RU2507487C2 - Method to determine amplitude of nanovibrations by signal of laser autodyne - Google Patents
Method to determine amplitude of nanovibrations by signal of laser autodyne Download PDFInfo
- Publication number
- RU2507487C2 RU2507487C2 RU2012118770/28A RU2012118770A RU2507487C2 RU 2507487 C2 RU2507487 C2 RU 2507487C2 RU 2012118770/28 A RU2012118770/28 A RU 2012118770/28A RU 2012118770 A RU2012118770 A RU 2012118770A RU 2507487 C2 RU2507487 C2 RU 2507487C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplitude
- signal
- dec
- autodyne
- time
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, может быть использовано для определения амплитуд вибраций объектов в десятки нанометров и может найти широкое применение в точном машиностроении и электронной технике.The invention relates to the field of instrumentation, can be used to determine the amplitudes of vibration of objects in tens of nanometers and can be widely used in precision engineering and electronic engineering.
Известен способ измерения амплитуд вибраций, сущностью которого является получение поля интерференции опорного и измерительного пучков когерентного излучения. Способ заключается в том, что после получения поля интерференции смещают частоту излучения одного из пучков относительно другого на величину, меньшую ω/2, где ω - частота вибрации контролируемого объекта, получают сигнал, пропорциональный яркости поля интерференции, производят фильтрацию сигнала и по его характеру судят об амплитуде вибрации. При фильтрации сигнала в нем оставляют гармонические составляющие с частотами, входящими в интервал nω±Δ, где n=1, 2, 3, …, а Δ<ω, измеряют размах сигнала до и после фильтрации и определяют по формуле амплитуду вибрации (см. патент на изобретение №2217707, МПК G01H 9/00).A known method of measuring the amplitudes of vibrations, the essence of which is to obtain the interference field of the reference and measuring beams of coherent radiation. The method consists in the fact that after receiving the interference field, the radiation frequency of one of the beams relative to the other is shifted by an amount less than ω / 2, where ω is the vibration frequency of the controlled object, a signal is obtained proportional to the brightness of the interference field, the signal is filtered and judged by its nature about the amplitude of the vibration. When filtering the signal, harmonic components are left in it with frequencies included in the interval nω ± Δ, where n = 1, 2, 3, ..., and Δ <ω, the signal amplitude is measured before and after filtering and the vibration amplitude is determined by the formula (see patent for invention No. 2217707, IPC G01H 9/00).
Недостатком известного способа является сложная техническая реализация, необходимость измерения яркости полей интерференции, необходимость изменять частоту излучения одного из световых пучков и контролировать ее.The disadvantage of this method is the difficult technical implementation, the need to measure the brightness of the interference fields, the need to change the radiation frequency of one of the light beams and control it.
Также известен способ определения амплитуды колебаний объекта по соотношению четных или нечетных гармоник спектрального ряда автодинного сигнала (Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Издательство Саратовского университета, Саратов, 2003 г., 312 с.).There is also a method for determining the amplitude of an object’s oscillations from the ratio of even or odd harmonics of the spectral series of an autodyne signal (Usanov D.A., Skripal A.V., Skripal A.V. Physics of semiconductor radio-frequency and optical autodyne. Saratov University Press, Saratov, 2003 ., 312 p.).
Однако данный способ не учитывает влияние внешней оптической обратной связи и не применим для случаев, когда в спектре автодинного сигнала четко различимы лишь две гармоники.However, this method does not take into account the influence of external optical feedback and is not applicable for cases when only two harmonics are clearly distinguishable in the spectrum of the autodyne signal.
Наиболее близким является способ определения амплитуды вибрации по двум гармоникам спектра автодинного сигнала (патент РФ на изобретение №2300085). Способ заключается в облучении лазерным излучением объекта, преобразовании отраженного от него излучения в электрический сигнал, разложении сигнала в спектральный ряд и измерении амплитуды выбранных гармоник, в спектральном ряде выбирают две соседние гармоники, амплитуду вибрации объекта определяют из соотношения:The closest is a method for determining the amplitude of vibration by two harmonics of the spectrum of the autodyne signal (RF patent for the invention No. 2300085). The method consists in irradiating an object with laser radiation, converting the radiation reflected from it into an electrical signal, decomposing the signal into a spectral range and measuring the amplitude of the selected harmonics, select two adjacent harmonics in the spectral series, the vibration amplitude of the object is determined from the relation:
где ξ - амплитуда вибраций объекта, λ - длина волны лазерного излучения, n - целое число, Jn - функция Бесселя n-го порядка, сn - спектральная составляющая ряда Фурье на частоте n·ν, ν - частота вибраций объекта. (Патент на изобретение РФ №2300085. Способ определения амплитуды вибрации по двум гармоникам спектра автодинного сигнала / Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Камышанский А.С. Опубл. 27.05.2007. Бюл. №15. Заявка №2005134749 от 9 ноября 2005 г. Патентообладатель - СГУ.)where ξ is the vibration amplitude of the object, λ is the wavelength of the laser radiation, n is an integer, J n is the n-th order Bessel function, with n is the spectral component of the Fourier series at a frequency n · ν, ν is the vibration frequency of the object. (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2300085. A method for determining the amplitude of vibration from two harmonics of the spectrum of the autodyne signal / Usanov D.A., Skripal A.V., Kamyshansky A.S. Publ. 05.27.2007. Bull. No. 15. Application No. 2005134749 November 9, 2005. The patent holder is SSU.)
Недостатком данного способа является отсутствие возможности учета влияния уровня внешней оптической обратной связи на точность измерений и связанная с этим высокая погрешность измерений.The disadvantage of this method is the inability to take into account the influence of the level of external optical feedback on the measurement accuracy and the associated high measurement error.
Задача настоящего способа заключается в определения амплитуды нановибраций по сигналу лазерного автодина с учетом уровня внешней оптической обратной связи для повышения точности измерений.The objective of this method is to determine the amplitude of nanovibrations from a laser autodyne signal, taking into account the level of external optical feedback to increase the accuracy of measurements.
Технический результат заключается в значительном повышении точности измерения амплитуд нановибраций.The technical result consists in a significant increase in the accuracy of measuring the amplitudes of nanovibrations.
Поставленная задача решается за счет того, что освещают объект лазерным излучением, преобразуют отраженное от него излучение в электрический (автодинный) сигнал, раскладывают сигнал в спектральный ряд и измеряют значение амплитуды гармоники Sx на частоте колебания объекта Ω, отличие предлагаемого способа состоит в том, что на объект накладывают дополнительные механические колебания на частоте Ω1, измеряют максимальное значение гармоники S1max, на частоте Ω1 при изменении амплитуды дополнительных механических колебаний, увеличивают амплитуду дополнительных механических колебаний до появления на автодинном сигнале интерференционных максимумов и минимумов на выделенном участке времени между точками, соответствующими крайним положениям смещения объекта, вычисляют отношение времени убывания tdec автодинного сигнала ко времени его нарастания tinc на выделенном участке времени, при этом, если значение tdec/tinc больше 1, то вычисляют tinc/tdec, по зависимости tdec/tinc(C) или tinc/tdec(C) определяют уровень внешней оптической обратной связи С, вычисляют Sx/S1max, по зависимости S1/S1max(ξ, C) при определенном ранее С находят амплитуду нановибраций ξ.The problem is solved due to the fact that the object is illuminated with laser radiation, the radiation reflected from it is converted into an electric (autodyne) signal, the signal is laid out in a spectral series, and the harmonic amplitude S x is measured at the object’s oscillation frequency Ω, the difference between the proposed method consists in that additional mechanical vibrations are imposed on the object at a frequency of Ω 1 , the maximum value of harmonic S 1max is measured , at a frequency of Ω 1, when the amplitude of the additional mechanical vibrations is changed, the amp litudu additional mechanical oscillations until the autodyne signal interference maxima and minima on the selected interval of time between the points corresponding to the extreme positions of the object displacement is calculated the ratio of the decrease of t dec autodyne signal to time its increase t inc on the selected interval of time, wherein if the value t dec / t inc is greater than 1, then t inc / t dec is calculated, according to t dec / t inc (C) or t inc / t dec (C) the external optical feedback level C is determined, S x / S 1max is calculated , according to the dependence S 1 / S 1max (ξ, C) at the previously determined C, the amplitude of nanovibrations ξ is found.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1, 2, 3 и 4 представлены переменные составляющие автодинного сигнала для амплитуд вибраций объекта ξ1250 им, 125 нм, 400 нм и 650 нм соответственно. Кривые а1, а2, a3 и а4, представленные на фиг.1, 2, 3 и 4 соответственно, построены при уровне обратной связи С=0, 1; кривые b1, b2, b3 и b4-С=0,5; кривые с1, с2, с3 и с4-С=0,9. На фиг.5 представлена зависимость отношения времени убывания ко времени нарастания функции автодинного сигнала от уровня обратной связи С. На фиг.6, 7 и 8 представлены изображения изолиний амплитуды гармоники спектра автодинного сигнала S1(ξ,θ) на частоте колебаний объекта при уровнях внешней оптической обратной связи С=0,0001, С=0,5, С=0,9 соответственно. На фиг.9 представлены сечения А, В и С контурных графиков, представленных на фиг.6, 7 и 8 соответственно. На фиг.10 представлены зависимости амплитуды первой гармоники S1 спектра автодинного сигнала, нормированной на ее максимальное значение S1max, от амплитуды нановибраций объекта при разных уровнях внешней оптической обратной связи: а10-С=0,0001, b10-С=0,5, с10-С=0,9. На фиг.11 представлена схема экспериментальной установки: 1 - полупроводниковый лазер, запитываемый от источника тока 2, 3 - отражатель, закрепленный на пьезокерамике 4, 5 - генератор звуковых колебаний, 6 - фотодетектор, 7 - фильтр переменного сигнала, 8 - усилитель, 9 - аналого-цифровой преобразователь, 10 - компьютер. На фиг.12 представлен измеренный автодинный сигнал вибраций объекта с амплитудой вибраций, соответствующей максимальному значению первой гармоники его спектра, представленного на фиг.13. На фиг.14 представлен измеренный автодинный сигнал при микровибрациях объекта для определения уровня обратной связи. На фиг.15 представлен измеренный автодинный сигнал вибраций объекта с неизвестной нанометровой амплитудой, на фиг.16 - его спектр. На фиг.17 представлена зависимость амплитуды первой гармоники S1 спектра автодинного сигнала, нормированной на ее максимальное значение S1max от амплитуды вибрации ξ, при уровнях обратной связи С=0,19 - кривая а17 и С=0.0001 - кривая b17.Figure 1, 2, 3 and 4 shows the variable components of the autodyne signal for the vibration amplitudes of the object ξ1250 them, 125 nm, 400 nm and 650 nm, respectively. Curves a 1, a 2, a 3 and a 4 shown in figures 1, 2, 3 and 4, respectively, are plotted at the feedback level C = 0, 1; curves b1, b2, b3 and b4-C = 0.5; curves c1, c2, c3 and c4-C = 0.9. Figure 5 shows the dependence of the ratio of the decay time to the rise time of the autodyne signal function on the feedback level C. Figures 6, 7, and 8 show the isolines of the harmonic amplitude of the spectrum of the autodyne signal S 1 (ξ, θ) at the object oscillation frequency at levels external optical feedback C = 0.0001, C = 0.5, C = 0.9, respectively. Figure 9 presents sections A, B and C of the contour graphs presented in Fig.6, 7 and 8, respectively. Figure 10 shows the dependences of the amplitude of the first harmonic S 1 of the spectrum of the autodyne signal, normalized to its maximum value S 1max , on the amplitude of nanovibrations of the object at different levels of external optical feedback: a 10-С = 0.0001, b10-С = 0, 5, c10-C = 0.9. Figure 11 shows the experimental setup: 1 - a semiconductor laser powered by a
Теоретическое обоснование способа.The theoretical basis of the method.
Для определения амплитуды вибраций объекта с учетом уровня внешней оптической обратной связи используют следующие теоретические предпосылки.To determine the vibration amplitude of an object, taking into account the level of external optical feedback, the following theoretical premises are used.
Переменная нормированная составляющая автодинного сигнала с учетом уровня обратной связи записывается в виде (Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. 312 с)The variable normalized component of the autodyne signal, taking into account the feedback level, is written as (Usanov D.A., Skripal Al.V., Skripal An.V. Physics of semiconductor radio-frequency and optical autodyne - Saratov: Publishing house of Sarat. Un-that, 2003 . 312 s)
где ω(t) - частота излучения полупроводникового лазерного автодина, которая находится из фазового уравненияwhere ω (t) is the radiation frequency of the semiconductor laser autodyne, which is found from the phase equation
С - коэффициент, характеризующий уровень внешней оптической обратной связи, ω0=2πс/λ0, λ0 - длина волны излучения лазера без обратной связи, с - скорость света, Ψ=arctg(α), α - коэффициент уширения линии генерации, z - коэффициент обратной связи.C is a coefficient characterizing the level of external optical feedback, ω 0 = 2πс / λ 0 , λ 0 is the laser radiation wavelength without feedback, c is the speed of light, Ψ = a rctg (α), α is the broadening coefficient of the generation line, z is the feedback coefficient.
При движении объекта по гармоническому закону время обхода лазерным излучением внешнего резонатора изменяется по законуWhen an object moves in harmonic law, the time by which the laser radiation bypasses the external resonator changes according to the law
где Ω - частота гармонических колебаний объекта, τ0=2L/c, τa=2ξ/с, ξ - амплитуда вибраций объекта, ε - начальная фаза колебаний объекта. Численное решение трансцендентного уравнения (2) с учетом соотношения (3) позволяет получить зависимость ω(t) для различных уровней обратной связи С.where Ω is the frequency of harmonic vibrations of the object, τ 0 = 2L / c, τ a = 2ξ / s, ξ is the amplitude of the vibrations of the object, ε is the initial phase of the vibrations of the object. The numerical solution of transcendental equation (2) taking into account relation (3) allows us to obtain the dependence ω (t) for various feedback levels C.
Результаты численного моделирования автодинного сигнала P(t), нормированного на амплитуду автодинного сигнала при С=1, для разных уровней обратной связи приведены на фиг.1. При этом в расчетах использовались следующие параметры: ξ=1250 нм, L=8,5 см, ε=π/6, Ω=4 Гц, α=5, λ0=654 нм.The results of numerical simulation of the autodyne signal P (t), normalized to the amplitude of the autodyne signal at C = 1, for different feedback levels are shown in Fig. 1. In this case, the following parameters were used in the calculations: ξ = 1250 nm, L = 8.5 cm, ε = π / 6, Ω = 4 Hz, α = 5, λ 0 = 654 nm.
Из результатов моделирования, приведенных на фиг.1, следует, что с изменением уровня обратной связи изменяются амплитуда и форма автодинного сигнала. С ростом уровня обратной связи увеличивается амплитуда автодинного сигнала P и наблюдается появление участков с несимметричным относительно экстремальных значений P наклоном при движении отражателя. Этот наклон можно охарактеризовать либо величиной отношения времени убывания tdec автодинного сигнала P ко времени его нарастания tinc на участке tA между точками А1 и А2, соответствующими первым интерференционным минимумам (максимумам) относительно крайних положений смещения объекта, либо величиной отношения времени нарастания tinc ко времени его убывания tdec на участке tB между точками A3 и А4, соответствующими первым интерференционным минимумам относительно крайних положений смещения объекта (фиг.1). На фиг.1 моменты времени t1, t2 и t3 соответствуют крайним положениям смещения объекта при вибрациях. Интерференционные минимумы А1, A3 являются первыми справа относительно крайних положений смещения объекта t1 и t2 соответственно, интерференционные минимумы А2 А4 являются первыми слева относительно крайних положений смещения объекта t2 и t3 соответственно. Следует отметить, что при малых амплитудах нановибраций участки времени tA и tB с интерференционными минимума на автодинном сигнале отсутствуют (фиг.2). Появление данных участков наблюдается при увеличении амплитуд вибраций (фиг.3, 4). Зависимость отношения tdec к tinc при выборе участка tA с характерным наклоном вправо от С и зависимость отношения tinc к tdec при выборе участка tB с характерным наклоном влево от С совпадают. Данные зависимости приведены на фиг.5.From the simulation results shown in figure 1, it follows that with a change in the level of feedback, the amplitude and shape of the autodyne signal change. As the feedback level increases, the amplitude of the autodyne signal P increases and the appearance of sections with an asymmetric slope relative to the extreme values of P when the reflector moves. This slope can be characterized either by the value of the ratio of the decay time t dec of the autodyne signal P to its rise time t inc between the points A1 and A2 corresponding to the first interference minima (maxima) relative to the extreme positions of the object’s displacement, or by the ratio of the rise time t inc to its decay time t dec in the region tB between points A3 and A4, corresponding to the first interference minima relative to the extreme positions of the object's displacement (Fig. 1). In figure 1, the times t1, t2 and t3 correspond to the extreme positions of the displacement of the object during vibration. The interference minima A1, A3 are the first on the right with respect to the extreme positions of the displacement of the object t1 and t2, respectively, the interference minima A2 A4 are the first on the left with respect to the extreme positions of the displacement of the object t2 and t3, respectively. It should be noted that at small amplitudes of nanovibrations, there are no time sections tA and tB with interference minimums on the autodyne signal (Fig. 2). The appearance of these areas is observed with an increase in the amplitudes of vibrations (Figs. 3, 4). The dependence of the ratio of t dec to t inc when choosing a plot of tA with a characteristic slope to the right from C and the dependence of the ratio of t inc to t dec when choosing a plot of tB with a characteristic slope to the left of C are the same. These dependencies are shown in figure 5.
Теоретический анализ показал, что отношение времени убывания амплитуды автодинного сигнала ко времени ее нарастания не зависит от параметров движения объекта и параметров автодинной системы, а определяется только уровнем внешней оптической обратной связи. Следовательно, отношение времени убывания ко времени нарастания функции автодинного сигнала на заданном временном участке однозначно определяет уровень внешней оптической обратной связи. Кривая, представленная на фиг.5, является зависимостью, по которой можно определить уровень внешней оптической обратной связи.Theoretical analysis showed that the ratio of the time of the decrease in the amplitude of the autodyne signal to the time of its rise does not depend on the parameters of the object’s motion and the parameters of the autodyne system, but is determined only by the level of external optical feedback. Therefore, the ratio of the decay time to the rise time of the autodyne signal function at a given time interval uniquely determines the level of external optical feedback. The curve shown in FIG. 5 is a relationship from which the level of external optical feedback can be determined.
Для анализа автодинного сигнала удобно применять спектральные методы, в которых для определения амплитуды вибраций используется найденное в результате измерений отношение величин спектральных составляющих или их количество (Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан. В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. 312 с; Pernick В.J. Self-Consistent and Direct Reading Laser Homodyne Measurement Technique Appl. Opt, 12, 607-610 (1973)).For the analysis of the autodyne signal, it is convenient to use spectral methods in which the ratio of the values of the spectral components or their quantity found from the measurements is used to determine the vibration amplitude (Usanov D.A., Skripal A.V., Skripal A.V. Physics of semiconductor radio-frequency and optical Avtodinov - Saratov: Publishing House of Sarat.University, 2003.312 s; Pernick B.J. Self-Consistent and Direct Reading Laser Homodyne Measurement Technique Appl. Opt, 12, 607-610 (1973)).
Для описания спектра автодинного сигнала нормированная мощность излучения полупроводникового лазера P(t) может быть представлена в виде разложения в ряд ФурьеTo describe the spectrum of an autodyne signal, the normalized radiation power of a semiconductor laser P (t) can be represented as a Fourier series expansion
Первое слагаемое в (5) представляет собой постоянную составляющую автодинного сигнала. Амплитуды спектральных составляющих высших порядков определяются амплитудой колебания объекта.The first term in (5) is the constant component of the autodyne signal. The amplitudes of the spectral components of higher orders are determined by the amplitude of the oscillation of the object.
Ранее было показано (Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Авдеев К.С. Изменение спектра сигнала лазерного полупроводникового автодина при фокусировке излучения // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2009. Том 17. №2. С.54-65.), что амплитуды спектральных составляющих зависят от амплитуды вибраций ξ и уровня внешней оптической обратной связи С. Для определения амплитуды нановибраций используется амплитуда спектральной составляющей автодинного сигнала на частоте колебаний объекта, значение которой также зависит от стационарного набега фазы излучения лазерного диода θ. Графики зависимости амплитуды спектральной составляющей автодинного сигнала на частоте колебаний объекта от ξ, θ и С приведены на фиг.6, 7 и 8.It was previously shown (Usanov D.A., Skripal A.V., Avdeev K.S. Changing the spectrum of the signal of a laser semiconductor autodyne when focusing radiation // News of higher educational institutions. Applied nonlinear dynamics. 2009. Volume 17. No. 2. C. .54-65.) That the amplitudes of the spectral components depend on the vibration amplitude ξ and the level of the external optical feedback C. The amplitude of the spectral component of the autodyne signal at the object oscillation frequency, the value of which also depends on the stationary state, is used to determine the amplitude of nanovibrations. th phase shift θ of the laser diode radiation. Graphs of the dependence of the amplitude of the spectral component of the autodyne signal at the oscillation frequency of the object from ξ, θ and C are shown in Fig.6, 7 and 8.
На графиках, представленных на фиг.6, 7 и 8, наименьшему значению амплитуды первой гармоники спектра автодинного сигнала соответствует темная область графика, максимальному значению (точки Ма1, Mb1, Ма2, Мb2, Мa3, Мb3) - светлая область графика. На фиг.9 приведены сечения А, В и С графиков, представленных фиг.6, 7 и 8 соответственно, соответствующие максимальному значению амплитуды первой гармоники спектра автодинного сигнала в точке Ма1, Ма2 и Ма3.In the graphs shown in Fig.6, 7 and 8, the smallest amplitude of the first harmonic of the spectrum of the autodyne signal corresponds to the dark region of the graph, the maximum value (points M a 1, Mb1, M a 2, Mb2, M a 3, Mb3) is light chart area. Figure 9 shows sections A, B and C of the graphs presented in Fig.6, 7 and 8, respectively, corresponding to the maximum value of the amplitude of the first harmonic of the spectrum of the autodyne signal at the
Как следует из результатов, приведенных на фиг.6, 7, 8 и 9, при увеличении уровня обратной связи максимальному значению амплитуды первой гармоники соответствуют следующие значения амплитуды вибраций: для точки Ма1 при С=0,0001 ξMa1=96 нм, что соответствует сечению А на фиг.6 и 9, при С=0,5 ξMа2=69 нм, что соответствует сечению В на фиг.7 и 9, при С=0,9 ξMa3=45 нм, что соответствует сечению С на фиг.8 и 9; для точки Мb1 при С=0,0001 ξMb1=96 нм (фиг.6), для точки Мb2 при С=0,5 ξMb2=121 нм (фиг.7), для точки Мb3 при С=0,9 ξMb3=140 нм (фиг.8). Т.е. видно, что при увеличении уровня обратной связи происходит значительное смещение максимумов амплитуды первой гармоники по оси абсцисс ξ, в то время как по оси ординат 6 максимумы смещаются незначительно.As follows from the results shown in FIGS. 6, 7, 8 and 9, with an increase in the feedback level, the maximum values of the amplitude of the first harmonic correspond to the following values of the amplitude of vibrations: for the point M a 1 at C = 0.0001 ξ Ma1 = 96 nm, which corresponds to section A in FIGS. 6 and 9, at C = 0.5 ξ Ma2 = 69 nm, which corresponds to section B in FIGS. 7 and 9, at C = 0.9 ξ Ma3 = 45 nm, which corresponds to section C on Fig and 9; for the point Мb1 at С = 0.0001 ξ Mb1 = 96 nm ( Fig.6 ), for the point Мb2 at С = 0.5 ξ Mb2 = 121 nm (Fig.7), for the point Мb3 at С = 0.9 ξ Mb3 = 140 nm (Fig. 8). Those. it is seen that with an increase in the feedback level, a significant shift of the maxima of the amplitude of the first harmonic along the abscissa ξ occurs, while along the
Таким образом, при наличии внешней оптической обратной связи амплитуда спектральной составляющей автодинного сигнала на частоте колебания объекта изменяется, как показано на фиг.6, 7, 8 и 9.Thus, in the presence of external optical feedback, the amplitude of the spectral component of the autodyne signal at the oscillation frequency of the object changes, as shown in Fig.6, 7, 8 and 9.
Для учета уровня внешней оптической обратной связи предложено построить зависимость S1/S1max от амплитуды вибраций ξ при различных уровнях внешней оптической обратной связи. Зависимости S1/S1max от ξ построены из соотношения для функции автодинного сигнала (1) при использовании ряда Фурье (5). Эти зависимости при разных уровнях обратной связи приведены на фиг.10.To take into account the level of external optical feedback, it is proposed to construct the dependence of S 1 / S 1max on the vibration amplitude ξ at various levels of external optical feedback. The dependences of S 1 / S 1max on ξ are constructed from the relation for the autodyne signal function (1) using the Fourier series (5). These dependencies at different levels of feedback are shown in Fig.10.
Зависимости, представленные на фиг.10, построены при стационарном набеге фазы θ=0,5π, соответствующем максимальному значению первой гармоники спектра автодинного сигнала.The dependences presented in Fig. 10 are plotted with a stationary phase incursion θ = 0.5π corresponding to the maximum value of the first harmonic of the spectrum of the autodyne signal.
Способ реализуется следующим образомThe method is implemented as follows
Схема экспериментальной установки представлена на фиг.11. Освещают объект 3, закрепленный на пьезокерамике 4, излучением от полупроводникового лазера 1, записываемого от источника питания 2, преобразуют отраженное от объекта излучения в электрический сигнал с помощью фотодетектора 6, через фильтр переменного сигнала 7, усилитель 8 и аналого-цифровой преобразователь 9 подают сигнал на компьютер 10 и раскладывают в спектральный ряд, измеряют амплитуду гармоники спектра Sx на частоте колебания объекта Ω. Способ отличается тем, что на объект накладывают дополнительные механические колебания на частоте Ω1 с помощью генератора звуковых колебаний 5, измеряют максимальное значение гармоники S1max, на частоте Ω1 при изменении амплитуды дополнительных механических колебаний, увеличивают амплитуду дополнительных механических колебаний до появления на автодинном сигнале интерференционных максимумов и минимумов на выделенном участке времени между точками, соответствующими крайним положениям смещения объекта, вычисляют отношение времени убывания tdec автодинного сигнала ко времени его нарастания tinc на выделенном участке времени, при этом, если значение tdec/tinc больше 1, то вычисляют tinc/tdec, по зависимости tdec/tinc(C) или tinc/tdec(C) определяют уровень внешней оптической обратной связи С, вычисляют Sx/S1max, по зависимости S1/S1max(ξ, C) при определенном ранее С находят ξ.The experimental setup is shown in FIG. 11. The
Также ξ можно найти путем решения задачи оптимизации, заключающейся в нахождении наименьшего значения разности отношения S1/S1max, полученного с учетом измеренного С из соотношения для функции автодинного сигнала (1) при использовании ряда Фурье (5) при нановибрациях, и экспериментального отношения Sx/S1max. В результате решения этой задачи находится искомое значение амплитуды нановибраций ξ.Ξ can also be found by solving the optimization problem, which consists in finding the smallest value of the difference in the ratio S 1 / S 1max obtained taking into account the measured C from the relation for the autodyne signal function (1) when using the Fourier series (5) with nanovibrations, and the experimental ratio S x / S 1max . As a result of solving this problem, the desired value of the amplitude of nanovibrations ξ is found.
Практическая реализация способа осуществлялась следующим образом.The practical implementation of the method was carried out as follows.
С помощью генератора звуковых колебаний в пьезокерамике вызывались дополнительные механические вибрации, амплитуда которых изменялась во времени. Амплитуда дополнительных вибраций увеличивалась до тех пор, пока амплитуда первой гармоники спектра автодинного сигнала не достигала максимального значения, при котором фиксировался автодинный сигнал. При необходимости изменяют стационарный набег фазы излучения лазерного диода θ для получения максимального значения амплитуды первой гармоники. По спектру определялось максимальное значение амплитуды первой гармоники S1max. На фиг.12 приведена форма измеренного автодинного сигнала при максимальном значении первой спектральной составляющей и его спектр фиг.13. Усредненное значение S1max составило 0,131 отн. ед.Using a generator of sound vibrations in piezoceramics, additional mechanical vibrations were caused, the amplitude of which varied over time. The amplitude of the additional vibrations increased until the amplitude of the first harmonic of the spectrum of the autodyne signal reached the maximum value at which the autodyne signal was recorded. If necessary, the stationary incursion of the radiation phase of the laser diode θ is changed to obtain the maximum amplitude of the first harmonic. From the spectrum, the maximum value of the amplitude of the first harmonic S 1max was determined . Fig. 12 shows the shape of the measured autodyne signal at the maximum value of the first spectral component and its spectrum of Fig. 13. The average value of S 1max was 0.131 rel. units
Для определения уровня обратной связи амплитуду дополнительных механических колебаний увеличивали до микрометровых значений. На фиг.14 приведена форма экспериментального автодинного сигнала при микровибрациях.To determine the feedback level, the amplitude of additional mechanical vibrations was increased to micrometer values. On Fig shows the shape of the experimental autodyne signal with microvibrations.
Усредненное отношение времени убывания ко времени нарастания составило 0,79. Такому отношению соответствует уровень внешней оптической обратной связи С=0,19 (фиг.5).The average ratio of decrease time to rise time was 0.79. This ratio corresponds to the level of external optical feedback C = 0.19 (figure 5).
После исключения дополнительных механических колебаний измерялся автодинный сигнал вибраций объекта с неизвестной нанометровой амплитудой при вычисленном уровне обратной связи и известных параметрах S1max и ξmax. Форма и спектр измеренного автодинного сигнала приведены на фиг.15 и 16 соответственно. Усредненное значение амплитуды первой гармоники Sx составило 0,074 отн. ед. Отношение Sx/S1max для приведенных экспериментальных автодинных сигналов составило величину 0,56.After the exclusion of additional mechanical vibrations, the autodyne signal of object vibrations with an unknown nanometer amplitude was measured at the calculated feedback level and the known parameters S 1max and ξ max . The shape and spectrum of the measured autodyne signal are shown in FIGS. 15 and 16, respectively. The average value of the amplitude of the first harmonic S x amounted to 0.074 Rel. units The ratio S x / S 1max for the given experimental autodyne signals was 0.56.
Для полученного уровня обратной связи С=0,19 была построена зависимость S1/S1max от амплитуды вибрации ξ, представленная на фиг.17, кривая а17, по которой была определена амплитуда нановибраций для автодинного сигнала, приведенного на фиг.15, которая составила 30 нм. Без учета уровня внешней оптической обратной связи (фиг.17, кривая b17) измеренная описанным выше методом амплитуда нановибраций составила 36 нм.For the obtained feedback level C = 0.19, the dependence S 1 / S 1 max on the vibration amplitude ξ was plotted, shown in Fig. 17, curve a 17, from which the amplitude of nanovibrations for the autodyne signal shown in Fig. 15 was determined, which amounted to 30 nm. Without taking into account the level of external optical feedback (Fig. 17, curve b17), the amplitude of nanovibrations measured by the method described above was 36 nm.
Результаты измерений амплитуды нановибраций ξ с учетом уровня обратной связи и без его учета для различных уровней обратной связи приведены в таблице 1. Измерения проводились многократно с целью повышения достоверности. При вычислениях использовались усредненные значения измеренных величин. По результатам измерений при различных уровнях обратной связи среднее значение амплитуды нановибраций составило 29 нм.The results of measurements of the amplitude of nanovibrations ξ, taking into account the feedback level and without taking it into account for various feedback levels, are given in Table 1. The measurements were carried out repeatedly to increase reliability. In the calculations, the averaged values of the measured values were used. According to the measurement results at various feedback levels, the average value of the amplitude of nanovibrations was 29 nm.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012118770/28A RU2507487C2 (en) | 2012-05-04 | 2012-05-04 | Method to determine amplitude of nanovibrations by signal of laser autodyne |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012118770/28A RU2507487C2 (en) | 2012-05-04 | 2012-05-04 | Method to determine amplitude of nanovibrations by signal of laser autodyne |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012118770A RU2012118770A (en) | 2013-11-10 |
RU2507487C2 true RU2507487C2 (en) | 2014-02-20 |
Family
ID=49516778
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012118770/28A RU2507487C2 (en) | 2012-05-04 | 2012-05-04 | Method to determine amplitude of nanovibrations by signal of laser autodyne |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2507487C2 (en) |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2060475C1 (en) * | 1993-04-15 | 1996-05-20 | Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского | Method of measurement of harmonic oscillation amplitudes |
RU2098776C1 (en) * | 1995-08-23 | 1997-12-10 | Саратовский государственный университет им.Н.Г.Чернышевского | Method studying periodic vibrations |
WO2000012959A1 (en) * | 1998-08-27 | 2000-03-09 | Zygo Corporation | Interferometric apparatus and method for measuring motion along multiple axes |
RU2193166C2 (en) * | 2000-01-17 | 2002-11-20 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-исследовательский институт технической физики им. академика Е.И. Забабахина | Method of setting fixed amplitudes of vibrations |
RU2208769C1 (en) * | 2002-04-25 | 2003-07-20 | Усанов Дмитрий Александрович | Vibration amplitude determination method |
RU2247395C1 (en) * | 2003-08-14 | 2005-02-27 | Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского | Method of measuring velocity of object |
RU2300085C1 (en) * | 2005-11-09 | 2007-05-27 | ГОУ ВПО "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Mode of definition of the amplitude of vibration on two harmonies of the spectrum of an autodyne signal |
US20080273192A1 (en) * | 2007-05-01 | 2008-11-06 | Sony Corporation | Vibration detection device |
-
2012
- 2012-05-04 RU RU2012118770/28A patent/RU2507487C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2060475C1 (en) * | 1993-04-15 | 1996-05-20 | Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского | Method of measurement of harmonic oscillation amplitudes |
RU2098776C1 (en) * | 1995-08-23 | 1997-12-10 | Саратовский государственный университет им.Н.Г.Чернышевского | Method studying periodic vibrations |
WO2000012959A1 (en) * | 1998-08-27 | 2000-03-09 | Zygo Corporation | Interferometric apparatus and method for measuring motion along multiple axes |
RU2193166C2 (en) * | 2000-01-17 | 2002-11-20 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-исследовательский институт технической физики им. академика Е.И. Забабахина | Method of setting fixed amplitudes of vibrations |
RU2208769C1 (en) * | 2002-04-25 | 2003-07-20 | Усанов Дмитрий Александрович | Vibration amplitude determination method |
RU2247395C1 (en) * | 2003-08-14 | 2005-02-27 | Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского | Method of measuring velocity of object |
RU2300085C1 (en) * | 2005-11-09 | 2007-05-27 | ГОУ ВПО "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Mode of definition of the amplitude of vibration on two harmonies of the spectrum of an autodyne signal |
US20080273192A1 (en) * | 2007-05-01 | 2008-11-06 | Sony Corporation | Vibration detection device |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
Диагностика нановибраций и микроперемещений элементов микросистемной техники. - Микросистемная техника, 10, 2003, с.35-39. * |
Усанов Д.А. Измерение микро- и нановибраций и перемещений с использованием полупроводниковых лазерных автодинов. - Квантовая электроника, No.1, 2011, с.90-91. * |
Усанов Д.А. Измерение микро- и нановибраций и перемещений с использованием полупроводниковых лазерных автодинов. - Квантовая электроника, №1, 2011, с.90-91. * |
Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Камышанский А.С. Измерение скорости движения объекта по спектру автодинного сигнала полупроводникового лазера на квантоворазмерных структурах. - Микросистемная техника, 2004, 2, с.19-23. * |
Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Камышанский А.С. Измерение скорости движения объекта по спектру автодинного сигнала полупроводникового лазера на квантоворазмерных структурах. - Микросистемная техника, 2004, №2, с.19-23. Диагностика нановибраций и микроперемещений элементов микросистемной техники. - Микросистемная техника, №10, 2003, с.35-39. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012118770A (en) | 2013-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102221342B (en) | Method for measuring object deformation by time-domain multi-wavelength heterodyne speckle interference | |
Matsumoto et al. | Absolute measurement of baselines up to 403 m using heterodyne temporal coherence interferometer with optical frequency comb | |
RU2520945C1 (en) | Method of determining amplitude of nanovibrations from spectrum of frequency-modulated semiconductor laser autodyne | |
EP3120473B1 (en) | Method and system for controlling phase of a signal | |
RU2300085C1 (en) | Mode of definition of the amplitude of vibration on two harmonies of the spectrum of an autodyne signal | |
WO2016087450A2 (en) | Spectroscopic apparatus and method | |
US20150292858A1 (en) | Digital off-axis heterodyne holographic interferometry | |
RU2507487C2 (en) | Method to determine amplitude of nanovibrations by signal of laser autodyne | |
RU2658112C1 (en) | Method of measurement of displacement | |
Wang et al. | Micro-vibration measurement based on current modulation and secondary feedback self-mixing interference technology | |
Petris et al. | Interferometric method for the study of spatial phase modulation induced by light in dye-doped DNA complexes | |
Chen et al. | Accuracy enhanced distance measurement system using double-sideband modulated frequency scanning interferometry | |
RU2629651C1 (en) | Method of determining distance to object | |
Magnani et al. | Optical displacement sensor based on novel self-mixing reconstruction method | |
DE102010021476B4 (en) | Method and device for absolute length and distance measurement with continuous, tunable THz radiation | |
Athira et al. | Sensitivity enhancement in low coherence Fourier transform spectral interferometry | |
RU2007137507A (en) | METHOD FOR ENSURING ACCURACY AND UNIFORMITY OF MEASUREMENTS OF SURFACE MICRORELIEF BY INTERFERENCE METHODS ON THE BASIS OF USING THE EFFECT OF GENERATION OF REFLECTED GIANT SECOND HARMONIUM | |
Wronkowski | Fresnel Images of a Binary Diffraction Grating with Open Ratio 0· 5 | |
Thiel et al. | Absolute measurement of quantum-limited interferometric displacements | |
RU2208769C1 (en) | Vibration amplitude determination method | |
Sainov et al. | CARS detection with diode lasers in digital holographic microscopy | |
RU2738876C1 (en) | Method of measuring absolute distance | |
VU | Sinusoidal frequency modulation for concurrently achieving iodine-frequency-stabilized laser diode and high-precision displacement-measuring interferometer | |
Wei et al. | Frequency selection for reconstruction of fringe envelope using the stability of position on optical axis direction of the phase minimum values of different frequencies | |
Furukawa et al. | Proposal of interference signal processing for dynamic displacement measurement with high time-resolution |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190505 |