. Способ измерений малых перемещений на основе интерферометрии — фазометрии

Здесь: Фк — фаза компенсатора (калибровка компенсации сигнала по фазе); ФО — фазовый объект; Vс — сигнальный пучок; V0 — опорный пучек; V — область разделений входного оптического пучка; А — область совмещения оптических пучков.

В точке А сигнал будет иметь вид:

I(r,t) =

где , .

Локальная интенсивность среднего поля равна Δ = IcI0, где Ic — амплитуда измеряемого сигнала, I0 — амплитуда опорного сигнала.

Наша задача — определить величину сдвига фаз, δ(Δφ), связанную с перемещением плоскости фазового объекта. Используют фотоэлектрическую регистрацию изменений интенсивности результирующего пучка. При этом, используют фазовую модуляцию сигнала (одного из пучков). Частоты модуляции — радиотехнические, так что точность определения частоты (времени) очень высока (атомные часы — эталон времени). В случае гармонической модуляции, в спектре фотосигнала будут содержаться гармоники частот модуляции; при этом их амплитуды зависят (по сравнению с модуляцией) от медленно меняющегося сдвига фаз между интерферирующими лучами. Отсюда, величину сдвига можно определить по амплитуде гармоники. Это метод измерения малых фазовых сдвигов (Δφ ~ 1 рад.).

В фазометре происходит сравнение по фазе сигнала совмещенного пучка, связанного с изменением фаз в опорном и сигнальном плечах. Результаты измерений перемещений вычисляются с использованием следующего соотношения:

где N — число фазовых циклов, а  — дробные доли полос интерференции (фазовые сдвиги). Т.е. при ,  получаем для  значение порядка 0,1 нм.

Т.е. метод,  казалось бы, позволяет фиксировать смещения ~ толщины атомной плоскости. Так ли это в действительности?

Рассмотрим основные типы измерительных шумов, влияющих на точность измерений с использованием  эталонов на основе интерференционных методов

1). С ростом Io и Ic растет дробовой шум, обусловленный распределением в опорном и сигнальном пучках числа фотонов.

2). Наряду с квантовыми флуктуациями, другой причиной являются флуктуации оптической длины пути (причины этого: термодинамические флуктуации в плечах газового спектрометра, температурные изменения длины плеч, флуктуации квантовой эффективности η, акустические и механические шумы).

2а). Флуктуации оптической длины пути за счет термодинамических флуктуаций — важная составляющая измерительного шума.

2б). Тепловые флуктуации длины оптического пути (сигнального и опорного).

3). Неполное пространственное согласование V0 и Vc, — «конечное» значение их апертур, приводит к тому, что нормировка аппаратной функции меньше 1, что «загрубляет» чувствительность

Таким образом, учет (1) — (3) приводит к тому, что использование лазерных интерферометров позволяет измерять фазовые сдвиги на уровне ~10–5 рад, что соответствует 10–5×75 = 10–3 град. фазы.

Однако, смещение плоскости на один электронный слой не удается зарегистрировать, так как информация «тонет» в дробовых шумах. Для уменьшения разности фаз выход один — повышать мощность (у нас, для оценок, была взята мощность в 1 мВт). Т.е. необходимо искать мощные когерентные источники (например, синхротрон) и фотоприемники — «слабо шумящие» при больших мощностях сигнала.

 

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector