Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний

Представлены результаты исследований оптической интерферометрии на основе низкокогерентных источников излучения вне зоны когерентности. Показано, что когда разность плеч интерферометра Майкельсона превышает длину когерентности  излучения светодиода, явление спектральной интерференции...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Радіофізика та електроніка
Date:	2011
Main Authors:	Лукин, К.А., Мачехин, Ю.П., Данаилов, М.Б., Татьянко, Д.Н.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2011
Subjects:	Поширення радіохвиль та дистанційне зондування
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78038
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний / К.А. Лукин, Ю.П. Мачехин, М.Б. Данаилов, Д.Н. Татьянко // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 39-45. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860245997127467008
author	Лукин, К.А. Мачехин, Ю.П. Данаилов, М.Б. Татьянко, Д.Н.
author_facet	Лукин, К.А. Мачехин, Ю.П. Данаилов, М.Б. Татьянко, Д.Н.
citation_txt	Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний / К.А. Лукин, Ю.П. Мачехин, М.Б. Данаилов, Д.Н. Татьянко // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 39-45. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Радіофізика та електроніка
description	Представлены результаты исследований оптической интерферометрии на основе низкокогерентных источников излучения вне зоны когерентности. Показано, что когда разность плеч интерферометра Майкельсона превышает длину когерентности излучения светодиода, явление спектральной интерференции обеспечивает абсолютные измерения микро- и нанорасстояний в соответствии со временем задержки и относительной фазой между опорным и зондирующим сигналами. The paper presents some results of the optical interferometry investigations with use of low-coherent optical sources beyond their coherence zone. It is shown that when the path difference of arms in Michelson interferometer exceeds the coherence length of light-emitting diode radiation, the interference pattern in spectral domain enables to perform absolute measurements of micro and nano distances due to its dependence on both time delay and relative phase of the signals. Наведено результати досліджень оптичної інтерферометрії на основі низькокогерентних джерел випромінювання поза зони когерентності. Показано, що коли різниця пліч інтерферометра Майкельсона перевищує довжину коге- рентності випромінювання світлодіода, явище спектральної інтерференції забезпечує абсолютні вимірювання мікро- та нановідстаней згідно з часом затримки та відносною фазою між опорним та зондуючим сигналами.
first_indexed	2025-12-07T18:36:49Z
format	Article
fulltext	ППООШШИИРРЕЕННННЯЯ РРААДДІІООХХВВИИЛЛЬЬ ТТАА ДДИИССТТААННЦЦІІЙЙННЕЕ ЗЗООННДДУУВВААННННЯЯ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028821X Радіофізика та електроніка, 2011, том 2(16), № 1 © ІРЕ НАН України, 2011 УДК 681.785.57 К. А. Лукин 1 , Ю. П. Мачехин 2 , М. Б. Данаилов 3 , Д. Н. Татьянко 1 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА СПЕКТРАЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МИКРО- И НАНОРАССТОЯНИЙ 1 Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, г. Харьков, 61085, Украина E-mail: lukin.konstantin@gmail.com, lukin@ire.kharkov.ua 2 Харьковский национальный университет радиоэлектроники 14, пр. Ленина, г. Харьков, 61166, Украина 3 Laser Laboratory, Synchrotron, SS14, km.163.5, 34012, Trieste, Italy Представлены результаты исследований оптической интерферометрии на основе низкокогерентных источников излуче- ния вне зоны когерентности. Показано, что когда разность плеч интерферометра Майкельсона превышает длину когерентности излучения светодиода, явление спектральной интерференции обеспечивает абсолютные измерения микро- и нанорасстояний в соответствии со временем задержки и относительной фазой между опорным и зондирующим сигналами. Ключевые слова: спектральная интерферометрия, светодиод, шумовой оптический сигнал, интерферометр Майкельсона. Ил. 8. Библиогр.: 18 назв. Интерферометрия, основанная на высоко- стабильных источниках лазерного излучения, обеспечивает прецизионные линейные измерения в пределах от единиц миллиметров до десятков метров. Недостатком существующих лазерных интерферометров для измерения наноразмеров, т. е. для размеров, много меньших длины волны излучения стабилизированного по частоте лазера, является недостаточная кратковременная ста- бильность частоты лазера [1]. Это не позволяет выполнять интерферометрические измерения микро- и нанорасстояний, что существенно огра- ничивает применение лазерных интерферометров для измерения наноразмеров и нанорасстояний. Поэтому поиск альтернативных оптических ин- терферометрических методов привел в конце ХХ века к развитию оптической когерентной томо- графии (ОКТ) [25], которая заключается в полу- чении изображения различных поверхностей путем измерения величины и времени задержки широко- полосного низкокогерентного оптического сигна- ла, отраженного от изучаемых объектов [2, 5]. Су- ществует две основные разновидности ОКТ: вре- меннáя ОКТ (time-domain optical coherence tomography (OCT)) и частотная ОКТ (frequency- domain OCT). В основе временнóй ОКТ лежит сканирующая интерферометрия, а частотная ОКТ основана на методе спектральной интерферомет- рии [2, 5]. ОКТ нашла применение в таких областях медицины, как офтальмология, стоматология, дерматология, кардиология и других биомеди- цинских задачах. В промышленности ОКТ ис- пользуется для исследования характеристик по- верхности материалов, например измерения па- раметров шероховатости поверхности, в частнос- ти в бумажной промышленности для контроля качества бумаги, а также других приложениях. Однако развитие спектральной интерферометрии с использованием шумовых сигналов милли- метрового [612] и оптического [13] диапазонов позволило реализовать методы спектральной ин- терферометрии в указанных диапазонах. На первом этапе спектральную интерферо- метрию (или оптическую шумовую локацию) пла- нировалось развивать для решения задач прецизи- онного измерения расстояний от сотых долей до 100 м [13]. В дальнейшем, основываясь на универ- сальности метода оптической спектральной ин- терферометрии, исследования были направлены на развитие метода измерений абсолютных расстоя- ний в области микро- и нанометрии. В настоящей работе проведены теорети- ческие и экспериментальные исследования мето- да спектральной интерферометрии при измерении микро- и нанорасстояний. Показано, какие источ- ники оптического излучения можно использовать для измерения малых расстояний и какие ограни- чения накладываются на точность измерений. 1. Теоретическое обоснование приме- нения метода для наноизмерений. Метод спект- ральной интерферометрии (или метод двойной спектральной обработки) основан на линейной интерференции гармонических составляющих спектра зондирующего и отраженного сигна- лов [613] при условии, что дальность до зонди- руемого объекта превышает длину когерентности источника излучения: f c lc   , (1) mailto:lukin.konstantin@gmail.com mailto:lukin@ire.kharkov.ua К. А. Лукин и др. / Применение метода спектральной... _________________________________________________________________________________________________________________ 40 где f  ширина частотного спектра зондирую- щего сигнала; c  скорость света в вакууме. Представление длины когерентности че- рез длину волны излучения имеет вид [14]   , 2 222         cl для 1  , (2) где  и   центральная длина волны и ширина спектра зондирующего шумового сигнала соот- ветственно. Метод может быть реализован с помощью классического интерферометра Майкельсона. В случае одиночного отражателя спект- ральная мощность )( fF сигнала на выходе ин- терферометра (входе фотодетектора) может быть представлена в следующем виде [7]:  ,)2cos(1)(2),( 00   ffFfF (3) где θ – разность фаз между опорным и отражен- ным сигналами; f – частота сигнала; 0 – время распространения сигнала до отражателя и обратно. Анализ спектра мощности )( fF сум- марного (зондирующего и отраженного) сигна- ла [7] позволяет получить информацию о даль- ности 0L до зондируемого отражателя. Спектральная мощность (3) действитель- на для бесконечного числа усреднений, что недо- стижимо на практике. Предположим, что в изме- рениях мы имеем дело с эргодическими случай- ными сигналами и усреднение по множеству реа- лизаций может быть заменено усреднением по времени. Средний интервал должен быть доста- точно длительным, чтобы минимизировать раз- брос в оценке спектральной мощности из-за слу- чайного характера исследуемого сигнала. Доста- точно большая база сигнала (произведение шири- ны полосы пропускания на длительность сигнала) 1 mesTf обычно используется в качестве кри- терия для выбора соответствующего времени mesT измерения/интегрирования. Особенность спектра (3) этого сигнала состоит в периодическом чередовании максиму- мов и минимумов на оси частот (длин волн), ко- торые являются следствием конструктивных, де- структивных и промежуточных интерференций гармонических спектральных компонент стацио- нарных сигналов, суммируемых на выходе ин- терферометра [7]. Период этого чередования об- ратно пропорционален времени запаздывания 0 отраженного сигнала относительно зондирующе- го, что позволяет однозначно оценивать расстоя- ние до отражателя. Для этого измеряется разность mf частот 1f и 2f , соответствующая положе- нию двух соседних экстремумов (максимумов либо минимумов) спектральной мощности (3), и далее находится расстояние из следующего соот- ношения [613]:  21 0 22 ff c f c L m     . (4) 2. Источник излучения. Существует несколько методов получения спектрально огра- ниченных шумовых оптических сигналов с раз- личной величиной ширины спектра [13]. Один из них – шумовая модуляция излучения одночастот- ного и одномодового HeNe-лазера с помощью акустооптического модулятора. При всех пре- имуществах этого метода он очень дорогостоя- щий. Другой метод заключается в использовании одномодового излучения инжекционных полу- проводниковых лазеров. Изготовленные по обычной технологии полупроводниковые лазеры работают с лоренцевской шириной линии излу- чения в пределах до 200 МГц. Эта величина зави- сит от рабочего тока полупроводникового лазера, поэтому путем подбора режима работы полупро- водникового лазера можно обеспечить ее увели- чение либо небольшое уменьшение. Третьим пер- спективным источником оптического излучения, который можно использовать в оптическом шу- мовом радаре, является фемтосекундный лазер, работающий в режиме генерации белого све- та (суперконтинуума) [2, 3]. Экономически наиболее перспективным источником излучения, который будет обеспечи- вать измерения расстояний от одного микрометра и меньше, является обычный светодиод, ширина спектра которого больше ширины спектра полу- проводникового лазера, что позволяет расширить диапазон измеряемых расстояний в сторону уменьшения. К источникам оптического излучения, используемым в оптической когерентной томо- графии, предъявляются определенные требования по рабочей длине волны излучения, ширине спект- ра, мощности и стабильности излучения [4]. В литературе по измерениям нанорассто- яний представлялись исследования, в которых ис- пользовались низкокогерентные источники излу- чения с широкой спектральной полосой [15, 16]. Благодаря этой особенности используемых источ- ников излучения данная область измерений назы- вается низкокогерентная интерферометрия (low- coherence interferometry) или спектральная интер- ферометрия белого света (white-light spectral interferometry). В выпускаемых промышленностью изме- рительных приборах (оптических когерентных томографах, микроскопах, профилометрах и т. д.) и в исследованиях, описанных в научной литера- туре, в качестве источников оптического излуче- ния обычно используются так называемые супер- люминесцентные диоды (superluminescent diodes), К. А. Лукин и др. / Применение метода спектральной... _________________________________________________________________________________________________________________ 41 различные виды ламп (вольфрам-галогеновые и кварцевые лампы) [17, 18]. Они имеют большую стоимость либо малую спектральную плотность мощности. В настоящей работе использованы свето- диоды, выпускаемые серийно для решения задач индикации и освещения. Был выбран InGaAlP- светодиод Toshiba TLRH190P. Исследуемый све- тодиод обладает следующими характеристи- ками: центральная длина волны излучения свето- диода 645 нм, ширина спектра излучения на полу- высоте около 15 нм. Излучение на выходе свето- диода расходится под углом 4. Благодаря этому излучение светодиода использовано в интерфе- рометре без дополнительной коллимации и фоку- сировки луча. Производитель позиционирует данный тип светодиодов как «LED Lamp» в силу высокой яркости излучения 19 000 мккд. Спектральная характеристика излучения светодиода TLRH190P представлена на рис. 1. Электропитание светодиода осуществлялось от источника питания 9 В  1,1 А. 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 0 1 2 3 4 5 6 7 и зл у ч ен и я О тн о си те л ь н ая и н те н си в н о ст ь Длина волны, нм 435441448455462469476484492500 Частота, ТГц Рис. 1. Спектр излучения светодиода Toshiba TLRH190P 3. Экспериментальная установка. Для реализации метода спектральной интерферомет- рии при измерении нанорасстояний собрана экс- периментальная установка по схеме оптического интерферометра Майкельсона (далее  интерфе- рометра). Блок-схема установки (рис. 2) включа- ет: 1 – источник излучения (светодиод Toshiba TLRH190P); 2 – зеркало; 4, 7 – Ag-зеркала (Metal Mirror Ag: Er2, Newport); 3 – светоделительная пластина 50/50 (10RQ00UB.2, Newport); 5  стол поступательного перемещения (F1-055/721299 фирмы Magini & C с микрометрическим винтом TESA с ценой деления 2 мкм); 6 – спектроанали- затор (на базе монохроматора/спектрографа M266 Solar Laser Systems, Беларусь). При проведении экспериментов реализо- ваны две схемы измерений, отличающиеся спо- собом ввода излучения в спектроанализатор. Первый показан на рис. 2: излучение распростра- нялось в открытом пространстве и направлялось на вход спектроанализатора посредством зеркала. Второй способ обеспечивал ввод излучения с вы- хода интерферометра в оптический спектро- анализатор через оптическое волокно. Чтобы из- бежать нежелательных эффектов в волокне, ре- шено отказаться от такого варианта эксперимен- тальной установки. При использовании оптиче- ского волокна результат измерений качественно не менялся, но его влияние приводило к неста- бильности мощности излучения, регистрируемой спектроанализатором. Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки. Интерфе- рометр Майкельсона Светоделительная пластина 3 делит по- ток излучения светодиода 1 на два луча в соот- ношении 50/50, направляя разделенные лучи на зеркала 4 и 7, которые образуют с пластиной 3 измерительное и опорное плечи интерферометра соответственно. Затем лучи, отраженные от зер- кал 4 и 7, суммируются на пластине 3 и результи- рующий луч направляется на зеркало 2. Зеркало 2 направляет выходное излучение интерферометра на вход спектроанализатора 6. Зеркало 7 установ- лено неподвижно и образует опорное плечо, а зеркало 4 образует измерительное плечо и может перемещаться благодаря тому, что оно установ- лено на столе поступательного перемещения 5. При изменении разности плеч интерферометра путем перемещения измерительного зеркала 4 вдоль оптической оси плеча интерферометра наблюдалось возникновение периодической структуры спектра излучения светодиода на вы- ходе интерферометра вне зоны когерентности светодиода и изменение ее периода. При уменьшении измеряемого расстоя- ния период чередования экстремумов спектра увеличивается, поэтому требуется использовать не только широкополосные источники излучения, но и широкополосные оптические спектроанали- заторы. 3 4 5 1 2 6 7 7 6 5 4 3 2 1 0 Частота, ТГц 500 492 484 476 469 462 455 448 441 435 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 Длина волны, нм О тн о си те л ь н ая и н те н си в н о ст ь и зл у ч ен и я К. А. Лукин и др. / Применение метода спектральной... _________________________________________________________________________________________________________________ 42 В качестве спектроанализатора использо- вался монохроматор/спектрограф M266 Solar Laser Systems (Беларусь) с дифракционной решет- кой 1 200 штрихов/мм и фотодиодной линейкой на 2 048 каналов. Среднее значение спектрально- го разрешения монохроматора/спектрографа М266 менее 0,22 нм. Экспериментальная установка представ- лена на рис. 3. На переднем плане – интерферо- метр Майкельсона, на заднем плане – поворотное зеркало на подставке и входной объектив моно- хроматора/спектрографа М266. Рис. 3. Экспериментальная установка для исследования пери- одической структуры спектра излучения светодиода в зависи- мости от разности плеч интерферометра Майкельсона Качество сборки и юстировки интер- ферометра определялось по картине простран- ственной интерференций в зоне когерентности источника излучения (рис. 4). Наблюдаемая квад- ратная форма центральной части луча обусловле- на строением излучающей поверхности светоди- ода и для проводимых частотных измерений принципиального значения не имела, так как ис- следовался спектр излучения светодиода. Проведено исследование пространствен- ной интерференции для определения длины коге- рентности. Интерференционные кольца в попе- речном сечении луча видны в пределах длины когерентности излучения источника. Следова- тельно, определив степень видности интерферен- ционных колец, мы можем найти длину коге- рентности источника. С помощью цифровой фотокамеры экс- периментально получены изображения интер- ференционных колец в поперечном сечении луча при изменении разности плеч интерферометра от максимальной видности интерференционных ко- лец до их исчезновения. Анализ полученных изображений показал, что длина когерентности сос-тавляет ~16…18 мкм. Расчетное значение длины когерентности излучения исследуемого светодиода Toshiba TLRH190P, найденное из вы- ражения (2), равно 27,7 мкм. Расхождение в рас- четном и экспериментальном значениях длины когерентности можно объяснить неидеальностью параметров исследуемого образца светодиода, а также конечным разрешением регистрирующего оборудования (цифровой фотокамеры). Рис. 4. Пространственная интерференция исследуемого излу- чения в интерферометре Майкельсона 4. Методика и результаты измерений. После того как интерферометр проверили в усло- виях пространственной интерференции в зоне когерентности излучения, осуществили его пере- стройку. Разность плеч интерферометра была увеличена таким образом, что пропала простран- ственная интерференция и, следовательно, коге- рентность, а в спектральной области, т. е. в спект- ре шумового излучения, регистрируемого на вы- ходе интерферометра, наблюдалась спектральная интерференция, которая хорошо описывается уравнением (3). Если установленная разность плеч интерферометра больше длины когерент- ности шумового излучения светодиода, то в реги- стрируемом спектре излучения наблюдается пе- риодическая структура. Спектр излучения на вы- ходе интерферометра, разность плеч которого превышает длину когерентности светодиода, представлен на рис. 5. В ходе экспериментов исследовался спектр на выходе интерферометра в следующих диапазонах: – на коротком участке вблизи зоны когерент- ности; – в диапазоне расстояний: от зоны когерент- ности  до ~1 мм от зоны когерентности. К. А. Лукин и др. / Применение метода спектральной... _________________________________________________________________________________________________________________ 43 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 0 1 2 3 4 5 6 7 435441448455462469476484492500 Частота, ТГц и зл у ч ен и я О тн о си те л ь н ая и н те н си в н о ст ь Длина волны, нм Рис. 5. Спектр излучения светодиода Toshiba TLRH190P на выходе интерферометра Майкельсона, разность плеч которого превышает длину когерентности излучения светодиода В первом случае целью измерений было максимально точное определение нижней грани- цы диапазона расстояний, при которой начинает проявляться эффект спектральной интерферен- ции: структура спектра излучения становится периодической. Во втором случае цель исследо- ваний заключалась в изучении зависимости пери- ода структуры спектра от разности плеч интерфе- рометра, а также в определении чувствительности предлагаемого метода. Измерения и обработка данных осуществ- лялись следующим образом. Экспериментальным путем были получены спектрограммы излучения на выходе исследуемого интерферометра при дискретном изменении разности плеч, т. е. для каждого значения разности плеч интерферометра получена отдельная спектрограмма. Так как экс- периментальные данные были получены в виде спектра как функции длины волны, для обработки результатов измерений в соответствии с (3) полу- ченные спектры были преобразованы в спектры как функции частоты. Далее проведена фурье- обработка каждого такого спектра, в результате чего для каждой спектрограммы получена спек- тральная линия периодической структуры, например как на рис. 6. 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 О тн о си те л ьн о е зн ач ен и е ам п л и ту д ы ф у р ь е- п р ео б р аз о в ан и я с п ек тр а Время задержки между сигналами плеч интерферометра, пс Рис. 6. Результат фурье-обработки спектрограммы представ- ленной на рис. 5 Значение абсциссы данного максимума обратно пропорционально периоду чередования экстремумов на спектрограмме, пример которой показан на рис. 5, и отражает время задержки между сигналами в плечах интерферометра. Зная скорость распространения сигналов и используя найденное время задержки, находим разность длин плеч интерферометра, т. е. расстояние меж- ду опорной поверхностью и объектом. На рис. 6 показан результат фурье-обработки спектрограм- мы, представленной на рис. 5. Определив значение абсциссы максиму- ма фурье-обработки спектра для каждого значе- ния разности плеч интерферометра, мы получили зависимость результата измерений от разности плеч. Полученные зависимости представлены на рис. 7 и 8 и соответствуют двум проводимым экспериментам. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 В р ем я з ад ер ж к и м еж д у с и гн ал ам и п л еч и н те р ф ер о м ет р а, п с Положение зеркала измерительного плеча интерферометра вдоль оптической оси, мкм Рис. 7. Экспериментальная зависимость времени задержки между сигналами, распространяющимися в различных плечах интер- ферометра Майкельсона на базе светодиода Toshiba TLRH190P, от положения зеркала в измерительном плече вблизи зоны коге- рентности На рис. 7 показана экспериментально по- лученная зависимость времени задержки между сигналами, которые распространяются в различ- ных плечах интерферометра (сигналами плеч ин- терферометра) на базе светодиода Toshiba TLRH190P (что пропорционально измеряемому расстоянию), от положения зеркала измеритель- ного плеча интерферометра вблизи зоны коге- рентности. Сканирование проводилось таким обра- зом: оно начиналось вне зоны когерентности, проходило через зону когерентности (плечи ин- терферометра равны) и заканчивалось за зоной когерентности. Разность плеч интерферометра изменялась с шагом 1 мкм. В результате можно наблюдать поведение спектра излучения на вы- ходе интерферометра на границах зоны когерент- ности. На графиках рис. 7 и 8, на оси абсцисс, для простоты восприятия положение зеркала из- 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 Длина волны, нм Частота, ТГц 500 492 484 476 469 462 455 448 441 435 7 6 5 4 3 2 1 0 О тн о си те л ь н ая и н те н си в н о ст ь и зл у ч ен и я 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Время задержки между сигналами плеч интерферометра, пс О тн о си те л ь н о е зн ач ен и е ам п л и ту д ы ф у р ь е- п р ео б р аз о в ан и я с п ек тр а 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Положение зеркала измерительного плеча интерферометра вдоль оптической оси, мкм В р ем я з ад ер ж к и м еж д у с и гн ал ам и п л еч и н те ф ер о м ет р а, п с 25 20 15 10 5 0 К. А. Лукин и др. / Применение метода спектральной... _________________________________________________________________________________________________________________ 44 мерительного плеча интерферометра в начальной точке сканирования было принято как нулевое значение. 0 20 40 60 80 100 120 0 100 200 300 400 500 В р ем я з ад ер ж к и м еж д у с и гн ал ам и п л еч и н те р ф ер о м ет р а, п с Положение зеркала измерительного плеча интерферометра вдоль оптической оси, мкм10 Рис. 8. Экспериментальная зависимость времени задержки между сигналами, распространяющимися в различных плечах интерферометра Майкельсона на базе светодиода Toshiba TLRH190P, от положения зеркала измерительного плеча Результаты измерений, представленные на рис. 7 и 8, состоят из 11 сканирований зерка- лом 4 (см. рис. 2) в одном направлении исследуе- мого диапазона расстояний и 11 сканирований в обратном направлении (для учета явления гисте- резиса в используемой механике). Таким образом, одно измерение состоит из 22 сканирований. При положении зеркала 4 (см. рис. 2) из- мерительного плеча интерферометра в диапа- зоне 36…70 мкм (рис. 7) периодичность струк- туры спектра светодиода практически не наблю- дается, следовательно спектральная интерферен- ция в данной области отсутствует. Данный диапа- зон составляет 34 мкм, т. е. около 17 мкм от точки равенства плеч интерферометра. В то же время, как было сказано ранее, эксперименталь- ные исследования пространственной интерфе- ренции показали, что длина когерентности излу- чения на выходе интерферометра составляет 16…18 мкм. Таким образом, можно сделать вы- вод, что эффект спектральной интерференции начинает проявляться за границей зоны когерент- ности  на расстоянии, превышающем длину ко- герентности. На рис. 8 представлен результат измере- ний при изменении разности плеч интерферомет- ра в диапазоне более 1 мм с шагом 10 мкм. Верх- няя граница диапазона расстояний ограничивалась разрешающей способностью измерительной аппа- ратуры  монохроматора/спектрографа Solar M266. График на рис. 8 представляет собой экс- периментально полученную зависимость времени задержки между сигналами, распространяющи- мися в различных плечах интерферометра на базе светодиода Toshiba TLRH190P (что эквивалентно измеряемому расстоянию), от положения зеркала измерительного плеча интерферометра в диапазо- не расстояний около 1 мм от зоны когерентности. Демонстрирует линейную зависимость периода структуры спектра излучения от разности плеч интерферометра. Следовательно, зная период экстремумов в спектре излучения на выходе ин- терферометра, мы можем определить разность плеч, т. е. в случае использования данной схемы в измерителе расстояния мы можем узнать рассто- яние до объекта. Была проведена оценка погрешности ре- зультатов измерений. Найдена максимальная аб- солютная погрешность результатов измерений для измеряемых диапазонов расстояний при до- верительной вероятности 0,95. Относительная погрешность результатов измерений, соответ- ствующая найденной максимальной абсолютной погрешности, составила: – 1,83 %  для измерения, результаты кото- рого представлены на рис. 7; – 3,3 %  для измерения, результаты которого представлены на рис. 8. При изменении разности плеч интерфе- рометра на 1 мкм (минимально возможный шаг для используемых механических элементов) пе- риод структуры спектра изменяется в среднем на 2,5 нм, что на порядок больше разрешающей спо- собности по длине волны используемого спектро- анализатора, равной 0,22 нм. Можно сделать вы- вод, что точность измерения расстояния на поря- док меньше 1 мкм и составляет сотни нанометров. Выводы. Описана теоретическая модель спектральной интерферометрии в оптическом диапазоне. В результате экспериментальной про- верки метода спектральной интерферометрии в оптическом диапазоне показана возможность воз- никновения периодической структуры в спектре излучения светодиода Toshiba TLRH190P на выхо- де интерферометра в результате интерференции в некогерентном пределе, т. е. при расстояниях, пре- вышающих длину когерентности излучения. На примере светодиода Toshiba TLRH190P изучены возможности использования недорогих промышленно-выпускаемых низкокогерентных источников оптического излучения для измере- ния микро- и нанорасстояний с применением ме- тода спектральной интерферометрии. Авторы предлагают и видят перспективы использования подобных светодиодов в приборах ОКТ, так как они значительно дешевле суперлюминесцентных диодов, обычно используемых в ОКТ, что позво- лит удешевить устройства на их основе. Следует отметить, что в описанных экс- периментах основное внимание уделялось иссле- дованию самих физических эффектов и возмож- ности использования для их получения недорогих источников излучения. При этом не ставилась В р ем я з ад ер ж к и м еж д у с и гн ал ам и п л еч и н те ф ер о м ет р а, п с 0 20 40 60 80 100 120 Положение зеркала измерительного плеча интерферометра вдоль оптической оси, мкм 10 500 400 300 200 100 0 К. А. Лукин и др. / Применение метода спектральной... _________________________________________________________________________________________________________________ 45 задача достижения максимальной точности изме- рения расстояния. Для достижения более высокой точности измерения длины в установке необхо- димо применять автоматизированное перемеще- ние зеркал, используя механические узлы с пьезо- керамическими элементами. Работа выполнена в отделе нелинейной динамики электронных систем (ИРЭ им. А. Я. Уси- кова НАНУ, г. Харьков, Украина) и лазерной ла- боратории Синхротрона (Elettra, Триест, Италия) в рамках программы STEP (Sandwich Training Edu- cational Programme), проводимой Международ- ным центром теоретической физики (The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP), Триест, Италия). Работа также поддержи- валась УНТЦ проектом № 3377. 1. Коронкевич В. П. Современные лазерные интерферометры / В. П. Коронкевич, В. А. Ханов.  Новосибирск: Наука, 1985.  181 с. 2. Drexler W. Optical Coherence Tomography: Technology and Applications / W. Drexler, J. Fujimoto.  Berlin: Berlin Springer-Verlag Heidelberg, 2008.  1346 p. 3. Dausinger F. Femtosecond technology for technical and medical applications / F. Dausinger, F. Lichtner, H. Lubatschowski.  Berlin, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2004.  326 p. 4. Bouma B. E. Handbook of Optical Coherence Tomography / B. E. Bouma, G. J. Tearney.  New York: Marcel Dekker Inc, 2001.  768 p. 5. Гуров И. П. Оптическая когерентная томография: принци- пы, проблемы и перспективы // Проблемы когерентной и нелинейной оптики / И. П. Гуров; под ред. И. П. Гурова, С. А. Козлова.  СПб: СПбГУ ИТМО, 2004.  С. 630. 6. Ефимов Б. П. О трансформации спектра стохастических колебаний автогенератора под действием отражений / Б. П. Ефимов, К. А. Лукин, В. А. Ракитянский // Журн. техн. физики. – 1988. – 58, № 12. – С. 23982400. 7. Лукин К. А. Шумовая радарная технология / К. А. Лукин // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 1999. – 4, № 3. – С. 105–111. 8. Кулик В. В. Модификация метода двойной спектральной обработки шумовых сигналов / В. В. Кулик, К. А. Лукин, В. А. Ракитянский // Укр. метролог. журн. – 1997. – Вып. 4. – С. 28–32. 9. Lukin K. A. Millimeter Wave Noise Radar Applications, Theory and Experiment / K. A. Lukin // Proc. of the MSMW2001 Symposium.  Kharkiv, 2001.  V. 1.  P. 6873. 10. Lukin K. A. Spectral Interferometry method and autodyne (self- mixing) effect for Noise Radar Application / K. A. Lukin, V. V. Kulyk, A. A. Mogyla // Proc. Int. Workshop on the Noise Radar Technology.  Yalta, 2002.  P. 179186. 11. Mogila A. A. Statistical Errors of Ranging in the Spectral Inter- ferometry Technique / A. A. Mogila, K. A. Lukin, V. V. Kulik // Telecommunications and Radio Engineering.  2001.  55, N 10–11.  P. 6777. 12. Могила А. А. Статистическая погрешность измерения рас- стояния методом спектральной интерферометрии / А. А. Могила, К. А. Лукин, В. В. Кулик // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины.  2000.  5, № 1.  С. 163170. 13. Лазерный измеритель расстояний на основе метода спект- ральной интерферометрии / К. А. Лукин, Ю. П. Мачехин, А. А. Могила и др. // Прикладная радиоэлектрон.  2010.  9, № 2.  С. 240245. 14. Ghatak A. Introduction to fiber optics / A. Ghatak, K. Thyagarajan.  Cambridge: Cambridge University Press, 1998.  565 p. 15. Schnell U. Absolute distance measurement with synchronously sampled white-light channelled spectrum interferometry / U. Schnell, E. Zimmermann, R. Dändliker // Pure Appl. Opt.  1995.  4, N 5.  P. 643651. 16. Manojlović Lazo M. A simple white-light fiber-optic inter- ferometric sensing system for absolute position measurement / Lazo M. Manojlović // Optics and Lasers in Engineering.  2010.  48, N 4.  P. 486–490. 17. Brundavanam Maruthi M. Nanodisplacement measurement using spectral shifts in a white-light interferometer / M. M. Brundavanam, N. K. Viswanathan, D. Narayana Rao // Applied optics.  2008.  47, N 34.  P. 63346339. 18. Hlubina P. Dispersive white-light spectral interferometry to measure distances and displacements / P. Hlubina // Optics Communications.  2002.  212, N 1  P. 65–70. K. A. Lukin, Yu. P. Machekhin, M. B. Danailov, D. N. Tatyanko APPLICATION OF THE SPECTRAL INTERFEROMETRY METHOD FOR MICRO- AND NANODISTANCES MEASUREMENT The paper presents some results of the optical inter- ferometry investigations with use of low-coherent optical sources beyond their coherence zone. It is shown that when the path differ- ence of arms in Michelson interferometer exceeds the coherence length of light-emitting diode radiation, the interference pattern in spectral domain enables to perform absolute measurements of micro and nano distances due to its dependence on both time delay and relative phase of the signals. Key words: spectral interferometry, light emitting diode, noise optical signal, Michelson interferometer. К. О. Лукін, Ю. П. Мачехін, М. Б. Данаїлов, Д. М. Татьянко ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДУ СПЕКТРАЛЬНОЇ ІНТЕРФЕРОМЕТРІЇ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ МІКРО- ТА НАНОВІДСТАНЕЙ Наведено результати досліджень оптичної інтер- ферометрії на основі низькокогерентних джерел випроміню- вання поза зони когерентності. Показано, що коли різниця пліч інтерферометра Майкельсона перевищує довжину коге- рентності випромінювання світлодіода, явище спектральної інтерференції забезпечує абсолютні вимірювання мікро- та нановідстаней згідно з часом затримки та відносною фазою між опорним та зондуючим сигналами. Ключові слова: спектральна інтерферометрія, світло- діод, шумовий оптичний сигнал, інтерферометр Майкельсона. Рукопись поступила 14.12.10 г.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78038
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1028-821X
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:36:49Z
publishDate	2011
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
record_format	dspace
spelling	Лукин, К.А. Мачехин, Ю.П. Данаилов, М.Б. Татьянко, Д.Н. 2015-03-10T16:24:09Z 2015-03-10T16:24:09Z 2011 Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний / К.А. Лукин, Ю.П. Мачехин, М.Б. Данаилов, Д.Н. Татьянко // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 39-45. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78038 681.785.57 Представлены результаты исследований оптической интерферометрии на основе низкокогерентных источников излучения вне зоны когерентности. Показано, что когда разность плеч интерферометра Майкельсона превышает длину когерентности излучения светодиода, явление спектральной интерференции обеспечивает абсолютные измерения микро- и нанорасстояний в соответствии со временем задержки и относительной фазой между опорным и зондирующим сигналами. The paper presents some results of the optical interferometry investigations with use of low-coherent optical sources beyond their coherence zone. It is shown that when the path difference of arms in Michelson interferometer exceeds the coherence length of light-emitting diode radiation, the interference pattern in spectral domain enables to perform absolute measurements of micro and nano distances due to its dependence on both time delay and relative phase of the signals. Наведено результати досліджень оптичної інтерферометрії на основі низькокогерентних джерел випромінювання поза зони когерентності. Показано, що коли різниця пліч інтерферометра Майкельсона перевищує довжину коге- рентності випромінювання світлодіода, явище спектральної інтерференції забезпечує абсолютні вимірювання мікро- та нановідстаней згідно з часом затримки та відносною фазою між опорним та зондуючим сигналами. Работа выполнена в отделе нелинейной динамики электронных систем (ИРЭ им. А. Я. Усикова НАНУ, г. Харьков, Украина) и лазерной лаборатории Синхротрона (Elettra, Триест, Италия) в рамках программы STEP (Sandwich Training Educational Programme), проводимой Международным центром теоретической физики (The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP), Триест, Италия). Работа также поддерживалась УНТЦ проектом № 3377. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Поширення радіохвиль та дистанційне зондування Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний Аpplication of the spectral interferometry method for micro- and nanodistances measurement Застосування методу спектральної інтерфероментрії для вимірювання мікро- та нановідстаней Article published earlier
spellingShingle	Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний Лукин, К.А. Мачехин, Ю.П. Данаилов, М.Б. Татьянко, Д.Н. Поширення радіохвиль та дистанційне зондування
title	Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний
title_alt	Аpplication of the spectral interferometry method for micro- and nanodistances measurement Застосування методу спектральної інтерфероментрії для вимірювання мікро- та нановідстаней
title_full	Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний
title_fullStr	Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний
title_full_unstemmed	Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний
title_short	Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний
title_sort	применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний
topic	Поширення радіохвиль та дистанційне зондування
topic_facet	Поширення радіохвиль та дистанційне зондування
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78038
work_keys_str_mv	AT lukinka primeneniemetodaspektralʹnoiinterferometriidlâizmereniâmikroinanorasstoânii AT mačehinûp primeneniemetodaspektralʹnoiinterferometriidlâizmereniâmikroinanorasstoânii AT danailovmb primeneniemetodaspektralʹnoiinterferometriidlâizmereniâmikroinanorasstoânii AT tatʹânkodn primeneniemetodaspektralʹnoiinterferometriidlâizmereniâmikroinanorasstoânii AT lukinka applicationofthespectralinterferometrymethodformicroandnanodistancesmeasurement AT mačehinûp applicationofthespectralinterferometrymethodformicroandnanodistancesmeasurement AT danailovmb applicationofthespectralinterferometrymethodformicroandnanodistancesmeasurement AT tatʹânkodn applicationofthespectralinterferometrymethodformicroandnanodistancesmeasurement AT lukinka zastosuvannâmetoduspektralʹnoíínterferomentríídlâvimírûvannâmíkrotananovídstanei AT mačehinûp zastosuvannâmetoduspektralʹnoíínterferomentríídlâvimírûvannâmíkrotananovídstanei AT danailovmb zastosuvannâmetoduspektralʹnoíínterferomentríídlâvimírûvannâmíkrotananovídstanei AT tatʹânkodn zastosuvannâmetoduspektralʹnoíínterferomentríídlâvimírûvannâmíkrotananovídstanei

Применение метода спектральной интерферометрии для измерения микро- и нанорасстояний

Institution

Similar Items