров прозрачных объектов в реальном времени на основе волоконно-оптической низкокогерентной интерферометрии

Исследование предельных возможностей дифференциальной тандемной низкокогерентной интерферометрии для измерения толщины прозрачных образцов. Реализация профилометра, основанного на дифференциальной тандемной низкокогерентной интерферометрии

Теоретическое и экспериментальное исследование многоканальных когерентно мультиплексируемых сенсорных систем на основе дифференциальной низкокогерентной интерферометрии

ная новизна

Показана возможность измерения эффекта Саньяка модуляцией частоты света, отраженного от замыкающего зеркала интерферометра. Предложена балансная схема интерферометра, обеспечивающая подавления избыточного шума широкополосного источника. Предложена многорезонаторная конфигурация интерферометра, обеспечивающая выигрыш в чувствительности за счет более высокой эффективности использования мощности низкокогерентного источника света. Впервые измерен эффект Саньяка и эффект Доплера в несимметричном низкокогерентном резонансном кольцевом интерферометре.

Установлено, что автокорреляционная функция в тандемных низкокогерентных интерферометрах с многомодовым волоконным соединением между коррелометром и образцом существенно зависит от характера перемешивания волоконных мод при отражении от образца. Показано, что резонансная связь волоконных мод при отражении от оптически неоднородных образцов может приводить к значительному изменению автокорреляционной функции и к невозможности однозначного измерения толщины образца. Показано, что даже сильное перемешива-

ниє мод на трассе между коррелометром и образцом не приводит к разрушению оптических корреляций на толщине образца. Предложены гибридные системы оптического зондирования образца, сочетающие достоинства чисто одномодовых и чисто многомодовых систем.

4. Создан эффективный метод контроля толщины листового стекла на горячих стадиях производства, в условиях экстремальных температур и оптической турбулентности на трассе зондирующего пучка.

5. Реализован in situ контроль лазерного микролитографии CVD алмазов в реальном времени.

6. Продемонстрирован контроль профиля прозрачных образцов с нанометровым аксиальным разрешением, основанный на дифференциальной низкокогерентной интерферометрии. Оценено предельное аксиальное разрешение метода, динамический диапазон, и погрешности измерения, связанные с пространственной структурой зондирующих пучков.

7. Метод дифференциальной низко когерентной интерферометрии распространен на многоканальные сенсорные системы с когерентным мультиплексированием. Впервые реализована волоконно-оптическая многоканальная сенсорная система, в которой достигнута чувствительность к изменению оптической задержки -10"⁴ длины волны и динамический диапазон 6><10 без использования опорного лазера. Теоретически исследованы эффекты перекрестной связи между последовательно соединенными интерферометрами Фабри-Перо, связанные с многопроходной интерференцией в этих интерферометрах.

Положения, выносимые на защиту

1. Двухпроходная интерференционная система, включающая в себя низкокогерентный источник света, кольцевой резонатор и замыкающее зеркало, обладает чувствительностью к фазовой невзаимности, связанной с вращением интерферометра (фазовому эффекту Саньяка) и доплеровской невзаимности, связанной со сдвигом частоты света при отражении от замыкающего зеркала

2. Низкокогерентный кольцевой резонансный интерферометр, построенный по двухпроходной схеме, обеспечивает резонансный выигрыш в чувствительности ~F^I/2, где F- резкость резонатора, или отношение межмодового интервала к ши-

рине резонанса. Избыточный шум низкокогерентного источника может быть существенно подавлен в балансной схеме интерферометра, основанной на дифференциальном поляризационном фотоприемнике и анизотропном доплеровском модуляторе. Дополнительный выигрыш в чувствительности может быть получен добавлением в систему резонаторов со слегка отличающимися межмодовыми интервалами.

3. В автоколлимационном тандемном низкокогерентном интерферометре, где для освещения образца и приема отраженного от образца излучения используется одно и то же многомодовое волокно, модовая дисперсия и перемешивание волоконных мод могут создавать дополнительные пики когерентности в автокорреляционной функции. При достаточно плохом оптическом качестве образца дополнительные пики когерентности могут превысить пик когерентности на толщине образца, что ведет к невозможности однозначного измерения толщины. При одно-модовом освещении образца сколь угодно сильное искажение зондирующего пучка при отражении от образца не приводит к появлению дополнительных корреляций. Это обеспечивает эффективность гибридных одномодово-многомодовых систем оптического зондирования при низком качестве образцов, их нестабильной угловой ориентации, и наличии оптических искажений на трассе зондирующего пучка. Перемешивание мод на трассе между образцом и коррелометром, одинаково влияющее на волны, отраженные от обеих поверхностей образца, не приводит к существенному искажению автокорреляционной функции.

4. Многомодовая тандемная низкокогерентная интерферометрия эффективна для оперативного контроля толщины стекла на горячих стадиях производства.

5. Волоконно-оптическая низко когерентная интерферометрия эффективна для локального in situ контроля лазерной микрообработки алмазных пленок и пластин, обладающих шероховатостью, существенно превышающей длину волны зондирующего излучения, при условии, что качество второй поверхности образца близко к оптическому. Это позволило реализовать оперативную диагностику лазерной микрообработки алмазных пластин с шероховатостью обрабатываемой поверхности до 100 мкм.

6. Метод дифференциальной низкокогерентной интерферометрии обеспечивает аксиальное разрешение при измерении толщины прозрачных образцов 10³ -* 10"⁴ длины волны при динамическом диапазоне 10^s.

7. Дифференциальная тандемная низкокогерентная интерферометрия позволяет контролировать профиль прозрачных образцов с нанометровым аксиальным разрешением.

8. Дифференциальная низкокогерентная интерферометрия может быть использована для создания многоканальных волоконных сенсорных систем с мгновенным динамическим диапазоном -10 . Чувствительными элементами таких систем могут служить дистанционно зондируемые резонаторы Фабри-Перо, оптические толщины и добротность которых следует выбирать исходя из требования минимизации нежелательных интерференционных эффектов в цепочке резонаторов.

Научная и практическая значимость работы

Результаты работы могут быть использованы для создания оптических датчиков угловой скорости нового поколения, в том числе, миниатюрных интегрально-оптических устройств. Результаты, относящиеся к дифференциальной низкокогерентной интерферометрии, представляют интерес для прецизионной in situ диагностики микро- и наноструктур, а также для создания многоканальных датчиков вибраций, температуры, давления, статических деформаций для геофизики, нефтегазовой промышленности и т.д. Результаты, по оперативной диагностике прозрачных материалов имеют значение для развития помехоустойчивых неразрушающих методов измерения параметров материалов и структур в промышленности и научных исследованиях. Результаты гл. 2 использованы при создании и промышленном внедрении систем оперативного технологического контроля толщины стекла и оперативной диагностики лазерного травления алмазных пластин и могут быть полезны при разработке аппаратуры технологического контроля параметров прозрачных материалов.

Личный вклад автора в проведенные исследования

Создание теоретической модели кольцевого резонансного интерферометра с низкокогерентным источником света.

Участие в создании экспериментальной установки и проведение экспериментов по наблюдению эффектов Саньяка и Доплера в кольцевом резонансном интерферометре с низкокогерентным источником света.

Создание экспериментальной установки для дифференциального измерения профиля прозрачных структур и разработка алгоритма обработки сигналов в дифференциальном низкокогерентном интерферометре.

Выдвижение идеи многоканальной сенсорной системы на основе дифференциальной низкокогерентной интерферометрии, проведение теоретических исследований и расчетов, выбор оптимальной схемы и параметров экспериментальной установки;

Создание экспериментальной установки, разработка технологии изготовления полностью волоконного оптического коррелометра

Проведение теоретических и экспериментальных исследований влияния эффектов связи мод в низкокогерентных измерительных системах на основе многомо-довых волокон, выдвижение и реализация идеи использования многомодовых от-ветвителей для мультиплексирования каналов измерения в многоканальных измерительных системах на основе многомодовых волокон

Координация работ по созданию метода и аппаратуры оперативного контроля лазерной микрообработки алмазных пленок и пластин

Непосредственное участие в работах, связанных с разработкой методов и аппаратуры технологического контроля толщины листового стекла

Апробация работы и научные публикации

По теме диссертации опубликовано 17 работ, включая 7 статей в реферируемых журналах, 3 патента на изобретение и 7 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций и тематических сборниках. Результаты работы докладывались на Международной конференции по нелинейной и когерентной оптике «КИНО-98» (Москва, 1998), Международной конференции "Glass Processing Days - 2001" (Тампере, Финляндия, 2001), на 7-м Международном симпозиуме "Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life" (Новосибирск, 2002), международной конференции Lasers in

Manufacturing — 2003 (Мюнхен, Германия, 2003), а также на семинарах Института физики микроструктур РАН и Института Прикладной Физики РАИ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и списка литературы, включающего список цитированной литературы и список работ автора по теме диссертации. Общий объем диссертации составляет 154 страницы. Диссертация содержит 54 рисунка. Список цитированной литературы включает 127 наименований, список работ автора по теме диссертации состоит из 17 наименований.

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, показана ее научная значимость, сформулированы цели и задачи работы, приведены положения, выносимые на защиту, а также представлены сведения о структуре и содержании работы.

В первой главе дано описание несимметричного низкокогерентного резонансного кольцевого интерферометра. Установлено, что в двухпроходной схеме с кольцевым резонатором и ретрозеркалом при ширине спектра источника много больше межмодово-го интервала кольцевого резонатора зависимость выходной мощности от фазовой невзаимности в резонаторе описывается формулой Эйри. Показано, что при модуляционных измерениях саньяковской невзаимности может быть использован доплеровский модулятор, расположенный вне чувствительного контура. Рассмотрены фундаментальные источники шума в низкокогерентном кольцевом резонансном интерферометре, найдено, что стандарт избыточного шума света зависит от резкости резонатора F как F'¹'². Показано, что в режиме преобладания дробового и избыточного шума низко когерентный резонансный интерферометр обеспечивает выигрыш в чувствительности порядка F"² по сравнению с интерферометром Саньяка с той же геометрией чувствительного контура н таким же источником света. Предложена конфигурация интерферометра с балансным фотоприемником, обеспечивающая компенсацию избыточного шума света. Обсуждена поляризационная схема резонансного интерферометра, основанная на кольцевом резонаторе отражательного типа (с одним направленным ответвителем). Рассмотрена многоре-зонаторная конфигурация - набор резонаторов с несовпадающими междмодовыми интервалами, чувствительность которой в режиме преобладания дробового шума пропор-

циональна N^1/2, где N « F— число резонаторов, Выигрыш в чувствительности достигается за счет повышения КПД использования мощности источника света.

В экспериментальной части главы, описана реализованная нами схема волоконного низкокогерентного резонансного кольцевого интерферометра и описаны эксперименты по измерению эффекта Саньяка и эффекта Доплера. При измерении эффекта Саньяка использовалась низкочастотная доплеровская модуляция с периодом, много меньшим времени жизни фотона в резонаторе, и синхронное детектирование на первой гармонике частоты модуляции. При измерении эффекта Доплера при отражении от рет-розеркала, был использован встроенный в чувствительный контур фазовый модулятор, работающий на частоте, равной Уг межмодового интервала резонатора.

Во второй главе рассмотрены низкокогерентные тандемные интерферометры, в которых для связи между коррелометром и образцом используются многомодовые оптические волноводы. Показано, что перемешивание волоконных мод при отражении от образца и при распространении по многомодовым волоконным линиям приводит к появлению дополнительных оптических корреляций, создающих «когерентный шум» — множество дополнительных пиков когерентности в автокорреляционной функции, связанных с интерференцией цугов когерентности, прошедших часть пути между коррелометром и образцом в разных волоконных модах. Найдено, что при ухудшении оптического качества образца когерентный шум может расти за счет резонансной связи мод на неоднородностях образца. Установлено, что многомодовые системы оптического зондирования образца существенно менее чувствительны к ориентации образцов, качеству проекционной оптики и оптическим искажениям на трассе зондирующего пучка, чем одномодовые системы. Предложены гибридные системы оптического зондирования образца, в которых излучение доставляется к образцу по одномодовому волокну, а для сбора отраженного излучения используется многомодовое волокно, и показано, что они сочетают достоинства чисто одномодовых и чисто многомодовых систем. Установлено, что перемешивание мод внутри волоконных линий не приводит к разрушению оптической когерентности и падению амплитуды пика когерентности на толщине образца. Это позволяет использовать в многомодовых авто коллимационных схемах полностью волоконные многомодовые ответвители, характеризующиеся сильным перемешиванием мод,

В разделе 2.2 описаны многоканальные промышленные волоконно-оптические системы контроля толщины листового стекла, созданные на основе результатов исследования низкокогерентных интерференционных систем с многомодовыми волокнами.

В разделе 2.3 исследованы возможности применения низкокогерентной тандем-ной интерферометрии для диагностики образцов с поверхностной шероховатостью, существенно превышающей длину волны зондирующего излучения. Предложена методика оптимизации параметров системы оптического зондирования образца, позволяющая максимизировать среднее отношение сигнал/шум для шероховатых образцов. Разработана и успешно внедрена система in situ контроля толщины алмазных пластин в ходе их лазерного травления, основанная на поляризационном интерферометре с модулятором оптического пути на основе вращающейся прозрачной пластины.

Третья глава содержит результаты, относящиеся к дифференциальной тандем-ной низкокогерентной интерферометрии. Показано, что мгновенный динамический диапазон измерения оптической толщины методом дифференциальной низкокогерентной интерферометрии, определяемый фундаментальными источниками шума с одной стороны, и длиной когерентности источника света с другой стороны, может превышать 10⁵. Дифференциальная низко когерентная интерферометрия успешно продемонстрирована для дифференциального измерения профиля прозрачных образцов (измерения разности толщин в двух точках образца) с нанометровым аксиальным разрешением.

Низкокогерентная резонансная кольцевая интерферометрия: эксперимент

Основными преимуществами волоконно-оптических датчиков являются [91]: нечувствительность к электромагнитным помехам; непревзойденная устойчивость к экстремальным температурам; отсутствие ограничений на длину линий передачи сигналов от чувствительных элементов к блоку сбора данных; возможность последовательного подключения множества чувствительных элементов к одной оптоволоконной линии; возможность объединения в одной сенсорной сети датчиков различных физических величин В ряде приложений, характеризуемых экстремальными температурными или электромагнитными условиями, волоконным датчикам нет альтернативы. Среди таких приложений - непрерывный внутрискважинный мониторинг нефтедобычи, вибрационная и температурная диагностика оборудования атомных электростанций, и ряд других [98,99]. По мере снижения стоимости оптоволоконных компонентов волоконные датчики становятся привлекательными и для приложений, допускающих использование традиционных датчиков. Однако практическое внедрение волоконных датчиков сдерживается их сравнительно высокой стоимостью [94].

Значительная часть стоимости многоканальных систем приходится на компоненты, используемые для опроса (мультиплексирования) чувствительных элементов. Создание новых методов мультиплексирования, позволяющих снизить себестоимость сенсорных систем, имеет ключевое значение для их будущего. Среди многочисленных типов оптоволоконных датчиков, существенный интерес для создания многоканальных сенсорных систем для измерений в экстремальных температурных условиях представляют интерференционные датчики. В интерференционных датчиках в качестве чувствительных элементов используются оптические интерферометры, транслирующие измеряемую величину (сейсмические колебания, температуру, давление и т.д.) в оптическую разность хода [95]. Чувствительные элементы интерференционных датчиков могут быть выполнены в виде резонаторов Фабри-Перо из материалов, способных выдерживать температуры 1000 С (сапфир, карборунд и т.д.) [72,88]. Оптическое зондирование чувствительных элементов может осуществляться дистанционно, с расстояния до нескольких метров. При промышленной диагностике объектов и сред внутри ограниченных высокотемпературных объемов (печей, реакторов и т.д.) это позволяет избежать введения оптоволоконных компонентов в горячую зону, внутри которой размещается только чувствительный элемент.

Известные методы мультиплексирования интерференционных датчиков, последовательно присоединенных к волоконной линии, могут быть разделены на три группы, в зависимости от способа идентификации чувствительных элементов [54,93]. К первой группе относятся методы временного мультиплексирования (time division multiplexing, TDM), в которых идентификация чувствительных элементов производится по времени распространения света от блока сбора данных до чувствительного элемента и обратно. Вторую группу составляют методы волнового мультиплексирования (wavelength division multiplexing, WDM), основанные на распознавании чувствительных элементов по их спектральному отклику. В третью группу входят методы когерентного мультиплексирования (coherence multiplexing, СМ), основанные на низкокогерентной интерферометрии, в которых чувствительные элементы идентифицируются по вкладу в автокорреляционную функцию света на выходе сенсорной цепи [13,86,100-103,106,107]. Для увеличения числа мультиплексируемых чувствительных элементов и уменьшения перекрестных помех между ними, могут использоваться комбинации различных методов: так, в работе [107] предложена комбинация когерентного и временного мультиплексирования. Система может включать несколько параллельных сенсорных цепей, как показано на рис. В.7.

Многоканальная сенсорная система с когерентным мультиплексированием по сути представляет собой тандемный низкокогерентный интерферометр, измеряющий автокорреляционную функцию света на выходе цепочки последовательно соединенных чувствительных элементов (рис. В.7). Эта автокорреляционная функция имеет вид [102]: где Y - разность плеч коррелометра, Y - групповая разность плеч коррелометра, nqt и , d - обычный и групповой показатель преломления и геометрическая толщина чувствительного элемента с порядковым номером q, dk —оптическая толщина k-го чувствительного элемента, Т(у) - огибающая автокорреляционной функции источника света. Разность плеч (или оптическая толщина) каждого чувствительного элемента в сенсорной цепи должна отличаться от других минимум на ширину пика когерентности, т.е. на несколько длин когерентности источника света. Оптическая толщина чувствительных элементов измеряется как разность плеч коррелометра, соответствующая центральному интерференционному максимуму соответствующего пика когерентности. Как и в обычной низкокогерентной интерферометрии, прецизионные измерения в системах с когерентным мультиплексированием в рамках стандартного подхода основаны на контроле разности плеч коррелометра средствами лазерной интерферометрии.

В диссертационной работе показано, что в задачах, где диапазон изменения оптической толщины чувствительных элементов не превосходит нескольких длин когерентности, для генерации опорного интерференционного сигнала можно использовать цепочку высокостабильных эталонных интерферометров с оптическими задержками, близкими к оптическим задержкам в чувствительных элементах. Это позволяет существенно уменьшить стоимость многоканальных сенсорных систем с когерентным мультиплексированием и расширить область их применения.

Цель работы состоит в разработке новых оптических методов измерений, использующих корреляционные свойства частично-когерентного оптического излучения, и исследовании возможностей применения этих методов в научных исследованиях и промышленности. I. Исследование предельных возможностей низко когерентных кольцевых резонансных интерферометров и путей улучшения их чувствительности Измерение эффекта Саньяка и эффекта Доплера с помощью низкокогерентного кольцевого резонансного интерферометра Исследование особенностей формирования оптической автокорреляционной функции в тандемных низко когерентных интерферометрах, использующих мно-гомодовые оптические волноводы Создание методов и аппаратуры in situ контроля геометрических параметров прозрачных объектов в реальном времени на основе волоконно-оптической низкокогерентной интерферометрии Исследование предельных возможностей дифференциальной тандемной низкокогерентной интерферометрии для измерения толщины прозрачных образцов. Реализация профилометра, основанного на дифференциальной тандемной низкокогерентной интерферометрии Теоретическое и экспериментальное исследование многоканальных когерентно мультиплексируемых сенсорных систем на основе дифференциальной низкокогерентной интерферометрии.

Многомодовые волоконно-оптические ответвители в тандемной низкокогерентной интерферометрии

Так как выходная мощность резонансного интерферометра сосредоточена в узких резонансных линиях, спектр избыточного шума в низкокогерентном резонансном интерферометре должен быть существенно неоднородным на интервале частот, равном межмодовому интервалу резонатора. Действительно, на частотах, кратных межмодовому интервалу резонатора fm = mcj{nL) (в том числе на нулевой частоте), спектральная плотность избыточного шума должна быть максимальной, так как этим частотам соответствуют биения между спектральными компонентами, локализованными в резонансных линиях. При отстройке от этих частот на ширину резонансной линии следует ожидать значительного ослабления избыточного шума, так как в этом случае мощные спектральные компоненты, относящиеся к резонансным линиям, интерферируют со слабыми спектральными компонентами, находящимися вне спектральных линий [А9].

Спектр избыточного шума, вычисленный по формуле (1.21), показан на рис. 1.6. На частотах fmJrV2 (m + l/2)c/{nL) избыточный шум приблизительно в F2 раз меньше, чем на частотах, кратных межмодовому интервалу резонатора fm = mcj{nL). В связи с тем, что на частотах f c/(nLF) избыточный шум существенно ослаблен, представляет интерес рассмотреть отклик резонансного интерферометра на быструю модуляцию, период которой порядка или меньше времени жизни фотона в резонаторе. Можно ожидать, что чувствительность интерферометра в режиме быстрой модуляции будет определяться конкуренцией двух факторов: падением модуляционного отклика интерферометра с ростом частоты модуляции из-за эффекта памяти резонатора, и ослаблением избыточного шума на высоких частотах с другой стороны. Исследование резонансного интерферометра в режиме быстрой модуляции может быть проведено в терминах интерференции волновых цугов, многократно обошедших чувствительный контур. Исследование характеристик интерферометра при быстрой модуляции может быть одной из тем дальнейших исследований.

Интерферометр с отражательным кольцевым резонатором. Помимо схемы рис. 1.1с резонатором, работающим на прохождение, возможен вариант низкокогерентного кольцевого резонансного интерферометра с отражательным резонатором. Чтобы эффективно использовать эту конфигурацию, необходимо устранить мощную засветку, создаваемую излучением, не совершившим ни одного обхода резонатора. где «+» и «-» соответствуют обходу резонатора по часовой стрелке и против часовой стрелки, р - набег фазы световой волны за полный обход резонатора. Первое слагаемое (1.35) включает в себя фон (первый член (1.36)) и волны, совершившие четное число обходов резонатора (второй член (1.36)); второе слагаемое (1.35) образовано волнами, совершившими нечетное число обходов резонатора.

Эффективная длина резонатора оказывается двое больше оптической длины за счет того, что вклад в интерференционный сигнал дают только волны с одинаковыми состояниями поляризации, а состояние поляризации воспроизводится через два обхода резонатора. Если собственные потери в резонаторе малы, то резкость резонатора остается такой же, как в схеме рис. 1.1: удвоение потерь за счет исключения волн, обходящих резонатор четное количество раз, компенсируется отсутствием утечки мощности, создаваемой вторым ответвителем. Благодаря удвоению эффективной длины резонатора, чувствительность схемы к вращению улучшается в V2 раз по сравнению со схемой рис. 1.1.

Многорезонаторный кольцевой низкокогерентный интерферометр, S, низкокогерентный источник света; ОС, оптический циркулятор; Р, поляризатор; С, направленный ответвитель со слабой связью; PD, фотоприемник; М, ретрозеркало; Дш,, А(о2,..., До , межмодовые интервалы резонаторов, Ды, Ф ДОР2 Ф ... Ф Aa N.

Существенной проблемой низкокогерентных резонансных кольцевых интерферометров является низкая эффективность использования мощности источника. Это может быть до известной степени исправлено в схеме с несколькими последовательными резонаторами рис. 1.8. Каждый резонатор имеет уникальный межмодовый интервал, что позволяет каждому последующему резонатору эффективно отбирать спектральные компоненты, не использованные предыдущими резонаторами, Если пренебречь эффектами перекрестной связи между резонаторами, оптическая мощность на выходе цепочки резонаторов может быть записана в виде

При и числе резонаторов N«Ft полезный сигнал многорезонаторного интерферометра приблизительно в N раз больше, чем однорезонаторного; средняя выходная мощность также растет пропорционально N. Использование многорезонаторных схем оправданно, если чувствительность интерферометра определяется дробовым шумом. В этом случае многорезонаторная схема обеспечивает выигрыш в чувствительности порядка N1 2. Многорезонаторные схемы могут быть эффективны для высокодобротных резонаторов, в первую очередь, интегрально-оптических. Изучение многорезонаторных конфигураций может составить предмет дальнейших исследований.

Резонансный кольцевой интерферометр с низкокогерентным источником света в конфигурации рис. 1.7 был исследован экспериментально [А5,А9]. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.9. Источником света служил суперлюминесцентный диод SLD с центральной длиной волны 0.83 мкм и выходной мощностью 100 мкВт. Кольцевой резонатор CR был изготовлен из изотропного одномодового волокна, намотанного на барабан радиусом 10 см. Длина Кольцевого резонатора составляла 500 м. Резонатор был замкнут полированным волоконным ответвителем С 2 с коэффициентом деления 1:10. При таком коэффициенте деления резкость резонатора определялась собственными потерями в кольце, которые составляли около 2.2 дБ/км. Требуемая анизотропия в кольцевом резонаторе и в промежутке между ответвителем и ретрозеркалом создавалась поляризационными управителями Лефевра [127] РСи РСг. В режиме без отсечки фона (1.36) максимальная резкость контура была равна 4, в режиме с устранением отраженного от резонатора света - около 1.8, так что в последнем случае интерферометр работал в режиме, близком к однопроходному. Ретро-зеркало М было закреплено на громкоговорителе LS, что позволяло использовать его в качестве доплеровского модулятора. Интерферометр был установлен на поворотном столе Т, который мог вращаться в обоих направлениях с угловой скоростью 6007час. Следует отметить, что мы не стремились к оптимизации параметров установки, так как основная цель эксперимента состояла в демонстрации нового метода измерений.

Резкость резонатора определялась по осциллограмме выходной мощности интерферометра, получаемой при доплеровской модуляции фазовой невзаимности. Модулятором служило возвращающее зеркало М на громкоговорителе LS. Амплитуда доплеровской модуляции была равна половине межмодового интервала резонатора. При свип-пировании частоты отраженного света, на экране осциллографа наблюдалась резонансная кривая кольцевого резонатора (рис. 1.10). Таким образом, было реализовано измерение добротности резонатора с очень узкой (порядка 50 кГц) резонансной линией предельно простыми средствами,

Контроль лазерного микропрофилирования алмазных структур с нанометровым аксиальным разрешением

Так как диаметр кора и числовая апертура много-модовых волокон сравнительно велики, многомодовые системы намного менее чувствительны к качеству проекционной оптики и к положению образца относительно перетяжки зондирующего пучка, чем одномодовые. В одномодовых автоколлимационных системах рис. 2.1а обычные сферические линзы с нескорректированными аберрациями вносят потери порядка 17 дБ и более, что связано с плохим согласованием структуры отраженного пучка с волоконной модой. Одномодовые системы требуют либо многоэлементных объективов, либо асферической оптики. В то же время, в системах на основе стандартных телекоммуникационных многомодовых волокон стандартные сферические линзы обеспечивают приемлемый уровень потерь -3-5-5 дБ. Возможность применения простой одноэлементной сферической оптики важна для высокотемпературных приложений, в которых проекционный объектив находится при повышенной температуре -диапазон рабочих температур многоэлементных объективов (склеек) ограничен (как правило, не выше 80 С), а асферические объективы большого диаметра чрезвычайно дороги. В связи с этим важно оценить эффекты перемешивания мод, связанные с аберрациями проекционного объектива.

Соответствующее рассмотрение аналогично проведенному в предыдущем пункте. Искажения, вносимые проекционной системой, могут приводить к сильному перемешиванию мод. Но если образец оптически однороден и достаточно тонок, коэффициенты связи мод при отражении от обеих поверхностей можно считать одинаковыми: аРйЧ = аРц - apq Это позволяет воспроизвести рассуждения предыдущего пункта и прийти к выводу, что влияние оптических искажений в многомодовых системах сводится главным образом в уменьшении оптической мощности, возвращаемой образцом в волокно. То же относится и к перемещениям образца вдоль зондирующего пучка. В эксперименте не наблюдалось зависимости между качеством проекционного объектива и соотношением амплитуд пика когерентности на толщине образца и «сател-литных» пиков когерентности на образцах высокого качества. Таким образом, можно констатировать, что аберрации проекционного объектива и неточное позиционирование образца относительно перетяжки в многомодовых систе мах не приводят к существенной модификации автокорреляционной функции. Основной вклад этих факторов сводится к увеличению прямых оптических потерь. Все сказанное об аберрациях проекционного объектива в полной мере относится и к другим источникам оптических искажений, например, к искажениям в конвективных потоках газа или жидкости, окружающих образец, к аберрациям в защитных окнах, сквозь которые проходит зондирующий пучок, и т.д. Из предыдущего рассмотрения следует, что «узкие места» многомодовых схем связаны с многомодовым характером освещения образца, а одномодовых - с плохой совместимостью пространственной структуры отраженных от образца пучков с волоконной модой. Будет ли двухволокон-ная схема рис. 2.16 с одномодовым передающим волокном и многомодовым приемным волокном сочетать преимущества одномодовых и многомодовых автоколлимационных систем? Действительно, при одном падающем на образец импульсе, в каждой моде приемного волокна F2 имеем только пару импульсов с разностью хода, равной удвоенной оптической толщине образца. В силу ортогональности мод приемного волокна, корреляции между импульсами, выходящими из приемного волокна в разных модах, отсутствуют. Из (2.15) следует, что в отсутствие связи между модами в самом волокне и при сохране ний ортогональности мод на выходе волокна, амплитуда пика когерентности на толщине образца где R{ 0) эффективные коэффициенты отражения поверхностей образца, т.е. отношения мощности на выходе приемного волокна, полученной оту-й поверхности образца, к падающей на образец мощности. По сути, влияние приемного волокна сводится к замене френелевских коэффициентов эффективными коэффициентами отражения, учитывающими совместимость пространственной структуры отраженных пучков с приемным волокном F2. Чувствительность системы к угловой ориентации образца, оптическим искажениям в проекционной системе и к положению образца относительно перетяжки зондирующего пучка - такая же, как в многомодовых автоколлимационных системах, в то время как чувствительность к оптической неоднородности образцов, определяемая интегралом перекрытия отраженных полей (2.61) - как в одномодовых системах. Эксперименты с двухволоконными схемами подтверждают это, В двухволоконной схеме на основе одномодового волокна ЗМ FS-SN-4224 и многомодового волокна Corning 62.5/125 нам удалось уверенно измерять необработанные пластины (шероховатые) CVD алмазов с поверхностной шероховатостью порядка 50 мкм, чего никогда не удавалось достичь в многомодовой коллимационной схеме. По сравнению с одномодо-вой автоколлимационной схемой на волокне ЗМ FS-SN-4224, гибридная схема продемонстрировала значительно меньшую чувствительность к ориентации образцов. При замене многоэлементного фотообъектива Гелиос-44 на плосковыпуклую сферическую линзу с тем же фокусным расстоянием, отношение сигнал/шум в двухволоконной схеме упало менее чем вдвое, а в одномодовой автоколлимационной схеме - в б раз.

Основной проблемой двухволоконных схем с точки зрения их практического использования является более сложная, по сравнению с автоколлимационными схемами, конструкция. Это усложнение может быть критичным для приложений, характеризующихся экстремальными условиями в зоне измерений. Кроме того, в гибридной схеме не могут применяться источники света типа светодиодов или ламп накаливания, т.е. часть преимуществ многомодовых волоконных схем все же теряется.

Одиночное многомодовое волокно в двухволоконной схеме может быть заменено многожильным волоконным кабелем с переносом изображения. В этом случае, схема рис. 2.16 может быть использована для получения 3-х мерных изображений объектов либо для измерения образцов очень низкого оптического качества, дающих интерференционную картину с очень сложной структурой. При наличии большого числа интерференционных полос на апертуре пучка стандартная схема с одиночным приемным волокном неэффективна из-за малости амплитуды пика когерентности на толщине образна (2.61). Изучение волоконных интерференционных систем с переносом изображения представляется одним из интересных направлений дальнейших исследований.

До сих пор предполагалось, что обмен мощностью между модами внутри волокна отсутствует. Между тем, в реальных многомодовых волоконных линиях всегда существует перемешивание мод, связанное с локальными нарушениями трансляционной симметрии волокна — внутренними дефектами, соединениями волокон и т.д. В длинных волоконных линиях это перемешивание может быть значительным. Например, при одномодовом возбуждении 100 м отрезка стандартного телекоммуникационного многомодового волокна, выходной модовый спектр оказывается почти однородным. В данном разделе мы рассмотрим влияние перемешивания мод внутри волоконных линий на оптическую автокорреляционную функцию, наблюдаемую в интерференционных системах с многомодовыми волокнами.

Погрешности измерения, связанные с пространственной структурой зондирующих пучков

Технологический контроль толщины флоат-стекла на горячих стадиях производства - одна из задач, соответствующих сформулированным предыдущем пункте критериям эффективности многомодовой тандемноЙ низкокогерентной интерферометрии. Современный процесс производства листового стекла, называемый флоат-процессом, включает в себя следующие стадии: приготовление стекломассы; формирование ленты стекла на слое расплавленного олова, производимое в т.н. флоат-ванне; отжиг, при котором стекло охлаждается с 700 С до комнатной температуры; выходной контроль и резка стекла. Формирование ленты стекла во флоат-ванне является одним из ключевых этапов процесса, на котором определяется профиль толщины стекла. Одной из важных задач управления производством является непрерывная диагностика толщины ленты стекла на выходе флоат-ванны или в начале печи отжига. Такая диагностика необходима, прежде всего, для эффективного управления технологической линией в режиме перехода с одной толщины стекла на другую. Переход неизбежно связан с потерями стекломассы, которые пропорциональны его длительности. При традиционном контроле толщины ленты стекла на холодном конце линии существует 30-минутная задержка между действиями операторов во флоат-ванне и получением данных о результатах этих действий. Контроль толщины ленты стекла в горячей зоне позволяет существенно уменьшить время реакции операторов на свои действия и тем самым сократить потери времени и стекла при переходе. Кроме того, меньшая инерционность в управлении флоат-ванной позволяет более точно контролировать толщину и профиль ленты стекла, что обеспечивает лучшее приближение толщины стекла к нижней границе ГОСТа, и, в конечном итоге, экономию стекломассы.

Условия, в которых должна работать система контроля толщины флоат-стекла, достаточно жесткие: температура стекла - 650 С; угловые колебания ленты стекла - в пределах 1 -г- 2; в объеме над лентой стекла может присутствовать турбулентная конвекция. Оборудование, установленное на своде печи, может испытывать довольно сильную вибрацию от размещенных рядом механизмов.

Флоат-стекло характеризуется высоким качеством, близким к оптическому; на кондиционных образцах угол между поверхностями стекла не превышает 10 3 рад, среднее значение по нашим измерениям - 10 рад. Локальные отклонения от плоскостности на масштабах от 10 мкм до 10 мм, как правило, не превосходят долей микрона. Па краях ленты стекла, а также в нестационарных режимах работы флоат-линии, например, при переходе с одной толщины стекла на другую, качество стекла может ухудшаться.

Система контроля толщины стекла в горячей зоне должна отвечать жестким требованиям. Она должна работать в непрерывном режиме в течение всего времени жизни флоат-линии (7+10 лет). Дискретность измерения геометрической толщины должна быть не хуже 10 мкм; при этом желательно, чтобы точность измерений была не хуже 20 мкм. Частота обновления данных о толщине стекла должна быть не менее 1 раза в 2 секунды. Система должна устойчиво работать при переходах с одной толщины. Для контроля поперечного профиля ленты стекла система должна обеспечивать измерение толщины в нескольких точках поперек ленты стекла. Система должна быть нетребовательной к техническому обслуживанию и быть защищенной от повреждений при авариях, таких, как обрыв ленты стекла.

Оптические методы измерения толщины флоат-стекла. К настоящему времени для контроля толщины ленты флоат-стекла, используются, главным образом, модификации метода двойного отражения (double reflection), основанные на наклонном освещении стекла колли миро ванным световым пучком и измерении расстояния между пучками, отраженными от верхней и нижней поверхности стекла (рис. 2.8). Па основе этого метода выпускается коммерческое измерительное оборудование для стекольной промышленности [116,117].

Известна также попытка использования волоконно-оптической низкокогерентной интерферометрии для измерения уровня стекломассы [73]. Использовалась «томографическая» схема, неоптимальная для высокотемпературных промышленных измерений по причинам, обсужденным во Введении. Насколько нам известно, эта работа не получила развития.

Условия измерения толщины стекла на горячих стадиях производства очень хорошо соответствуют критериям эффективности измерительных систем на основе много-модовых волоконно-оптической тандемной интерферометрии, сформулированным в конце п. 2.1. Но обладает ли низкокогерентная интерферометрия реальными преимуществами по сравнению с методом двойного отражения?

Эти преимущества связаны с двумя обстоятельствами. Во-первых, низкокогерентная интерферометрия использует геометрию нормального падения зондирующего пучка на образец. Во-вторых, низкокогерентная интерферометрия является дистанционной методикой - все прецизионные компоненты оборудования могут быть размещены вне зоны измерений. Обсудим эти преимущества подробнее.

Интерференционные измерения в геометрии нормального падения практически свободны от ошибок, связанных с нспараллельностью верхней и нижней поверхностей стекла и воздушной турбулентностью в пространстве между стеклом и измерительной головкой. В методе двойного отражения непараллельность поверхностей образца приводит к ошибке измерения толщины порядка ccL, где а- угол клина, L - путь между точкой отражения и измерительной головкой. За счет L ошибка измерения может быть значительной даже при малых а. В интерференционных измерениях непараллельность приводит к пренебрежимо малой систематической ошибке -сг, не зависящей от расстояния между стеклом и измерительной головкой. Это особенно важно для надежной работы измерительной системы при переходах с одной толщины стекла на другую, когда угол между поверхностями стекла может быть значительным.

Существенным фактором, влияющим на точность метода двойного отражения, является оптическая турбулентность над лентой стекла, возникающая как из-за неоднородности температуры в объеме печи отжига, так и при нагнетании газов в печь. В измерениях методом двойного отражения воздушная турбулентность приводит к погрешностям измерения толщины из-за преломления отраженных пучков на случайных неодно-родностях турбулентной среды. Эта ошибка растет с увеличением пути, проходимого пучками в турбулентной среде. Вследствие этого, измерительные головки приходится размещать либо очень близко к ленте стекла в высокотемпературной зоне, либо под лентой стекла, где турбулентность слабее, но существует риск повреждения головок при обрывах ленты стекла. В интерференционных измерениях оба отраженных пучка проходят через одни и те же неоднородности среды, следовательно, разность их оптических путей не меняется и ошибка в измерении толщины не возникает, хотя турбулентность может приводить к флуктуациям амплитуды пика когерентности и через это - к росту случайных ошибок измерений. Малая чувствительность к непараллельности поверхностей стекла и воздушной турбулентности позволяет размещать измерительные головки интерференционной системы на большом расстоянии от стекла, вне высокотемпературной зоны. Это обеспечивает щадящий температурный режим для измерительных головок, удобство их настройки и технического обслуживания, а также исключает повреждение измерительных головок фрагментами ленты стекла при ее обрыве.

В методе двойного отражения, измерительные головки принципиально содержат прецизионные оптоэлектронные компоненты, чувствительные к температурному режиму — источники света, фотоматрицы, и т.д. Это приводит к необходимости охлаждения, сложной тепловой защиты и т.д. Измерительные головки интерференционной системы содержат только простую проекционную оптику. Остальные компоненты измерительной системы размещаются в комфортных условиях вдали от зоны измерений.

Похожие диссертации на Развитие методов низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии

Синтез и исследование электронно- и ионно-оптических систем на основе развития методов теории возмущенийЯвор, Михаил Игоревич

Развитие методов обработки фотографической информацииМузалевский, Юрий Сергеевич

Развитие метода рентгеноэлектронной спектроскопии для исследования термоструктурных превращений и релаксационных процессов на поверхности расплавов Ni-PСапожников Геннадий Вячеславович

Развитие методов обработки информации в масс-спектрометрии для изотопного и элементного анализаМанойлов Владимир Владимирович

Развитие методов исследования нестационарных откликов в магнитоупорядоченных материалах и сверхпроводникахПлешаков Иван Викторович

Развитие методов анализа структуры некристаллических и наноразмерных материалов с использованием синхротронного излученияВелигжанин, Алексей Александрович

Развитие методов радиометрического зондирования многослойных структур в миллиметровом диапазоне длин волнРакуть, Игорь Владимирович

Развитие метода эллипсометрии для исследования наноразмерных пленок диэлектриков, полупроводников и металловСвиташева Светлана Николаевна

Развитие метода спин-волновой спектроскопии для исследования магнитных неоднородностей нанокристаллических, мультислойных и градиентных пленок Fe-Ni, Co-Ni и Co-PВаженина Ирина Георгиевна

Развитие диагностических методов для задач проекционной литографии 13,5 нмПестов Алексей Евгеньевич