eng
Выпуск #4/2012
Б.Турухано, Н.Турухано, В.Добырн, Е.Кормин, В.Кормин
"Нанометр НДГ-70" – голографический высокоразрешающий длинномер
"Нанометр НДГ-70" – голографический высокоразрешающий длинномер
Просмотры: 4890
Создан наноизмерительный прибор линейных перемещений на базе голографии. Указаны параметры измерительной голографической дифракционной решетки и ее погрешность. Приведена фотография реального голографического длинномера НДГ-70 и рассказано о возможностях его применения при создании наноматериалов и нанотехнологий.
Теги: holographic holographic difraction grating interferencea field nanometr nнm-70 of the aperture interferencefields synthesis голографическая дифракционная решетка голографический длинномер "нанометр ндг-70" интерференционное поле синтез апертуры интерференционного поля
Исследования материи в области наноразмеров за последние десятилетия приобрели остро направленный характер. Очевидно, что эти процессы коснутся всех областей деятельности человека, начиная с интеллектуальной и кончая промышленностью и экологией. Важным результатом таких процессов является, в частности, российский "Нанометр HДГ-70" с рекордным разрешением в 1 нм.
Синтез апертуры линейного ИП в оптическом диапазоне впервые реализован еще в 1977 году [1, 2]. Это позволило изготовить ЛГДР с рекордной равномерностью нанесения штрихов и частотой ν = 1000 штрихов/мм на длину более 1 м. Следует отметить, что при синтезе ЛГДР необходимо:
для выбора коллимирующей оптики интерферометра и его оптимальной настройки контролировать с точностью до ~λ/100 равномерность фазового распределения интерференционного поля (ФРИП), в котором синтезируется ЛГДР;
разработать метод изготовления ЛГДР по отдельному фрагменту ИП таким образом, чтобы результат соответствовал неограниченной длине такого фрагмента, скопированных в виде ЛГДР [1, 2];
создать "двухчастотную фазовую модуляцию ИП" [3] с помощью пьезокерамической ячейки на частотах ω и 2ω, что используется как при исследовании ФРИП, так и при синтезе ЛГДР неограниченной длины.
Результатом применения этих методов стала синтезированная ЛГДР длиной 1200 мм и частотой ν = 1000 мм-1. Для определения величины ошибок в таких ЛГДР несколько метровых решеток были исследованы во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева. Ошибка определена в виде:
ΔS = ±(0,02 + 0,4L) мкм,
где L – длина решетки в метрах. Следует отметить, что первый член выражения (±0,02) определяет случайную ошибку. Второй член этого выражения (±0,4L) создается систематическими ошибками и может быть уменьшен при совершенствовании процесса изготовления ЛГДР или учтен при измерениях.
На основе этих голографических решеток создан ряд наноизмерительных приборов линейных перемещений с разрешением 0,01 мкм. Приборы используются в России и за рубежом: в Белоруссии, Украине, США, Великобритании, Японии, Китае и в других странах.
Следует отметить, что синтез ЛГДР, копирование, аттестация и создание приборов на их основе защищены десятками патентов в ведущих промышленных странах. Однако авторам представляется, что потенциал их использования далеко не исчерпан, а они находятся лишь в начале пути.
Представленный прибор – голографический нанодлинномер "Нанометр HДГ-70" предназначен для измерения объектов длиной до 70 мм и относится к высокоточным измерительным системам линейных перемещений.
Основным измерительным элементом прибора, обеспечивающим его высокие характеристики, является высокоточная и равномерная ЛГДР с периодом в 1 мкм, синтезированная на автоматическом адаптивном голографическом интерферометре с двухчастотной динамической фазовой модуляцией [1–3]. Для этого (рис.1) использовался участок ИП длиной 70 мм. Фазовая карта ИП в его выходной плоскости показывает, что отклонение от идеального линейного распределения полос на центральном участке этой длины не превышает 0,02λ [4].
Исследовано фазовое распределение штрихов в центральном сечении синтезированной ЛГДР, используемой в качестве измерительного элемента в "Нанометре НДГ-70" (рис.2). Измерение и обработка экспериментальных данных производились согласно методу исследования фазового распределения штрихов голографической решетки для однокоординатного случая [4]. Расчет такого распределения осуществляется по формуле:
,
где ΔΨk – измеряемые экспериментально разности фаз между двумя фотоприемниками, установленными в выходной апертуре интерферометра. Полная ошибка выбранного и приведенного на рис.2 участка измерительной дифракционной решетки длиной 90 мм равна ±20 нм.
Голографические измерительные системы, по сути, являются фотоэлектрическими преобразователями перемещений. Принцип их работы основан на модуляции света полупроводникового лазера в двухлучевом интерферометре, образованном двумя установленными с зазором дифракционными решетками.
Модуляция происходит при изменении разности фаз интерферирующих световых пучков при перемещении измерительной решетки относительно малой вспомогательной [5]. Шаг измерительной и вспомогательной решеток равен 1 мкм (1000 нм), поэтому для получения разрешения в 1 нм используются разработанные авторами электронная интерполяция и программное обеспечение для осуществляющих интерполяции микропроцессоров. Созданная электроника допускает работу "Нанометра HДГ-70" на скорости до 500 мм/c.
Однако для сохранения точности измерений на уровне нанометра необходимо, чтобы перемещение измерительной решетки осуществлялось вдоль некоторой оси, строго перпендикулярной к ее штрихам. Это представляет определенные требования к точности изготовления направляющих, по которым перемещается измерительная решетка. Направляющая выполнена из двух склеенных под прямым углом стеклянных пластин, одна из которых является измерительной решеткой – ЛДГР [6]. Для изготовления пластин используется стекло, полученное методом "флюат-процесса" на расплавленном олове. В результате базовые поверхности направляющей становятся высококачественными. По этой причине муаровые полосы, которые образуются за решетками измерительной и второй индикаторной, сохраняют свой период и наклон, а точность измерений зависит только от качества измерительной решетки. В этом случае имеется возможность полностью реализовать точностные характеристики ЛДГР.
"Нанометр HДГ-70" характеризуется высокой надежностью и многофункциональностью [6, 7].
Он предназначен для прецизионных измерений перемещений в реальном масштабе времени, обработки и сохранения полученных результатов как при работе в автономном режиме и с автоматизированными системами, так и в составе измерительно-вычислительного комплекса.
Информация о величине перемещения отображается в виде таблиц и графиков. Прибор (рис.3) может применяться для калибровки промышленных измерительных стандартов, высокоточного оборудования в метрологии, легко вписывается в высокоточные системы с приводом с числовым программным управлением. "Нанометр HДГ-70" перспективен также при создании наноматериалов и в нанотехнологиях.
Авторы выражают искреннюю благодарность О.Ермоленко, Е.Вилкову, Н.Щипуновой, С.Ханову, Ю.Лаврову и Р.Синельщиковой за участие в работе и конструктивное обсуждение полученных результатов.
Литература
1. Патент РФ №673018. Устройство для фазированного соединения голографических дифракционных решеток. По заявке №2497824 от 06 июня 1977 г.
2. Патент РФ №1656483. Голографическая дифракционная решетка, 1985 г.
3. Патент РФ №1452361. Способ стабилизации голографических установок,1987 г.
4. Patent Germany 267892. Apparatus for assessing the linearity of a diffraction grating under certification, 1985 г.
5. Патент РФ 2032142. Микрометрическая головка "ТУБОР", 1995 г.
6. Турухано Б.Г., Турухано Н. Датчик линейных перемещений. Патент РФ №21977113, 27 января 2003 г.
7. Турухано Б.Г., Турухано Н., Вилков Е.А. Синтез апертуры интерференционного поля. – Компьютерная оптика, 2011, т.35, №2, с.145–150.
Синтез апертуры линейного ИП в оптическом диапазоне впервые реализован еще в 1977 году [1, 2]. Это позволило изготовить ЛГДР с рекордной равномерностью нанесения штрихов и частотой ν = 1000 штрихов/мм на длину более 1 м. Следует отметить, что при синтезе ЛГДР необходимо:
для выбора коллимирующей оптики интерферометра и его оптимальной настройки контролировать с точностью до ~λ/100 равномерность фазового распределения интерференционного поля (ФРИП), в котором синтезируется ЛГДР;
разработать метод изготовления ЛГДР по отдельному фрагменту ИП таким образом, чтобы результат соответствовал неограниченной длине такого фрагмента, скопированных в виде ЛГДР [1, 2];
создать "двухчастотную фазовую модуляцию ИП" [3] с помощью пьезокерамической ячейки на частотах ω и 2ω, что используется как при исследовании ФРИП, так и при синтезе ЛГДР неограниченной длины.
Результатом применения этих методов стала синтезированная ЛГДР длиной 1200 мм и частотой ν = 1000 мм-1. Для определения величины ошибок в таких ЛГДР несколько метровых решеток были исследованы во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева. Ошибка определена в виде:
ΔS = ±(0,02 + 0,4L) мкм,
где L – длина решетки в метрах. Следует отметить, что первый член выражения (±0,02) определяет случайную ошибку. Второй член этого выражения (±0,4L) создается систематическими ошибками и может быть уменьшен при совершенствовании процесса изготовления ЛГДР или учтен при измерениях.
На основе этих голографических решеток создан ряд наноизмерительных приборов линейных перемещений с разрешением 0,01 мкм. Приборы используются в России и за рубежом: в Белоруссии, Украине, США, Великобритании, Японии, Китае и в других странах.
Следует отметить, что синтез ЛГДР, копирование, аттестация и создание приборов на их основе защищены десятками патентов в ведущих промышленных странах. Однако авторам представляется, что потенциал их использования далеко не исчерпан, а они находятся лишь в начале пути.
Представленный прибор – голографический нанодлинномер "Нанометр HДГ-70" предназначен для измерения объектов длиной до 70 мм и относится к высокоточным измерительным системам линейных перемещений.
Основным измерительным элементом прибора, обеспечивающим его высокие характеристики, является высокоточная и равномерная ЛГДР с периодом в 1 мкм, синтезированная на автоматическом адаптивном голографическом интерферометре с двухчастотной динамической фазовой модуляцией [1–3]. Для этого (рис.1) использовался участок ИП длиной 70 мм. Фазовая карта ИП в его выходной плоскости показывает, что отклонение от идеального линейного распределения полос на центральном участке этой длины не превышает 0,02λ [4].
Исследовано фазовое распределение штрихов в центральном сечении синтезированной ЛГДР, используемой в качестве измерительного элемента в "Нанометре НДГ-70" (рис.2). Измерение и обработка экспериментальных данных производились согласно методу исследования фазового распределения штрихов голографической решетки для однокоординатного случая [4]. Расчет такого распределения осуществляется по формуле:
,
где ΔΨk – измеряемые экспериментально разности фаз между двумя фотоприемниками, установленными в выходной апертуре интерферометра. Полная ошибка выбранного и приведенного на рис.2 участка измерительной дифракционной решетки длиной 90 мм равна ±20 нм.
Голографические измерительные системы, по сути, являются фотоэлектрическими преобразователями перемещений. Принцип их работы основан на модуляции света полупроводникового лазера в двухлучевом интерферометре, образованном двумя установленными с зазором дифракционными решетками.
Модуляция происходит при изменении разности фаз интерферирующих световых пучков при перемещении измерительной решетки относительно малой вспомогательной [5]. Шаг измерительной и вспомогательной решеток равен 1 мкм (1000 нм), поэтому для получения разрешения в 1 нм используются разработанные авторами электронная интерполяция и программное обеспечение для осуществляющих интерполяции микропроцессоров. Созданная электроника допускает работу "Нанометра HДГ-70" на скорости до 500 мм/c.
Однако для сохранения точности измерений на уровне нанометра необходимо, чтобы перемещение измерительной решетки осуществлялось вдоль некоторой оси, строго перпендикулярной к ее штрихам. Это представляет определенные требования к точности изготовления направляющих, по которым перемещается измерительная решетка. Направляющая выполнена из двух склеенных под прямым углом стеклянных пластин, одна из которых является измерительной решеткой – ЛДГР [6]. Для изготовления пластин используется стекло, полученное методом "флюат-процесса" на расплавленном олове. В результате базовые поверхности направляющей становятся высококачественными. По этой причине муаровые полосы, которые образуются за решетками измерительной и второй индикаторной, сохраняют свой период и наклон, а точность измерений зависит только от качества измерительной решетки. В этом случае имеется возможность полностью реализовать точностные характеристики ЛДГР.
"Нанометр HДГ-70" характеризуется высокой надежностью и многофункциональностью [6, 7].
Он предназначен для прецизионных измерений перемещений в реальном масштабе времени, обработки и сохранения полученных результатов как при работе в автономном режиме и с автоматизированными системами, так и в составе измерительно-вычислительного комплекса.
Информация о величине перемещения отображается в виде таблиц и графиков. Прибор (рис.3) может применяться для калибровки промышленных измерительных стандартов, высокоточного оборудования в метрологии, легко вписывается в высокоточные системы с приводом с числовым программным управлением. "Нанометр HДГ-70" перспективен также при создании наноматериалов и в нанотехнологиях.
Авторы выражают искреннюю благодарность О.Ермоленко, Е.Вилкову, Н.Щипуновой, С.Ханову, Ю.Лаврову и Р.Синельщиковой за участие в работе и конструктивное обсуждение полученных результатов.
Литература
1. Патент РФ №673018. Устройство для фазированного соединения голографических дифракционных решеток. По заявке №2497824 от 06 июня 1977 г.
2. Патент РФ №1656483. Голографическая дифракционная решетка, 1985 г.
3. Патент РФ №1452361. Способ стабилизации голографических установок,1987 г.
4. Patent Germany 267892. Apparatus for assessing the linearity of a diffraction grating under certification, 1985 г.
5. Патент РФ 2032142. Микрометрическая головка "ТУБОР", 1995 г.
6. Турухано Б.Г., Турухано Н. Датчик линейных перемещений. Патент РФ №21977113, 27 января 2003 г.
7. Турухано Б.Г., Турухано Н., Вилков Е.А. Синтез апертуры интерференционного поля. – Компьютерная оптика, 2011, т.35, №2, с.145–150.
Отзывы читателей
