Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизированная экспериментальная установка Z-сканирования для исследования нелинейных свойств оптических материалов

Русинов А.П.

Олейник И.О.

Нелинейные свойства оптических материалов, связанные с некогерентным насыщением поглощения, многофотонными процессами, тепловой или керровской нелинейностью представляют несомненный интерес для современной фундаментальной физики [1-2]. В прикладном смысле материалы с высокими оптическими нелинейностями привлекательны точки зрения их использования в качестве оптических ограничителей, оптических переключателей, систем управления формой и длительностью лазерных импульсов и т.д. [3-4]

Для исследования нелинейных характеристик оптических материалов используются различные экспериментальные методики. Одним из сравнительно простых и эффективных методов, является метод Z-сканирования. Он заключается в перемещении исследуемого образца вдоль оси сфокусированного лазерного пучка вблизи его фокуса при одновременной регистрации интенсивности падающего и проходящего через него излучения. Это позволяет в режиме открытой апертуры измерять зависимость коэффициента нелинейного пропускания образца от плотности мощности падающего излучения, а в режиме ограниченной (закрытой) апертуры определять знак и степень самофокусировки света в материале [5].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Схема Z-сканирования [3]. Здесь z - положение образца относительно фокуса линзы. ИИ-источник излучения, Д₁-диафрагма,ограничивающая ширину пучка накачки; Д₂-диафрагма, регулирующая апертуру; Л-линза, ФД - фотодетектор регистрирующий конечный сигнал, О-образец

В рамках Государственного задания на 2017-2019 годы по теме «Плазмонные характеристики слоистых нанокомпозитных частиц со структурой «ядро-оболочка», многочастичных кластеров и пространственных решеток на их основе», (научный руководитель, профессор Кучеренко М.Г.) на базе лаборатории ЦЛИБФ была реализована автоматизированная установка Z-сканирования для исследования нелинейных свойств оптических материалов. Была разработана механическая, оптическая и электронная схемы установки, написана программа управления установкой Z-сканирования с компьютера, обеспечивающая регулировку всех ее параметров, считывание экспериментальных данных, их обработку и сохранение. Также была проведена апробация экспериментальной установки Z-сканирования на модельном растворе органического красителя.

Электронно-механическая часть установки

Несущая часть установки взята от сканера EPSON, в ней сохранён корпус, шаговый двигатель и направляющая штанга, на которой закреплен подвижный столик с образцом. Механическая часть установки дополнена рельсом, обеспечивающим движение образца только вдоль оси сканирования и дополнительной штангой на которой закреплены оптические элементы установки: лазер, линзы, диафрагмы входной и выходной апертуры, ослабители светового пучка и фотоприемник.

Для высокоточного позиционирования образца на оси сканирования использован биполярный шаговый двигатель rh7-1319 управляемый через H-мост реализованный на микросхеме L298. Использование шагового двигателя позволяет легко изменять направление и скорость движения подвижного столика с образцом вдоль оси сканирования. Это дает возможность быстрого старта, остановки и реверсирования с точностью позиционирования до 0.05 мм.

Рисунок 2. Электронная схема установки для исследования нелинейно-оптических сред методом Z-сканирования

Сигнал с фотодиода поступает на операционный усилитель, собранный на микросхеме LM358 по неинвертирующей схеме. Важными характеристиками усилителя является высокое входное сопротивление порядка гигаом, варьируемый коэффициент усиления от 1 до 25 и ограничение максимального выходного напряжения.

Модуль, управляющий режимами работы установки и поддерживающий протокол связи с компьютером, реализован на плате Arduino UNO R3 с микроконтроллером ATmega328, схема его подключения приведена на рисунке 2. Микроконтроллер по четырем цифровым выходам через H-мост управляет обмотками шагового двигателя, через два цифровых входа осуществляет контроль границ диапазона сканирования, считывает через аналоговый вход с разрядностью АЦП 10 бит (1024 дискретных уровня) сигнал с фотоприемника прошедший через усилитель и передает их на компьютер. Питание электронной платы и связь с персональным компьютером осуществляется по протоколу USB 2.0.

Программная часть установки

Программный пакет, обеспечивающий регулировку всех параметров установки, считывание экспериментальных данных, их обработку и сохранение на диск функционально разделен на две части:

драйвер микроконтроллера Arduino, интегрирован в экспериментальную установку, осуществляет самодиагностику узлов прибора, контролирует положение подвижной части установки и считывает данные с фотоприемника;

пользовательская программа, взаимодействует с микроконтроллером через USB-порт, позволяет задавать режимы сканирования (диапазон сканирования, скорость, направление сканирования и т.д.), получать данные с прибора, отображать их в графическом окне и сохранять в удобном для дальнейшей обработки формате. Программа разработана под операционную систему Microsoft Windows XP (и выше) и не требует предварительной инсталляции на компьютер, однако для корректной работы требуется установка библиотеки NET Framework не ниже версии 4.0 и драйвера CR340 для загрузчика микроконтроллера ATmega328.

Прикладная программа представляет собой Windows-приложение разработанное в среде Visual Studio 2017 на языке программирования C#. Окно программы функционально разделено две части (см. рис. 3): слева - рабочая область, позволяющая задавать параметры и диапазон сканирования, а также сохранять полученные данные в текстовом формате, совместимом с MS Exel и Origin. В правой части окна размещена графическая область, где отображаются результаты измерений в декартовых координатах в относительных осях с автоматическим масштабированием.

Рисунок 3. Вид рабочего окна программы по завершению измерений

Оптическая схема установки состоит из лазера, с длинной волны 650 нм. Для измерений в других спектральных диапазонах вместо модуля красного лазера могут использоваться модули зелёного (532 нм) или синего (405 нм) лазеров. Для изменения диаметра лазерного пучка накачки используется диафрагма, увеличивающая или уменьшающая диаметр пучка накачки. Фокусировка лазерного пучка происходит за счёт линзы с фокусным расстоянием 20 см. Для регистрации сигнала используется фотодиод ФД24-К, при этом оптический пучок ослабляется с помощью стеклянных светофильтров до уровня обеспечивающего линейный режим чувствительности фотодиода используются.

Перед началом сканирования с помощью входной диафрагмы устанавливается диаметр пучка накачки для регулировки его интенсивности. Далее выходной диафрагмой устанавливается режим сканирования: открытая или закрытая апертура фотоприемника. Для ослабления входного оптического сигнала до уровня, обеспечивающего линейный режим чувствительности фотодиода, используются стеклянные светофильтры, ослабляющие лазерный пучок в 2 или в 10 раз. Линейному участку чувствительности фотоприемника отвечает выходное напряжение в 100-150 мВ, при полностью убавленном операционном усилителе К=1, этому отвечает уровень сигнала 110-170 ед. Однако при работе в таком режиме сказывается малая разрядность АЦП микроконтроллера, зарегистрированный сигнал сильно дискретизированает их качество. Для совмещения рабочего диапазона фотодетектора и АЦП микроконтроллера используется операционный усилитель, с его помощью сигнал с фотоприемника усиливается до уровня 700-900 ед. (700-900 мВ), что обеспечивает достаточно качественный сигнал Z-сканирования.

Апробация установки на модельном водном растворе метиленового голубого

Для апробации установки Z-сканирования в качестве модельной системы был выбран водный раствор органического красителя - метиленового голубого в концентрации 1 мМ. Выбор данного красителя определяется его хорошим поглощением в диапазоне 650 нм и высокой эффективностью преобразования энергии излучения в тепло.

Далее приведены результаты экспериментальных измерений спектров Z-сканирования в режиме открытой апертуры. В этом режиме через образец проходит пучок накачки при различных плотностях мощности излучения (в перетяжке - больше, вдали от нее - меньше). В линейном случае бугеровского поглощения зависимости от плотности мощности накачки не наблюдается. При некогерентном насыщении поглощения наблюдается усиление сигнала на фотоприемнике при нахождении образца в перетяжке пучка накачки. При нелинейном усилении поглощения наблюдается ослабление сигнала (усиление поглощения) в области перетяжки. Как видно из эксперимента в водных растворах метиленового голубого имеет место нелинейное усиление поглощения.

Экспериментальная установка позволяет регулировать мощность пучка накачки с помощью входной диафрагмы. Как видно из рисунка 4, от мощности пучка накачки зависит амплитуда эффекта нелинейного усиления поглощения на спектрах Z-сканирования.

Рисунок 4. Спектр Z-сканирования водного раствора метиленового голубого (С= 10^-3 М) в режиме открытой апертуры при мощности пучка накачки а) 50 мВт и б) 200 мВт.

Регулировкой мощности пучка накачки можно менять плотность мощности лазерного излучения в перетяжке от 0.5 кВт/см² до 2,5 кВт/ см². При этом величина эффекта (усиление поглощения) также возрастает с 5% до 14%.

Раствор красителя является изотропной средой с центром инверсии, следовательно, в нем принципиально отсутствуют нелинейности четных порядков по напряженности поля Е. Главным механизмом нелинейности, в этом случае, выступает керровская нелинейность кубичная по Е. Тогда для коэффициента поглощения среды можно записать

,

где I - интенсивность светового потока, - линейная составляющая коэффициента поглощения, - нелинейная.

Так как нелинейность поглощения проявляет себя, главным образом, в области перетяжки пучка накачки, то зная отношение интенсивностей сигнала Z-сканирования в перетяжке и в крайних точках =0,86 для рис. 4б и логарифмируя его, можно определить вклад нелинейного поглощения для раствора метиленового голубого , где - интенсивность пучка накачки в перетяжке, откуда 6 10^-5 см²/Вт.

В режиме закрытой апертуры фотоприемника экспериментальная установка регистрирует искривление волнового фронта пучка накачки на наведенной этим же пучком в образце оптической неоднородности (тепловой, фоторефрактивной или др. линзы). В зависимости от знака наведенной линзы может наблюдаться как дополнительная самофокусировка пучка накачки вблизи его перетяжки, как и дефокусировка.

Вид сигнала Z-сканирования в режиме закрытой апертуры при самодефокусировке можно пояснить следующей схемой. При нахождении образца (О) вдали от перетяжки наведенная линза в нем отсутствует, и ход луча накачки не искажается, фотоприемник (Ф), при этом, регистрирует некоторую часть светового потока прошедшего через диафрагму (Д₁).

При приближении образца к перетяжке наведенная линза в нем дефокусирует луч. При этом на диафрагме пучок накачки имеет большую площадь, следовательно, через отверстие на фотоприемник поступает меньше света и сигнал уменьшается, как показано на рисунке 5а.

Рисунок 5. Схема формирования сигнала Z-сканирования в режиме закрытой аппертуры

При прохождении перетяжки дополнительная дефокусировка приводит к смещению перетяжки вправо и уменьшению площади пучка на диафрагме, следовательно, и к увеличению сигнала на фотоприемнике (рисунок 5б).

В случае наведения в образце положительной линзы экспериментальный сигнал будет инвертирован, при нахождении образца между перетяжкой и линзой будет иметь место ослабление сигнала, а между перетяжкой и диафрагмой - усиление.

Как видно из рисунков 6а-6б в водном растворе метиленового голубого имеет место именно самодефокусировка пучка, т.е. знак наведенной линзы отрицательный.

Рисунок 6. Спектр Z-сканирования водного раствора метиленового голубого (С= 10^-3 М) в режиме закрытой апертуры при мощности пучка накачки а) 50 мВт и б) 200 мВт.

Как видно из рисунков 6а и 6б амплитуда сигнала Z-сканирования в режиме закрытой апертуры от мощности входного пучка практически не зависит, что может свидетельствовать о том, что нелинейная рефракция наводится именно центральным участком пучка накачки.

Итогом проделанной работы стала реализация экспериментальной установки Z-сканирования для изучения нелинейно-оптических характеристик растворов и пленок со следующими функциональными параметрами:

Рабочий диапазон хода образца - 300 мм;

Длины волн лазера накачки - 650 нм, 532 нм или 405 нм;

Мощность лазера накачки - 100 - 150 мВт;

Плотность мощности в перетяжке ~ 2-5 кВт/см²;

Комплект светофильтров, обеспечивающих ослабление светового потока на рабочей длине волны в 2 раза и в 10 раз;

Максимальное усиление входного сигнала с фотоприемника К=25;

Разрядность АЦП для входного сигнала с фотоприемника - 8 бит (1024 ед.);

Регулировка апертуры источника излучения и фотоприемника.

Управление установкой осуществляется с компьютера, посредством специализированной программы, обеспечивающей регулировку всех ее параметров, считывание экспериментальных данных, их обработку и сохранение на диск.

Проведена апробация установки Z-сканирования на модельной системе - водном растворе метиленового голубого в концентрации 1 мМ. В режиме открытой апертуры выявлено нелинейное усиление поглощения в данном растворе и определена константа нелинейного поглощения. В режиме закрытой апертуры показано, что растворе в метиленового голубого в области перетяжки имеет место дефокусировка лазерного пучка.

Список литературы

оптический материал нелинейность

1. И.Р. Шен. Принципы нелинейной оптики. М., Физматлит, 1989.

2. R.W. Boyd. Nonlinear Optics. San Diego, Acad. Press, 1992.

3. Ганеев, Р.А. Исследование нелинейно-оптических характеристик различных сред методами Z-сканирования и генерации третьей гармоники лазерного излучения / Р.А. Ганеев, И.В. Каманина, И.А. Кулагин, А.И. Рясненский, Р.И. Тугушев, Т.Х. Усманов. // Квантовая электроника, 2002. - 788 с.

4. Stryland E.W., Sheik-Bahae M. Z-scan measurements of optical nonlinearities // Charact. Tech. Tabul. Org. Nonlinear Mater. 1998. № 3. P. 655-692.

5. Sheik-Bahae M., Said A.A., Wei T.-H., Hagan D.J., Stryland E.W. Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam // IEEE J. Quantum Electron. 1990. V. 26, № 4. P. 760-769.

Размещено на Allbest.ru