На правах рукописи

Стяпшин Василий Михайлович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ

АНАЛИЗАТОРА ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И

ДАТЧИКА УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ

НА ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ

В НАНОГРАФИТОВЫХ ПЛЁНКАХ

05.11.14 – «Технология приборостроения»

Автореферат диссертации на соискание учной степени кандидата физико-математических наук

Ижевск – 2012 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте механики Уральского отделения Российской академии наук (ИМ УрО РАН)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Михеев Геннадий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент, Соболев Валентин Валентинович, ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова», профессор кандидат физико-математических наук, Подшивалов Алексей Алексеевич, Международный учебно-научный лазерный центр МГУ имени М. В. Ломоносова, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Удмуртский государственный университет»

1400 часов на заседании

Защита состоится « 29 » мая 2012 г. в диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

Автореферат разослан «_» апреля 2012 г.

Учный секретарь диссертационного совета Тарасов Валерий Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена исследованию поляризационно- и ориентационно-чувствительного фотовольтаического эффекта (ФВЭ) в нанографитовых плнках (НГП) для разработки технологических основ создания анализатора поляризации лазерного излучения и датчика углового положения, работающих на новых физических принципах.

Актуальность работы В экспериментах по разработке и созданию мощных лазерных источников, являющихся неотъемлемой частью современного приборостроения, часто приходится контролировать поляризацию излучения. В простейшем случае для этого используется анализатор поляризации в виде поляризатора с индикатором его углового положения и фотопримника с электроизмерительным устройством. Для полного анализа состояния поляризации излучения в состав анализатора поляризации включается четвертьволновая пластинка. Качественные поляризаторы изготавливаются из двулучепреломляющих призм и не могут применяться для световых пучков с широкой апертурой в виду ограничений, накладываемых принципом действия таких поляризаторов. Обычно они имеют апертуру от 55 до 1010 мм. Применение плночных поляризаторов (поляроидов), имеющих большую апертуру, иногда недопустимо в виду их худших поляризационных характеристик (меньшей степени поляризации), пониженной лучевой стойкости и более узкого спектра пропускания по сравнению с призменными поляризаторами.

Обычно спектр оптического пропускания двулучепреломляющих кристаллов, применяемых в призменных поляризаторах, лежит в диапазоне от ультрафиолета до ближней инфракрасной области. Так кальцит, часто используемый при производстве поляризаторов, оптически прозрачен в пределах от 220 до 2300 нм. Такие поляризаторы и анализаторы поляризации на их основе не могут работать в средней инфракрасной области. В действительности диапазон работы поляризатора дополнительно сужается из-за невозможности обеспечения условия пространственного разделения в нм обыкновенного и необыкновенного лучей на всей протяжнности спектра пропускания.

Кроме того, фотопримники, работающие на внутреннем и внешнем фотоэффекте, входящие в состав анализаторов поляризации, также имеют ограниченный спектральный диапазон функционирования. Например, обычный германиевый фотопримник, работающий на внутреннем фотоэффекте, не может работать в области длин волн более 2000 нм. Таким образом, для анализа поляризации оптического излучения в широком спектральном диапазоне используются несколько различных поляризаторов, четвертьволновых пластинок и фотопримников.

Благодаря высокой направленности излучения лазеры широко используются в составе различных измерительных приборов и устройств, в том числе для определения ориентации объекта в пространстве. Среди оптических датчиков, используемых для определения углового положения, можно выделить лазерные гироскопы, интерференционные и проекционные датчики. Лазерные (в частности, оптоволоконные) гироскопы – это сложные устройства, позволяющие точно определять угловые перемещения объекта, но требующие периодической калибровки вследствие дрейфа показаний. Интерференционные датчики обладают высокой чувствительностью, однако имеют малый динамический диапазон измеряемых углов. Проекционные датчики обеспечивают измерение углов в широком диапазоне, не требуют когерентного источника излучения, но имеют относительно малое быстродействие, подвержены засветке, работают в относительно небольшом диапазоне температур. Для многих приложений представляет интерес разработка дистанционных датчиков углового положения объекта относительно направления распространения лазерного излучения. Такие датчики могут быть созданы на основе новых материалов, в которых наблюдается ориентационно-чувствительный ФВЭ. Подобные свойства имеют НГП [1, 2].

Однако нанографитовый датчик углового положения, предложенный в [3], имеет узкий диапазон измерений углов, чувствителен к внешним механическим воздействиям и флуктуациям мощности лазерного излучения. Поэтому задача модификации свойств НГП для расширения диапазона измеряемых углов и устранения чувствительности датчика к механическим воздействиям и флуктуациям мощности лазерного излучения является актуальной.

Вс выше сказанное диктует необходимость изыскания и испытания новых материалов для создания анализатора поляризации и датчика углового положения на новых физических принципах.

Целью работы является исследование фотовольтаического эффекта в нанографитовых плнках для разработки технологических основ создания анализатора поляризации лазерного излучения и датчика углового положения.

Для достижения намеченной цели решались следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование ориентационных и поляризационных зависимостей фотовольтаического эффекта в нанографитовых плнках.

2. Исследование влияния модификации НГП покрытием прозрачной диэлектрической смачивающей жидкостью и внешним механическим воздействием на фотовольтаический сигнал (ФВС).

3. Разработка датчика углового положения на ФВЭ в НГП, нечувствительного к флуктуациям мощности лазерного излучения. Разработка автоматизированного комплекса для калибровки датчика.

4. Разработка анализатора поляризации лазерного излучения на ФВЭ в НГП.

Создание и апробация действующего макета анализатора.

Научная новизна результатов, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, состоит в следующем:

1. Впервые установлены эмпирические зависимости, описывающие преобразование мощности импульса света в амплитуду импульсного электрического напряжения, возникающего в НГП, в зависимости от параметров эллиптически поляризованного излучения лазера при ориентации измерительных электродов параллельно и перпендикулярно плоскости падения данного излучения.

Определено, что ФВС исчезает при ориентации измерительных электродов параллельно плоскости падения циркулярно-поляризованного излучения.

2. Показано, что модификация НГП покрытием прозрачной смачивающей диэлектрической жидкостью приводит к расширению углового диапазона, в котором наблюдается монотонное изменение ФВС от угла падения луча лазера на плнку.

3. Показано, что равномерное однонаправленное механическое «сглаживание»

поверхности НГП сопровождается возникновением асимметрии зависимости ФВС от угла падения лазерного излучения.

4. Разработан датчик углового положения стабильный по отношению к флуктуациям мощности лазерного излучения, основанный на регистрации поверхностных токов в НГП, существенно зависящих от ориентации поверхности плнки относительно направления распространения падающего лазерного излучения, имеющий диапазон измеряемых углов ±75°.

5. Впервые разработан и создан анализатор поляризации лазерного излучения, основанный на регистрации поверхностных токов в НГП, имеющих знакопеременную зависимость от поляризации падающего излучения.

Анализатор позволяет определять поляризацию лазерного излучения с большой апертурой в спектральном диапазоне от 266 до 4000 нм.

Практическая значимость работы Разработанный анализатор поляризации лазерного излучения имеет простую конструкцию, не содержит оптических элементов и работает в спектральном диапазоне от 266 до 4000 нм. Он позволяет анализировать поляризацию излучения большой апертуры. Разработанный датчик углового положения позволяет осуществлять измерения в диапазоне углов ±75° независимо от флуктуаций мощности лазерного излучения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Для эллиптически-поляризованного излучения лазера ФВС в НГП существенно зависит от степени эллиптичности, азимута поляризации, а также от ориентации измерительных электродов относительно плоскости падения лазерного излучения. При ориентации измерительных электродов параллельно плоскости падения циркулярно-поляризованного излучения ФВС исчезает.

2. Для линейно-поляризованного излучения лазера зависимости амплитуды сигнала от угла падения лазерного излучения отличаются друг от друга при расположении измерительных электродов параллельно и перпендикулярно плоскости падения.

3. Модификация НГП покрытием прозрачной диэлектрической смачивающей жидкостью приводит к расширению углового диапазона, в котором наблюдается монотонное изменение ФВС от угла падения луча лазера на плнку. Данный результат обусловлен, главным образом, процессами преломления излучения в жидкости и отражения от е поверхности.

4. Равномерное однонаправленное механическое «сглаживание» поверхности НГП приводит к возникновению асимметрии зависимости ФВС от угла падения лазерного излучения.

5. Разработанный датчик углового положения на ФВЭ в НГП нечувствителен к флуктуациям мощности лазерного излучения и имеет диапазон измеряемых углов ±75°.

6. Разработанный анализатор поляризации лазерного излучения на ФВЭ в НГП не содержит оптических элементов (четвертьволновых пластинок, поляризаторов) и не имеет принципиальных физических ограничений по апертуре анализируемого излучения. Анализатор может работать в спектральном диапазоне от 266 до 4000 нм.

Апробация результатов работы Материалы диссертационной работы докладывались на: Second International Workshop «Nanocarbon Photonics and Optoelectronics», Koli, Finland, 2010; Четвртой международной научно-практической конференции «Нанотехнологии – производству-2007», Фрязино, 2007; Второй всероссийской конференции с международным интернет-участием «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии», г. Ижевск, 2009; Седьмой конференции молодых учных «КоМУ-2008», г. Ижевск, 2008; Восьмой всероссийской школе-конференции молодых учных «КоМУ-2010», г. Ижевск, 2010; Третьей международной конференции «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии», г. Ижевск, 2011; Девятой всероссийской школе-конференции молодых учных «КоМУ-2011» г. Ижевск, 2011; Двенадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», СанктПетербург, 2011.

Работа поддерживалась грантами «Лучшие аспиранты РАН» (грант в области естественных и гуманитарных наук, 2010 год), «Анализатор поляризации лазерного излучения на фотовольтаическом эффекте в нанографитовых плнках»

(«Конкурс для молодых учных и аспирантов УрО РАН на получение средств для оплаты участия в научных конференциях», проект 11-1-ТГ-16, 2011 год);

«Широкополосный анализатор поляризации лазерного излучения на основе нанографитовой плнки» («Конкурс инновационных проектов молодых учных и аспирантов УрО РАН», проект 11-1-ИП-482, 2011 год).

Достоверность полученных и представленных в диссертации результатов подтверждается использованием апробированных и обоснованных физических методов, работоспособностью созданных установок, а также общим согласованием с результатами других исследователей. Анализ экспериментальных данных проведн с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений.

Личный вклад автора Результаты диссертационной работы являются оригинальными. Исследования поляризационных и ориентационных зависимостей ФВС в НГП, изложенные в диссертационной работе, выполнены лично автором. Датчик углового положения, нечувствительный к флуктуациям мощности падающего лазерного излучения, и анализатор поляризации лазерного излучения разработаны автором. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.

Публикации Основное содержание диссертационной работы отражено в 23 научных работах, в том числе 7 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации, и 2 патентах РФ на изобретение.

Структура и объм диссертации Диссертационная работа состоит из списка принятых в работе сокращений, введения, четырх глав с краткими выводами по каждой главе, заключения и списка цитируемой литературы. Материал работы изложен на 120 страницах, включающих 42 рисунка. Список цитированной литературы содержит 101 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность выбора темы диссертационной работы, сформулированы цель работы, научная новизна, защищаемые положения и практическая значимость работы.

В главе 1 представлен обзор литературы по теме диссертационной работы, рассмотрены существующие анализаторы поляризации лазерного излучения и датчики углового положения, указаны имеющиеся у них недостатки, описаны известные физические эффекты, приводящие к генерации ориентационно- и поляризационно-чувствительной фотоэдс. Глава состоит из трх разделов.

Первый раздел посвящн явлению поляризации света и рассмотрению приборов для е определения. Приводится обзор поляризационных устройств, описывается классический метод определения поляризации света. Указываются существующие приборы для определения поляризации лазерного излучения и их недостатки.

Во втором разделе главы приведн обзор оптических датчиков углового положения. Датся их классификация по принципу действия, рассматриваются недостатки.

В третьем разделе изложены основные физические эффекты, ответственные за генерацию фотоэдс, зависящей от поляризации и ориентации падающего излучения:

эффект увлечения, поверхностный фотогальванический эффект, эффект оптического выпрямления, циркулярный фотогальванический эффект, термоэдс в тонких плнках.

предназначенной для исследования ФВЭ в НГП. Представлены экспериментальные результаты, полученные в ходе исследований ориентационной и поляризационной зависимостей ФВЭ в НГП. Приведены результаты экспериментов по влиянию покрытия из диэлектрической смачивающей жидкости на ФВС в плнках. Показано, что равномерное однонаправленное механическое давление на поверхность НГП приводит к смещению ориентационных зависимостей ФВС.

Образцы исследуемых плнок были получены на физическом факультете Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова в лаборатории профессора А. Н. Образцова методом плазмохимического осаждения из смеси метана и водорода на подложку из высокоомного кремния [1]. Плнки представляют собой пористый материал, основными структурными элементами которого являются пластинчатые кристаллиты, состоящие из нескольких (примерно от 5 до 50) параллельных хорошо упорядоченных атомных слов графита. Средняя толщина кристаллитов (2 20) нм при размерах в других измерениях (1 3) мкм. Базисные плоскости кристаллитов имеют преимущественную ориентацию по нормали к поверхности подложки [4]. Расстояние между отдельными кристаллитами составляет от 0,5 до 1 мкм.

Было установлено [2, 5], что при облучении НГП излучением лазера наносекундной длительности в них возникает импульс электрического напряжения, повторяющий временную форму лазерного импульса. Амплитуда ФВС существенно зависела от поляризации света и от пространственной ориентации НГП относительно падающего пучка. При нормальном падении луча на поверхность плнки сигнал не наблюдался.

Для более подробного исследования ориентационных и поляризационных зависимостей ФВЭ в НГП была разработана экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 1, а.

Рис. 1. Схема эксперимента по наблюдению ориентационной и поляризационной зависимостей фотоэдс в НГП (а) при поперечной (б) и продольной (в) геометрии: 1 – YAG:Nd3+-лазер;

2, 9 – нейтральные светофильтры типа НС; 3 – четвертьволновая пластинка; 4 – поляризатор;

5 – делительная пластина; 6 – нанографитовая плнка; 7 – подложка; 8 – цифровой осциллограф;

10 – фотопримник для измерения энергии лазерных импульсов; A, B – измерительные электроды;

плоскость падения; k, E соответственно волновой и электрический векторы падающего излучения (k E, k, лежит в плоскости ); n нормаль к поверхности плнки; угол падения; угол между и плоскостью поляризации, определяемой k и E; xyz прямоугольная Проводились измерения амплитуд Ux и Uy фотовольтаического сигнала, полученных при поперечной (рис. 1, б – электроды перпендикулярны плоскости падения) и продольной (рис. 1, в – электроды параллельны плоскости падения) геометриях эксперимента соответственно. Линейность амплитуды ФВС от энергии in падающих на НГП лазерных импульсов длительностью позволяла получать для различных параметров эксперимента зависимости коэффициентов преобразования x и y лазерной мощности в ФВС, где x = Ux/in, y() = Uy/in. При этом погрешность измерений была не более 3 %.

Экспериментальные зависимости x () и y () от угла представлены на рис. 2, а. Видно, что коэффициент преобразования x (при фиксированном угле = 45°) во всм диапазоне изменения угла поляризации остатся положительным.

Коэффициент преобразования y имеет максимумы при = 45°; 225° и минимумы при = 135°; 315°. А в точках = 0; 180° (p-поляризация) и = 90°; 270° (s-поляризация) значение y обращается в нуль.

Рис. 2. Экспериментальные зависимости x и y от угла поляризации линейно-поляризованного излучения (а) и угла поворота оптической оси четвертьволновой пластинки относительно плоскости поляризации p-поляризованного излучения (б) при поперечной () и продольной () геометрии эксперимента, полученные при = 45° на длине волны = 1064 нм;

кривые 1 и 2 – аппроксимирующие функции x = 0 (c1 +cos2), y = 0 sin2 для (а) и x =0 (c2 +cos4), y =0sin4 для (б) соответственно, где 0 = 24,5 мВ/MВт, с1 = 2,35, Эксперименты при эллиптически поляризованном излучении проводились без поляризатора, их результаты приведены на рис. 2, б. В ходе эксперимента вращением четвертьволновой пластинки линейная поляризация излучения лазера, лежащая в плоскости падения, последовательно преобразовывалась в эллиптическую, циркулярную, из циркулярной – снова в эллиптическую, а затем обратно в линейную. Установлено, что при циркулярной поляризации излучения ФВС на электродах, параллельных плоскости падения, отсутствует.

Анализ экспериментальных результатов при эллиптически-поляризованном излучении позволил установить зависимости коэффициентов преобразования x и y от азимутального угла большой оси эллипса поляризации (азимута поляризации):

где 0, 0 – коэффициенты преобразования, зависящие от угла падения ; a и b – большая и малая оси эллипса поляризации; ma – азимут поляризации – угол между плоскостью падения и большой осью эллипса поляризации.

На рис. 3 представлены экспериментальные результаты по исследованию зависимости ФВС от угла падения лазерного излучения на НГП. Установлено, что угловые зависимости ФВС имеют вид нечтных функций и для p- и s-поляризации лазерного пучка аналогичны по форме полученным в [5]. Видно, что для = 45° амплитуда ФВС при поперечной геометрии эксперимента выше, чем при продольной на большей части измеряемого диапазона (при 70°).

Рис. 3. Экспериментальные зависимости коэффициентов x и y угла падения при различных углах для поперечной ( = 0 (), 45° (), 90° ()) и продольной ( = 45° ()) геометрии эксперимента; кривые 1-4 – соответствующие аппроксимирующие (полиноминальные) функции Полученные экспериментальные зависимости ФВС характерны для поверхностного фотогальванического эффекта и эффекта передачи квазиимпульса света электронам [6, 7].

Проведены исследования по влиянию модификации НГП покрытием прозрачной диэлектрической смачивающей жидкостью на генерируемый ФВС. На рис. 4 представлены расчтные (а) и экспериментально полученные (б, в) зависимости ФВС от угла падения лазерного излучения на НГП до (1) и после (2) модификации. Установлено, что после модификации происходит расширение углового диапазона, в котором наблюдается монотонное изменение ФВС. В целом теоретические расчты коррелируют с экспериментальными результатами и показывают, что расширение диапазона монотонного изменения ФВС обусловлено, главным образом, процессами преломления излучения в жидкости и отражения от е поверхности.

Рис. 4. Расчтные (а) и экспериментальные (б, в) зависимости амплитуды ФВС U от угла падения p-поляризованного лазерного излучения на НГП с покрытием (2) и без покрытия (1) слоем этилового спирта (а, б) и трансформаторного масла Т-1500 (в);

Модификация НГП квадратной формы со сторонами KLMN осуществлялась также путм равномерного однонаправленного механического «сглаживания» е поверхности от стороны K к стороне M (рис. 5, а). Зависимости амплитуды ФВС от угла падения лазерного излучения до и после «сглаживания» представлены на рис. 5, б. Видно, что равномерное однонаправленное механическое воздействие на поверхность НГП приводит к смещению ориентационных зависимостей ФВС.

Рис. 5. Схема механического «сглаживания» НГП (а) и экспериментальные зависимости амплитуды U ФВС от угла (б): 1 –для исходной плнки; 2 – для «сглаженной» плнки, когда сторона M плнки расположена под электродом A (рис. 1, а); 3 – для «сглаженной» пленки, когда Глава 3 посвящена датчику углового положения на ФВЭ в НГП.

Представлена конструкция датчика и описаны его возможные применения.

На рис. 6 изображена структурная схема датчика углового положения и показано устройство его чувствительного элемента. Угловое положение определяется относительно падающего лазерного излучения в плоскости падения, перпендикулярной электродам чувствительного элемента.

Рис. 6. Структурная схема датчика углового положения на ФВЭ в НГП (слева) и конструкция его чувствительного элемента (справа): 1 – НГП; 2 – диэлектрический держатель; 3 – электроды;

– угол между рабочими гранями чувствительного элемента; – угол падения излучения на основание чувствительного элемента; 1 и 2 – углы падения излучения на первую и вторую рабочие грани чувствительного элемента соответственно; УВХ – устройство выборки-хранения Углы падения излучения 1 и 2 на рабочие грани чувствительного элемента можно выразить следующими соотношениями:

Лазерное излучение падает на весь чувствительный элемент сплошным однородным параллельным пучком, поэтому мощности P1 и P2 излучения, попадающего на первую и вторую грани чувствительного элемента соответственно, при изменении угла можно выразить как:

где P0 – мощность падающего на грань лазерного излучения при е нормальной ориентации к лазерному пучку.

Исходя из рис. 3, наибольший коэффициент преобразования лазерной мощности в ФВС наблюдается для p-поляризованного лазерного излучения при расположении измерительных электродов перпендикулярно плоскости падения. В этом случае амплитуда ФВС от угла падения приближнно описывается выражением:

где k – коэффициент преобразования; F() – слабо меняющаяся -функция; P – мощность лазерного излучения. В первом приближении можно считать, что F(1) = F(2) = F(). Тогда подставив (3), (5) и (4), (6) в (7), получим амплитуды ФВС, возникающих на рабочих гранях чувствительного элемента соответственно:

Кривые этих зависимостей, построенные, например, при = 160 и нормированные на максимальное значение, представлены на рис. 7, а. Видно, что между ними имеется сдвиг по фазе на 20. При других значениях фазовый сдвиг будет изменяться.

Рис. 7. Расчтные зависимости амплитуд ФВС, возникающих на первой U1 (кривая 1) и второй U (кривая 2) рабочих гранях чувствительного элемента датчика углового положения (а), а также их Поделив (9) на (8), получим отношение амплитуд ФВС с рабочих граней чувствительного элемента r():

Данное выражение устанавливает однозначное (при условии, что известны знаки U и U2) соответствие между и r, поскольку не содержит множителя, зависящего от флуктуаций мощности лазерного излучения. На рис. 7, б для примера построена кривая зависимости (10) при = 160, имеющая неопределнность в точке = 10°.

Данная ситуация возникает при нормальном падении излучения на первую рабочую грань чувствительного элемента. Избежать неопределнности можно, приняв Так как приведнные расчты основаны на экспериментальных данных, то можно сделать вывод о том, что предложенный вариант конструкции чувствительного элемента устраняет зависимость показаний датчика углового положения на ФВЭ в НГП от флуктуаций мощности лазерного излучения. В зависимости от величины, диапазон измеряемых датчиком углов можно существенно расширить по сравнению с вариантом датчика, описанным в [3]. Так при = 160° диапазон измерений находится в пределах -75° < < 75°.

Разработанный датчик углового положения можно использовать как быстродействующее средство контроля при проведении различных технологических испытаний.

Рис. 8. Функциональная схема комплекса для автоматизированной калибровки датчика углового положения (слева) и общий вид гониометрического устройства (справа): 1 – монтажный уголок;

2 – шаговые электродвигатели; 3 – зубчатые поворотные валы; 4 – фиксатор; 5 – калибруемый Для практических применений следует учитывать различие функций F(1) и F(2) и разброс характеристик изготавливаемых НГП. Поэтому каждый датчик углового положения на ФВЭ в НГП необходимо предварительно калибровать, то есть экспериментально определять зависимость r() для конкретного чувствительного элемента. С этой целью разработан комплекс для автоматизированной калибровки датчика углового положения, содержащий гониометрическое устройство для плавного программного изменения угла (рис. 8).

Глава 4 диссертационной работы содержит описание конструкции анализатора поляризации лазерного излучения на ФВЭ в НГП. Приводятся результаты испытаний его действующего макета. Рассматриваются возможные применения анализатора.

На рис. 9 показан общий вид анализатора поляризации на ФВЭ в НГП.

Представленный анализатор является оригинальным и не имеет аналогов. Его особенностью является то, что при направлении лазерного излучения вдоль оси OO' несущего стержня, плоскость падения излучения на НГП всегда совпадает с осевым сечением 1 втулки. Это дат возможность изменять угол поляризации излучения вращением втулки вокруг стержня. При этом справедливо соотношение:

Напряжение Uy, измеряемое на электродах, параллельных осевому сечению втулки, а следовательно, и плоскости падения, подчиняется следующему соотношению:

Рис. 9. Общий вид анализатора поляризации: 1 НГП; 2 цилиндрическая втулка;

3 измерительные электроды; 4 несущий стержень; 5 – измерительная шкала; 6 – отсчтная метка; 7 – устройство обработки электрических сигналов; 0 осевое сечение несущего стержня, совпадающее с вертикальной плоскостью; 1 осевое сечение цилиндрической втулки;

2 плоскость наклона НГП (1 2, измерительные электроды 3 расположены параллельно плоскости 1); k, E соответственно волновой и электрический векторы падающего излучения (k E, k, лежит в плоскости 1); n нормаль к поверхности плнки; – угол поляризации;

– угол поворота цилиндрической втулки; – угол наклона НГП где Uy напряжение, зависящее от угла падения по нечтному закону, принимающее нулевое значение при = 0, а максимальные по модулю значения при углах падения (5060).

На рис. 10 представлена нормированная поляризационная зависимость ФВС в НГП при продольной геометрии эксперимента. Из рисунка следует, что при углах (s-поляризованное излучение) ФВС исчезает. Важно отметить, что в окрестности точек = 0; 180° увеличение угла Ф сопровождается изменением полярности сигнала с «» на «», а в окрестности точек = 90°; 270° увеличение приводит к смене полярности с «» на «». Таким образом, исходя из соотношения (11), для того, чтобы определить поляризацию лазерного излучения, необходимо вращением цилиндрической втулки с НГП определить угол = 1, при котором ФВС обращается в нуль. Если в окрестности точки = 1 увеличение угла сопровождается изменением полярности сигнала с «» на «», то этот угол показывает положение плоскости поляризации p лазерного излучения. Если же в окрестности точки = 1 увеличение угла сопровождается изменением полярности сигнала с «» на «», то этот угол соответствует положению плоскости s, перпендикулярной плоскости поляризации, тогда плоскость поляризации определяется углами 2 = 1 90°.

Рис. 10. Нормированная поляризационная зависимость ФВС в НГП при продольной геометрии эксперимента: точки – эксперимент; кривая – аппроксимирующая функция В случае эллиптически поляризованного излучения лазера при продольной геометрии эксперимента (в соответствии с (2)) формула (12) приобретает следующий вид:

Из этого следует, что данную методику определения плоскости поляризации линейно-поляризованного излучения также можно использовать для определения направления большой оси эллипса поляризации эллиптически поляризованного лазерного излучения. Но поскольку ФВЭ в НГП не зависит от направления вращения вектора E, то различить правую и левую поляризации излучения при помощи разработанного анализатора без применения фазовой пластинки не представляется возможным.

За угол поляризации выше принимался угол между плоскостью падения и плоскостью поляризации излучения. Поскольку плоскость падения при вращении анализатора меняет сво положение, то для однозначного толкования состояния поляризации введм определение угла поляризации в лабораторной системе координат. Он равен углу между вертикальной плоскостью и плоскостью поляризации и отсчитывается по часовой стрелке по ходу луча. Если проградуировать измерительную шкалу 5 (рис. 9) против часовой стрелки, то можно определять угол по углу ' поворота цилиндрической втулки 2 в новой шкале.

Для проверки работоспособности анализатора поляризации был создан его действующий макет, результаты испытаний которого представлены на рис. 11.

Значения угла ', при которых ФВС меняет знак с «+» на «–» и с «–» на «+», показывают положение плоскостей p и s падающего излучения соответственно.

Рис. 11. Зависимости нормированной амплитуды ФВС от угла поворота анализатора поляризации при различных углах поляризации падающего излучения: точки – эксперимент; кривые – диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые экспериментально показано, что при эллиптически поляризованном излучении лазера фотовольтаический сигнал в нанографитовых плнках существенно зависит от степени эллиптичности, азимута поляризации, а также от ориентации измерительных электродов относительно плоскости падения.

Установлено, что при ориентации измерительных электродов параллельно плоскости падения циркулярно-поляризованного излучения фотовольтаический сигнал исчезает.

2. Установлены зависимости амплитуды фотовольтаического сигнала в нанографитовых плнках от угла падения линейно-поляризованного лазерного излучения с углом поляризации 45° относительно плоскости падения.

Определено, что они имеют вид нечтных функций и существенно отличаются друг от друга при расположении измерительных электродов параллельно и перпендикулярно плоскости падения.

3. Установлено, что модификация нанографитовой плнки покрытием прозрачной смачивающей диэлектрической жидкостью приводит к расширению углового диапазона, в котором наблюдается монотонное изменение фотовольтаического сигнала от угла падения лазерного излучения на плнку.

4. Показано, что равномерное однонаправленное механическое «сглаживание»

поверхности нанографитовой плнки приводит к асимметрии зависимости фотовольтаического сигнала от угла падения лазерного излучения на плнку.

5. Разработан датчик углового положения на фотовольтаическом эффекте в нанографитовых плнках нечувствительный к флуктуациям мощности лазерного излучения и имеющий диапазон измеряемых углов ±75°. Разработан автоматизированный комплекс для калибровки датчика.

6. Впервые разработан анализатор поляризации лазерного излучения на фотовольтаическом эффекте в нанографитовых плнках, не содержащий оптических элементов, не имеющий принципиальных физических ограничений по апертуре анализируемого излучения и способный работать в спектральном диапазоне от 266 до 4000 нм. Создан и апробирован действующий макет анализатора, имеющий апертуру 1620 мм и позволяющий определять поляризацию лазерного излучения с погрешностью ±0,25.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Павловский И. Ю., Образцов А. Н. Автоматизированная установка для газофазного осаждения алмазных плнок в разряде постоянного тока // ПТЭ. 1998. №1. С. 152–156.

2. Mikheev G. M., Zonov R. G., Obraztsov A. N., Svirko Yu. P. Giant optical rectification effect in nanocarbon films // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 84. P. 4854-4856.

Зонов Р. Г., Михеев Г. М., Образцов А. Н. Нанографитовый плночный фотопримник // Нанотехника. 2007. № 3(11). С. 19-24.

Образцов А. Н., Волков А. П., Павловский И. Ю. Механизм холодной эмиссии электронов из углеродных материалов // Письма в ЖЭТФ. 1998. Т. 68. Вып. 1. С. 56-60.

Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Свирко Ю.П. Оптическое выпрямление в углеродных наноплнках // ЖЭТФ. 2004. Т. 126, № 5. С. 1083-1088.

6. Gurevich V.L., Laiho R. Photomagnetism of metals. First observation of dependence on polarization of light // Phys. Solid State. 2000. V. 42. Iss. 10. P. 1807-1812.

7. Obraztsov P. A., Mikheev G. M., Garnov S. V., Obraztsov A. N. and Svirko Yu. P. Polarizationsensitive photoresponse of nanographite // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. Iss. 9. P. 091903.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Михеев Г. М., Зонов Р. Г., Образцов А. Н., Стяпшин В. М. Анизотропия оптоэлектрических свойств пористых нанографитных плнок // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34, № 11. С. 29-38.

Стяпшин В. М., Михеев Г. М. Нанографитный лазерный датчик угла // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11, № 4. С. 539-544.

Михеев Г. М., Зонов Р. Г., Образцов А. Н., Стяпшин В. М. Влияние прозрачного покрытия на оптоэлектрический сигнал в нанографитных плнках // Известия Вузов. Приборостроение.

2009. Т. 52, № 3. С. 51-56.

Михеев Г. М., Стяпшин В. М., Образцов П. А., Хестанова Е. А., Гарнов С. В. Зависимость оптоэлектрического выпрямления в нанографитных плнках от поляризации лазерного излучения // Квантовая электроника. 2010. Т. 40, № 5. С. 425-430.

5. Стяпшин В. М., Зонов Р. Г., Михеев Г. М. Автоматизированный комплекс для исследования ориентационных зависимостей оптоэлектрического отклика в проводящих плнках // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т. 12, № 4. С. 587-591.

6. Михеев Г. М., Стяпшин В. М. Нанографитовый анализатор поляризации лазерного излучения // Приборы и техника эксперимента. 2012. № 1. С. 93-97.

7. Зонов Р. Г., Стяпшин В. М., Михеев Г. М. Гониометрическое устройство для исследования угловых зависимостей оптоэлектрического отклика в проводящих плнках // Известия Вузов.

Приборостроение. 2012. Т. 55, № 1. С. 79-82.

1. Михеев Г. М., Зонов Р. Г., Образцов А. Н., Стяпшин В. М. Фотопримник // Патент РФ №2351904. 2009. Бюл. №10.

2. Михеев Г. М., Зонов Р. Г., Могилева Т. Н., Стяпшин В. М. Оптоэлектронный датчик углового положения // Патент РФ №2357207. 2009. Бюл. №15.

1. Михеев Г. М., Зонов Р. Г., Образцов А. Н., Стяпшин В. М. Высокотемпературный нанографитный фотопримник // Тезисы докл. конф. «Нанотехнологии – производству - 2007», Фрязино. М.: Янус-К, 2007. С. 95-96.

2. Михеев Г. М., Зонов Р. Г., Образцов А. Н., Стяпшин В. М. Влияние ориентации кристаллитов нанографитной плнки на оптоэлектрический сигнал // Тезисы докл. конф. «Нанотехнологии – производству - 2007», Фрязино. М.: Янус-К, 2007. С. 101-102.

3. Стяпшин В. М., Зонов Р. Г., Михеев Г. М. Устройство для исследования ориентационных зависимостей оптоэлектрического сигнала в нанографитовых плнках // Тезисы докл.

Всероссийской конф. с междунар. интернет-участием «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии». Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2007. С. 94.

4. Зонов Р. Г., Михеев Г. М., Образцов А. Н., Стяпшин В. М. Испытание быстродействующего наноуглеродного фотопримника на воздухе при высоких температурах // Тезисы докл. конф.

«Нанотехнологии – производству 2008», Фрязино. М.: Янус-К, 2008. С. 62-63.

5. Стяпшин В. М., Михеев Г. М., Зонов Р. Г., Образцов А. Н. Ориентационная зависимость оптоэлектрического сигнала в нанографитовых плнках с прозрачным покрытием // Сборник тезисов докл. VII Конференции молодых учных «КоМУ-2008». Ижевск: Изд-во ФТИ УрО РАН, 2008. С. 72-73.

6. Зонов Р. Г., Михеев Г. М., Образцов А. Н., Стяпшин В. М. Термическая стойкость нанографитных плнок при нагреве на воздухе // Тезисы докл. Второй всероссийской конф. с междунар. интернет-участием «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии». Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2009. С. 41.

7. Стяпшин В. М., Зонов Р. Г., Михеев Г. М. Призменный датчик углового положения на основе нанографитной плнки // Тезисы докл. Второй всероссийской конф. с междунар. интернетучастием «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии». Ижевск:

Изд-во ИжГТУ, 2009. С. 43.

8. Стяпшин В. М., Михеев Г. М., Образцов П. А., Хестанова Е. А., Гарнов С. В. Поляризационная зависимость оптоэлектрического сигнала в нанографитных плнках // Сборник тезисов докл.

VIII Всероссийской школы-конференции молодых ученых «КоМУ-2010». Ижевск: Изд-во ФТИ УрО РАН, 2010. С. 97-98.

9. Зонов Р. Г., Михеев Г. М., Стяпшин В. М., Образцов А. Н. Влияние температуры на оптоэлектрический отклик нанографитного фотопримника // Тезисы докл. конф.

«Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики сплошной среды (теория и эксперимент)», Улан-Удэ. Ижевск: Изд-во ИПМ УрО РАН, 2010.

С. 92-95.

10. Mikheev G. M., Styapshin V. M., Obraztsov P. A., Khestanova E. A. Photovoltaic conversion factor dependence on laser polarization for nanocarbon films // Proceedings of Second International Workshop «Nanocarbon Photonics and Optoelectronics», Koli, Finland. Joensuu: Pub. University of Eastern Finland, 2010. P. 23.

11. Стяпшин В. М., Михеев Г. М. Влияние длины волны на поляризационные зависимости оптоэлектрического эффекта в нанографитных плнках // Тезисы докл. Третьей международной конф. «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии». Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. С. 132-133.

12. Зонов Р. Г., Стяпшин В. М., Попов А. Ю., Михеев Г. М. Автоматизированное гониометрическое устройство для исследования поверхностной фотоэлектрической эдс в наноструктурированных плнках // Сборник тезисов докл. IX Всероссийской школыконференции молодых учных «КоМУ-2011». Ижевск: Изд-во ФТИ УрО РАН, 2011. С. 32-33.

13. Стяпшин В. М., Михеев Г. М. Применение нанографитовой плнки для создания неоптического анализатора поляризации лазерного излучения // Сборник тезисов докл. IX Всероссийской школы-конференции молодых учных «КоМУ-2011». Ижевск: Изд-во ФТИ УрО РАН, 2011. С. 103-104.

14. Стяпшин В. М., Михеев Г. М. Анализатор поляризации лазерного излучения на фотовольтаическом эффекте в нанографитовых плнках // Сборник статей Двенадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Высокие технологии, фундаментальные исследования, экономика. Т. 2. Санкт-Петербург: Изд-во Политех. ун-та, 2011. С. 223-225.

Типография ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет»