автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Лазерные интерферометрические и дифракционные системы

Ü-.ÖZ- 5/£iß-£Sij93

, xtHa правах рукописи

Jj?

Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук

Президиум ВАК России

{решение от

присудил ученую степень ДОКТОР./4

наук

Начальник управления ВАК России

ЛАЗЕРНЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ И ДИФРАКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Специальность: 05.11.07-Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы.

Диссертация в виг намного доклада на соискание

ученой степени доктора технических наук.

Новосибирск. 2002

российская государствен^

БИБЛИОТЕКА

141*5

Официальные оппоненты:

Академик РАН Э.ПКругляков Д.ф.-м.н. П.А.Бохан Д.т.н., проф. В.И.Гужов

Ведущая организация: Институт лазерной физики СО РАН.

Защита состоится « 2- » апреля в ю- часов на заседании диссертационного совета Д212.173.08 в Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, Новосибирск-92, пр. К. Маркса. 20.

С , можно ознакомиться в

бис • , ■■ -иного технического

унг' . .■.'.■:■.

Ди( ', , -•« '2 2,» марта

200:;.

Учеш -диссер 14?»' ь (и, ч > -. канд. гсчн. наук, доцею В.Л. Полубинский

Общая характеристика работы

1. Актуальность.

Оптическая интерферометрия с появлением лазеров значительно преобразилась. Наряду с развитием традиционных оптических приборов и систем и их приложений возникло новое научное направление -лазерные интерферометрические и дифракционные системы. Это стало возможным благодаря тому, что арсенал экспериментальных средств, которые получили в свое распоряжение исследователи, существенным образом расширился. Стало возможным наблюдать интерференцию от независимых лазерных источников, создавать интерферометры с разностью хода, достигающей сотни метров, и формировать волновой фронт необходимой формы за счет дифракции на компьютерно-синтезированной структуре (голограмме). Появились новые типы интерферометров, не имеющие аналогов в классической оптике -доплеровские измерители скорости, • где информация извлекается из света, рассеянного частицами в поле интерференции, трехзеркальные «активные» системы, когда лазер помещен внутри интерферометра и, наконец, дифракционные интерферометры, выполняющие функции «синтетических пробных стекол». Если учесть, что интерференционное поле имеет периодическую структуру и что его пространственный период можно использовать в качестве стабильной меры для абсолютного измерения длины, скорости, ускорения, силы, плотности вещества и т.д., то станет понятным, что новое направление развивается на мощном физическом обеспечении [1-4].

Дифракционные оптические системы проходят сегодня стадию становления. К ним автор относит не только дифракционные интерферометры, но элементы и приборы с дифракционными компонентами, осуществляющими геометрические и волновые преобразования световых полей.

лазерных

( . етодов их

- трономии,

шедрению

КНИГА ИМЕЕТ £ тяжелое

области дание и разработке тосвящена ?вестны в

ательских [ период

Листов -'. печатных | Выпуск В перепл. един, соедин №№ вып. Таблиц Карт Иллюстр. X «О ф С о( . иг 5 8 «Ц щ^Ьо ¿ис о . о

4 Г \ -Г /П

На их становление существенное влияние оказали исследования петербургской школы оптиков - акад. В.П.Линника, М.Ф.Романовой, А.Н.Захарьевского и А.И.Карташева. Приоритетные исследования в области дифракционной оптики были впервые в мировой практике осуществлены в работах А.И.Тудоровского и ГХ.Слюсарева и в настоящее время продолжаются М. А.Ганом.

Существенное влияние на развитие дифракционной оптики оказали работы академика А.М.Прохорова, И.Н.Сисакяна, члена-корреспондента РАН В.А.Сойфера и их сотрудников, а также исследования С.Т.Боброва, Г.И.Грейсуха и Ю.Г.Туркевича.

Представленный доклад базируется на работах автора, выполненных совместно с А.Г.Полегцуком, Ю.НДубншцевым, Г.П.Арнаутовым, Г.А.Ленковой, В.П.Корольковым, А.И.Лохматовым, Ю.Ф.Стусем, Е.Н.Калишем, В.П.Кирьяновым, В.С.Соболевым, И.Г.Пальчиковой, И.А.Михальцовой, Ю.И.Юрловым и А.М.Щербаченко.

2. Связь с государственными программами.

Работы по теме диссертации выполнялись по государственным научно-техйическим программам «Фундаментальная метрология» (19972001), «Глобальные изменения природной среды и климата» (1997-2001), грантам ведущей научной школы РФФИ N 96-15-98219 (1997-1999гг.), N00-15-99089 (2000-2002гг.), планам НИР ИАиЭ СО РАН по темам: «Разработкой исследование новых функциональных систем и элементов когерентной и нелинейной оптики», гос. per. N 810839026, гос. per. N 80039444, «Разработка фундаментальных проблем создания и совершенствования элементной базы квантовой электроники и перспективной оптики», гос. per N 01.86.0058729, «Развитие лазерных технологий и соответствующего оборудования субмикронной точности; разработка нетрадиционных элементов фотоники и

высокопрецизионных оптико-электронных измерительных систем для научных исследований и машиностроения», гос. per. N 01.9.20 000194, «Физико-технические основы 2-D и 3-D лазерных технологий (новые материалы и элементы для лазерных технологий; сверхразрешение; технологии оптической памяти, синтеза объемных моделей и изображений; микро- и наноструктурирование материалов). Развитие на их основе базовых лазерных технологий производства новых элементов, приборов и систем двойного применения», roc. per. N 01.9.60 013066.

3. Цель работы.

Разработка физико-технических основ новых лазерных интерферометрических и дифракционных систем и развитие на их основе методов прецизионных измерений оптических параметров веществ и

физических констант. Внедрение новых измерительных средств в практику научного эксперимента и технологию производства.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

разработка теории лазерных интерферометров на основе представлений геометрической и волновой оптики; создание и исследование оптических систем лазерных и дифракционных интерферометров, а также их реализацию в виде действующих образцов и сопровождение выпуска промышленных приборов;

развитие физико-технологических основ синтеза дифракционных компонентов и оборудования для их изготовления;

метрологические испытания разработанных систем и проведение экспериментов по их применению в области физической оптики, астрономии, гравиметрии.

4. Методы исследования.

В работе использовались методы геометрической и волновой оптики, голографии, теории интерферометров, теории преобразования оптических сигналов и теории измерений. Результаты теоретических расчетов подтверждены путем прецизионных интерференционных измерений. ,,

5. Научная новизна.

Новизну диссертации составляют:

- Основы «гибридной» теории лазерных интерферометров, которая в отличие от известных базируется на представлениях геометрической оптики при проектировании оптических систем и волновой оптики при оценке качества поля интерференции (контраст и яркость полос);

Методы построения лазерных интерферометрических и дифракционных систем для абсолютных и относительных измерений длины, направления и параметров движения (скорости, ускорения), а также для измерения оптических и физических характеристик прозрачных сред (показателя преломления, его дисперсии и плотности вещества). Эти методы позволили снизить влияние на результат измерения апертурных и инструментальных погрешностей, исключить интерференционный фон и деструктивные интерференционные полосы и тем самым повысить на порядок точность измерений;

- Совокупность результатов измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести на обширной территории Земли 'в диапазоне широт от +68° (Финляндия) до -43° (Тасмания) с погрешностью ±5 • 10"8 м/с . На их основе создано более 50 гравиметрических пунктов высшей точности, включенных в каталоги Международной сети абсолютных

гравиметрических базовых станций (ШЗВЫ) и унифицированной европейской гравитационной сети (ЦЕОК-94);

- Результаты теоретического и экспериментального исследования светового поля дифракции за компьютерно-синтезированными дифракционными структурами, которые позволили рассматривать дифракционные элементы, как интерферометры, осуществляющие деление и рекомбинацию лазерных пучков для образования поля интерференции в дальней зоне;

- Результаты теоретического и экспериментального исследования новых дифракционных структур: линзаконов, многопорядковых линз, искусственных хрусталиков глаза и других элементов высокого оптического качества (волновые аберрации не превышают X) и синтезированных пробных стекол (голограмм), позволяющих восстанавливать волновой фронт с погрешностью не превышающей к/20.

6. Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработанные методы построения и физико-технические

решения лазерных интерферометрических и дифракционных систем составляют новый арсенал средств для инженерных применений в области оптического приборостроения и для создания новых учебных курсов по прикладной оптике. Их новизна подтверждена, в частности, 15-го патентами и авторскими свидетельствами.

На основе полученных результатов созданы и выпущены промышленностью следующие лазерные интерферометрические и дифракционные системы:

лазерные интерферометры перемещений ФОУ и интерферометры контроля концевых мер ИПК-1 (Новосибирский приборостроительный завод,

г.Новосибирск);

доплеровские интерферометры «ЛАДО-1» и «ЛАДО-2» (Комбинат «Карл Цейсс Йена», Германия); круговая записывающая система СТ^Б-ЗОО (КТИ Научного Приборостроения иИАиЭСОРАН).

- лазерные гравиметры ГАБЛ (ЦНИИГАиК, г. Москва).

7. На защиту выносятся:

- Основные положения «гибридной» теории лазерных интерферометров;

- Методы снижения влияния апертурных и инструментальных погрешностей, интерференционного фона и других деструктивных интерференционных полос на точность интерференционных измерений;

- Методы повышения точности измерений абсолютного значения ускорения силы тяжести до уровня 1-Ю"8 м/с2;

- Новый метод определения дисперсии и показателя преломления воздуха, позволяющий исключить влияние на результат измерений колебаний температуры и давления (на базе классического метода крюков Д. С.Рождественского).

- Интерференционный подход, базирующийся на представлениях волновой и геометрической оптики, к объяснению процессов формирования светового поля за дифракционными структурами;

- Методы проектирования и создания дифракционных структур высокого оптического качества.

8. Апробация работы.

Результаты диссертации рассматривались на ряде международных и отечественных конференций и семинаров: Всесоюзная конференция по газовым лазерам (Рязань, 1974, издание НИИТРП); Всесоюзная конференция "Автоматизация научных исследований на основе ЭВМ" (Новосибирск, изд. ИАиЭ СО АН СССР, 1979); Всесоюзная конференция "Формирование изображения и методы его коррекции" (Могилев, изд. ИФ АН БССР, 1979); Конференция стран СНГ и Прибалтики - "Голография-96" (Санкт-Петербург, 1996); XI Российская конференция по использованию синхротронного излучения "СИ-96" (Новосибирск, изд. ИЯФ СО РАН); III Всесоюзная конференция по голографии (Ульяновск - Ленинград, изд. ЛИЯФ АН СССР, 1978); IIIВсесоюзная конференция "Применение лазеров в технологии и системах пере- дачи информации" (Таллин, 1987); Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов - "РСНЭ"97" (М. - Дубна, 1997, изд. ТОО "Арт" ); Международный симпозиум Photonics West'9-7 (Сан-Хосе, США, 1997); Международная конференция Diffractive Optics'97 (Финляндия, 1997); Международный симпозиум Photonics West'99 (Сан-Хосе, США, 1999); Международная конференция Diffractive Optics'99 (Йена, Германия, 1999); Международная конференция Diffractive Optics'2 ООО (Квебек, Канада, 2000); 3-й Международный симпозиум "Современные проблемы лазерной физики" (Новосибирск,, 2000Международная конференция Diffractive 0ptics'2001 (Будапешт, Венгрия, 2001).

9. Личный вклад

Постановка задачи создания лазерных интерферометрических и дифракционных систем, разработка основ теории лазерных интерферометров и методов их построения осуществлены автором. Разработка и реализация действующих систем, их метрологические испытания, а также проведение измерений оптических параметров веществ и физических констант выполнены под руководством и при участии автора.

10. Публикации

По результатам ^проведенных исследований лично и в соавторстве опубликованХ^^ 152 научных работ, в том числе 4 монографии и 9 препринтов. Получено 17 патентов и авторских свидетельств на изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Часть 1. ЛАЗЕРНЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Введение. Интерферометры перемещений и направлений, предназначенные для измерения длины и положения объектов, были известны в долазерный период. Длина определяется по разности фаз интерферирующих пучков (фактически сравнивают измеряемый отрезок с длиной волны источника излучения), а о положении объекта судят по изменению ширины и направления полос интерференционного поля. До появления лазеров этот класс приборов использовали главным образом в практике физического эксперимента и для высокоточных метрологических измерений. Спектр применений интерферометров не выходил за рамки абсолютных измерений длины до одного метра и оптических и физических параметров прозрачных сред (показателя преломления, дисперсии, плотности вещества). В практике физического эксперимента отсутствовали прецизионные и бесконтактные методы измерения скорости потоков жидкостей и газов и ускорения силы тяжести, в промышленных технологиях при изготовлении тяжелых станков с направляющими длиной до десятков метров отсутствовал! интерференционные методы контроля. При строительстве уникальных сооружений, таких как ускорители, необходимо было выставить с высокой точностью объекты по одной прямой или в одной плоскости. Для решения этой задачи не применяли интерферометры. Новый класс интерферометров направлений впервые был разработан в работах автора [2,6,9,12,16,32].

Интерференционные методы измерения показателя преломления и плотности прозрачных сред применялись только в лабораторных условиях. Автором впервые создана гамма интерференционных систем и разработаны методы измерения [5, 50] абсолютных значений показателей преломления, дисперсии и плотности прозрачных сред не только в условиях лаборатории, но и в полевых условиях, например, на больших глубинах в океане.

Отметим основные особенности лазерных интерферометров по сравнению с приборами классической интерферометрии:

14 ' 'СИИСКАХ ГОСУДАРСТВЕННАЯ 9 БИБЛИОТЕКА

1. Малая спектральная ширина излучения лазера обуславливает высокую длину когерентности и позволяет наблюдать явления интерференции при разностях хода, превышающих сотни метров.

2. Высокая пространственная когерентность лазерного излучения при построении интерферометров позволяет наблюдать контрастную интерференционную картину. В результате отпадает необходимость применения длиннофокусных входных и выходных коллиматоров, сокращаются более чем на порядок габариты прибора, расширяются допуски на оптические элементы интерферометра и облегчаются требования к его юстировке.

3. Малые размеры входной апертуры дают возможность строить лазерные интерферометры, в которых количество отражений в плечах отличается на нечетное число. Интерферометры с перевернутыми зрачками чувствуют смещение источника относительно визирной линии прибора и могут быть применены для определения положения объектов.

4. Необходимую информацию несет переменная составляющая сигнала, фаза которого пропорциональна разности хода в интерферометре. Интерференционный фон, или постоянная часть сигнала, не содержит полезной информации и при последующей обработке исключается.

5. Доплеровские интерферометры, предназначенные для измерения скорости, появились после изобретения лазеров и не имеют аналога в классической интерферометрии. В приборах такого типа поле интерференции задает необходимую метрику, а поле дифракции на движущихся частицах несет информацию об их скорости. Специфика применений и схемных решений выделила этот тип приборов в отдельное направление лазерной интерферометрии.

6. При проведении фундаментальных работ в геофизике, геодезии и астрономии требуется точное знание ускорения силы тяжести. Определение фигуры Земли, детальное исследование ее геологического строения и физических свойств (упругости, вязкости) зависят от точности измерения гравитационного ускорения и его изменений в пространстве и времени. Основную часть лазерного гравиметра составляет интерферометр перемещений, позволяющий определить путь падающего пробного тела с относительной погрешностью ±2 • 10"9.

7. При проведении измерений при помощи лазерных интерферометров необходимо точное знание показателя преломления и дисперсии воздуха, поскольку большая часть измерений (особенно в промышленности) осуществляется в в�