маг. физ. Ферит Арткън

„КОМПЮТЪРИЗИРАНА Z-СКАНИРАЩА

СИСТЕМА ИНТЕГРИРАНА В СЕРВОМОТОР

И PLC ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ НА СПЕКТЪРА НА

ЕЛЕКТРОМАГНИТНАТА ПРОНИЦАЕМОСТ

НА НЕЛИНЕЙНИ МАТЕРИАЛИ”

АФТОРЕФЕРАТ

придобиване на образователна и научна степен

„доктор”

Професионално направление:

5.1. Машинно инженерство

Научна специалност:

„Оптични и лазерни уреди и методи”

Научен ръководител:

доц. д-р Иванка Иванова Калиманова

Рецензенти:

проф. д.ф.н. Любомир Йорданов Павлов

доц. д-р инж. Тодор Стоянов Джамийков

София

2014

Т Е Х Н И Ч Е С К И У Н И В Е Р С И Т Е Т – С О Ф И Я Машиностроителен факултет

Катедра «Прецизна техника и уредостроене»

Дисертантът е зачислен в редовна докторантура към катедра

“Прецизна техника и уредостроене” на Машиностроителния факултет на

ТУ-София.

Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита от катедра

“Прецизна техника и уредостроене” на ТУ-София.

Защитата ще се състои на открито заседание пред научно жури,

назначено от ректора на ТУ-София на 14.11.2014 г., от 15 часа, в зала 2140.

Материалите по защитата са на разположение на заинтересованите в

канцеларията на МФ – каб. 3242.

Авторефератът е публикуван на Сайта “Развитие на академичния

състав на ТУ-София”.

Автор: маг. физ. Ферит Арткън

Тема: “Компютъризирана Z-сканираща система интегрирана в

сервомотор и PLC за изследване на спектъра на електромагнитната

проницаемост на нелинейни материали”

Тираж 30 броя

Издателство на ТУ-София

- 3 -

ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Актуалност на проблема

Нелинейната оптика е свързана с изучаването на процесите на модификация на

оптичните свойства на материалите под въздействието на външни електромагнитни полета.

Редица основни елементи и устройства в телекомуникациите, в системите за оптичен запис,

съхраняване и обработване на информация са изградени на базата на нелинейни оптични

ефекти. Оптични нелинейни ефекти успешно се използват като мултифункционални сонди за

изследване на повърхностна абсорбция, на електронна структура на полупроводници, на

фазови преходи течни кристали и др.

Развитието и усъвършенстването на методите и устройствата на базата на нелинейната

оптика изисква добро познаване на нелинейните свойства на материалите и, в частност на

органичните материали, нелинейните процеси в които са по-силно изразени.

Това от своя страна изисква развитие и усъвършенстване на методите и апаратурата за

изследване на тези свойства. Съществени предимства притежава методът за изследване,

известен като „Z –сканиране”, позволяващ едновременно изследване на два нелинейни

ефекта – нелинейната рефракция и нелинейната абсорбция.

Цел и задачи

Цел: Създаване автоматизирана PC-управлявана система за изследване на нелинейната

рефракция и нелинейната абсорбция на материали.

Основни задачи:

1. С прилагане на теорията на нелинейната оптика да се анализира влиянието на

нелинейната абсорбция и рефракция върху разпространението на лазерни снопове в

нелинейни оптични матариани.

2. Да се избере метод и схема и да се разработи експериментална система за изследване

на нелинейните ефекти в оптични материали и по-специално на нелинейната

абсорбция и нелинейната рефракция.

3. Да се провери работоспособността и ефективността на системата чрез изследване на

стандартни материал (еталони).

- 4 -

Новост

Разработена е автоматизирана система със съответното програмно осигуряване за

реализиране на метода на Z-сканиране за изследване на нелинейните свойства на органични

течни материали.

Практическа приложимост

Разработената система може да намери пряко приложение при изследване на нелинейни

ефекти както на съществуващи така и на ново разработвани материали. Системата може да

бъде използвана при изследвания на нелинейни свойства на органични материали в

медицината и биотехнологиите.

Апробация

Разработката е докладвана изцяло на заседание на Катедрен съвет на катедра

„Прецизна техника и уредостроене” и частично в следните издания и научни форуми:

- Polytechnic magazine, Турция

- Workshop “Optics, Electro-optics & Photonics” Турция

- Metrology and measurement system, Полша

- 5 -

Публикации по дисертацията

Във връзка с дисертационния труд са направени 4 публикации (две – приети за печат), от

които 2 в научно-технически списания и 2 в сборници на конференции.

Структура и обем на дисертационния труд

Дисертационният труд е в обем от 179 страници, включващи увод, 5 глави,

заключение и списък на използваната литература и 25 страници, включващи съдържание и

списък на фигурите, таблиците и използваните символи и съкращения.

Библиографският списък обхваща 122 литературни източника, всички на латиница и 1

на кирилица.

- 6 -

СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Увод

Нелинейна оптика е свързана с процеси, оказващи се функция от втора и по-висока

степен на интензитета на електрическите и магнитните полета.

Откриването на нелинейните оптични ефекти и развитието на нелинейната оптика е

свързано със създаването и развитието на лазерната техника.

От особена важност е изследването на материали с изявени нелинейни свойства,

подходящи за нелинейни оптични устройства. Понастоящем подчертан интерес се проявява

към органичните оптично нелинейни материали. Причина за това е очертаващата се

перспектива за използване на нелинейните оптични ефекти в изследвания в медицината и

биотехнологиите.

Направена е кратко въведение в нелинейната оптика и приложението й. Обоснована е

необходимостта от изследване на нелинейните оптични свойства на материалите.

Глава 1. НЕЛИНЕЙНА ОПТИКА:

ТЕОРИЯ НА НЕЛИНЕЙНАТА ОПТИКА

В глава 1 е изложена електромагнитната теория на светлината. На базата на

електромагнитната теория и уравнения на Максуел е разгледано разпространението на

светлината в оптично линейни среди. Направен подробен преглед на развитието на

нелинейната оптика и наблюдаваните нелинейни ефекти. Разгледани са основните оптични

нелинейни ефекти: оптична генерация на втора хармонична; съгласуване на фазите; ефекти

на Кер и Покелс;оптична ректификация; генерация на честотна разлика и оптично

параметрично усилване.

Както е известно, под въздействие на електрическо поле с електрически вектор Е

поляризацията на средата е линейна функция от Е (правата а-а на фиг. 1.2):

EP o)1( , (1.1)

където )1( е линейната диелектрична възприемчивост на средата. Относителната

диелектрична проницаемост на линейната материалната среда е )1(1 .

При наличие на нелинеен ефект поляризуемостта на средата може да бъде представена

чрез полинома:

3)3(2)2()1( EEEP o . (1.52)

- 7 -

За 0)2( зависимостта на "Р" от "Е" е квадратична, представена с крива b-b (Фиг.

1.2), съответстваща на квадратичен нелинеен ефект.

Фиг. 1.2. Поляризация на материалната среда под въздействие на електрическо

поле Е: линейна поляризация (а-а); квадратична (b-b) и кубична нелинейност (с-с)

При въздействие с променливо електрично поле с честота ω tAE cos уравнение

(1.52) за Р приема вида:

членНелинеенчленлинеен

o tAtAP 2cos12

1cos 2)2()1(

(1.53)

На фиг. 1.3 е представена пълната поляризация при квадратичен ефект (Р), линейната (Е)

и квадратичната ѝ съставка(SH).

Наред с другите нелинейни ефекти, като съгласуване на фазите, оптичната ректификация

и т.н., е отделено внимание на ефекта на Покелс, електро-оптичния и оптичния ефекти на

Кер.

Ефектът на Кер, наричан също квадратичен електро-оптичен ефект (QEO ефект) се

изразява в промяна на коефициента на пречупване на материала под въздействието на

приложено електрическо поле. Различават се два специални случаи на ефекта на Кер:

електро-оптичен ефект (или DC) ефект на Кер; оптичен (или AC) ефект на Кер.

При ЕО ефект на Кер изменението се състои в индуциране на оптична анизотропия под

въздействието на бавно променящо се външно електрическо поле, докато при оптичния

ефект на Кер изменението на коефициента на пречупване е в резултат на взаимодействието

- 8 -

на електричното поле на разпространяващата се светлинна вълна. Това води до промяна в

индекса на пречупване, явяваща се функция на локалния интензитет на ЕН поле.

Коефициентът на пречупване на линейната среда е:

)(n 11 . (1.61)

За нелинейна среда, както следва от ф-ла (1.53), линейната възприемчивост е

модифицирана с

tA 2cos1

2

1 2)2( и коефициентът на пречупване съответно

се променя:

oAn )2()1( 21 . (1.62)

Ефектът на Кер е присъщ на всички материали, но при различните материали той се

проявява в различна степен, някои течности той е по-силно изявен.

ЕМ поле е векторно поле. Поради вероятната анизотропия на средата нелинейните

коефициенти на средата в уравнението за Р

(1.71)

, и са тензори съответно от втори, трети и четвърти ранг, т.е.:

(1.72)

Фиг. 1.3. Отклик (поляризиране Р) на материалната среда с

квадратична нелинейност (SH) на синусоидално

въздействие (E). Разликата между

двете криви съдържа втората хармонична (SH).

P

E

SH

- 9 -

Специално внимание е отделено на нелинейната абсорбция и нелинейната рефрация и

ефекта на самофокусировка. Обсъдено е изменението на фазовия фронт в резултат на

нелинейната рефракция, на което се базира един от методите за изследване на нелинейните

оптични свойства на материалите.

Изводи към Глава 1

Направеният преглед на развитието на нелинейната оптика дава основание за

следните изводи.

Оптичните устройства, основаващи се на нелинейни оптични ефекти, намират все

по-широко приложение в практиката.

Нелинейната рефракция и нелинейната абсорбция на оптичните материали са от

съществено значение за работата на оптичните елементи в системите, използващи мощни

лазерни източници.

Развитието на нанотехнологиите и създаването на нови нано-материали със

специфични свойства изисква изследване на нелинейността на оптичните характеристики на

новосъздадените материали и структури

Това, както и развитието на лазерните технологии, налага повишаване на точността

и автоматизация на процесите за изследване на оптичната нелинейност на материалите.

Въз основа на анализа на основните нелинейни оптични ефекти и тяхното приложение са

формулирани целта и задачите на дисертационния труд.

Глава 2. ТЕОРИЯ НА МЕТОДИТЕ НА Z-СКАНИРАНЕ ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ

НА ОПТИЧНАТА НЕЛИНЕЙНОСТ

НА МАТЕРИАЛИ

Няколко метода се използват в практиката и научните изследвания за различните

нелинейни оптични ефекти и определяне на нелинейните свойства на материалите като:

- DFWM метод (генериране на четвърта вълна чрез смесване от 3 вълни) - използва се

за изследване на реакция на средата от трети порядък;

- THG метод (генерация на трета хармонична) - за изследване на кубичната

нелинейност;

- ЕАТ метод (електро-абсорбция) –за изследване на нелинейната дисперсия;

- Time-Resolved OKE & Transient Absorption Techniques (Оптичен Кер ефект с

времева разделителна способност § преходни абсорбционни процеси) – за изследване на

фотофизични процеси в резултат на нелинейността;

- 10 -

- .I-Scanning (Сканиране по интензитет) – изследване на нелинейната абсорбция;

- Z-Scanning (Сканиране по Z) –за изследване на нелинейната рефракция и

нелинейната абсорбция.

В т. 2.1.3 са изложени са основите на двата метода на сканиране I-сканиране и

Z-сканиране.

При преминаване на светлинен сноп през нелинейни среда се индуцира изменение на

пълния коефициент на пречупване ( n ) пропорционална на интензитета на светлината ( I ) и

нелинейния коефициент на пречупване на материала( 2n ). В най-простия случай, когато е

налице само кубична (от третия ред) нелинейност:

Innn o 2 (2.16)

Ако разпространяващият се сноп е с гаусов профил, той индуцира изменение n също с

определен профил с ефект на оптична леща и в резултат се наблюдава ефектът

самофокусиране или дефокусиране в зависимост от знака на нелинейния коефициент на

пречупване на материала 2n .

Ефектът на пречупваща леща се наблюдава при изместване на изследваната проба

материал надлъжно по оста на сфокусиран светлинен сноп с помощта на детектор, намиращ

се на достатъчно разстояние зад изследваната проба. Пред приемника е поставена диафрагма

за изследване със затворена бленда (closed Z-scan). Принципната схема на метода на Z-

сканиране e показана на Фиг. 2.5.

Така се измерва променливото фокусиране/разфокусиране на преминаващия сноп в

резултат на променливата плътност на интензитета на светлината по направление на

разпространението. Изменението на коефициента на пропускане на системата във функция

на разстоянието от шийката на фокусирания лазерен сноп достатъчно точно се представя

чрез зависимостта [93]:

Фиг. 2.5. Схема на метода на Z-сканиране

- 11 -

22

)3(

19

3

1

oo

ooo

z

z

z

z

z

zI

zT , (2.17)

където: oI е интензитета по оста в равнината на шийката на гаусовия сноп; oz е дължината

на Rayleigh; z е разстоянието от шийката на снопа до пробата;

o

ooo

LnkI

exp1)3( (2.18)

е индуцираното в резултат на кубичния нелинеен ефект изменение на фазата; oInn 2 е

индуцираното нелинейно изменение на коефициента на пречупване; 2k е вълновото

число.

Нелинейни абсорбция е друг процес, който може да се изследва по този метод. В

случая на дву- фотонна абсорбция пълният коефициент на абсорбция може да се опише

като:

'Io , (2.19)

където o е линейният коефициент на поглъщане, а I е интензитетът на постъпващия в

пробата сноп. При изместване на пробата спрямо шийката на снопа (Z-scan) интензитетът се

променя вследствие на изменението на размера на напречното сечение на снопа. При

напълно отворена апертура (без екраниране на приемника) се измерва пълното пропускане

на пробата при сканирането по Z ( open-aperture Z-scan). Теоретичната зависимост на

пълното пропускане от разстоянието до шийката Z се описва с функцията [93]:

zq

zqzT

o

o

1ln , (2.20)

където:

2

1

exp1

o

o

oo

o

z

z

I

zq , (2.21)

- 12 -

Методът на I-сканиране [94] е разработен като вариант на метода на Z-сканиране. При

този метод измерването се извършва при фиксирано положение на пробата спрямо шийката

на снопа а интензитетът се променя с помощта на оптични атенюатори

(Фиг. 2.6).

Теоретичната функция, описваща пропускането при I-сканиране със затворена бленда е:

zInknkITozzclosed 285.0 2.012.01 . (2.23)

Фиг 2.6. Схема на метода на I-сканиране

2.2. Z-сканиране

В нелинейна оптика методът на Z-сканиране се използва за измерване на коефициента на

нелинейна рефракция 2n при кубична ( Керр) нелинейност и коефициента на нелинейна

абсорбция Δα чрез "затворено" и "отворено" съответно Z-сканиране. Тъй като нелинейната

абсорбция може да компрометира измерването на нелинейната рефракция, двете измервания

обикновено се използват в комбинация за компенсиране на взаимното влияние и

коригиране на изчислената стойност.

При "затворено"Z-сканиране пред фотоприемника, намиращ се в далечната зона, се

разполага диафрагма, предназначението на която е да диафрагмира снопа и да осигури

измерване на интензитета на светлината по оста на преминалия през изследвания материал

сноп, т.е. в централната зона. Нормализираната пропускателна способност на диафрагмата

обикновено е :

0,1<S<0,5 (2.24)

В този случай постъпващият в приемника оптичен сигнал е чувствителен към всяко

фокусиране/дефокусиране на снопа, индуцирано от наличието на нелинейна рефракция на

образеца. Образецът се разполага във фокуса на лещата (равнината на шийката на снопа) и се

измества по оста Z на разстояние надвишаващо границите на близката зона, определяна от zo

– дължината на Rayleigh:

- 13 -

2o

oz

, (2.25)

където o е радиусът на шийката, а λ – дължината на вълната.

Измерва се пропускането на образеца през разположената в далечната зона диафрагма

като функция от положението на изследвания обект спрямо шийката на снопа Т(z).

Необходимите граници на сканиране се определят от параметрите на снопа (дължината на

Rayleigh) и дебелината на образеца L. Независимо от това, че за тънки образци ( L ≤ zо)

информацията за нелинейността се съдържа в зона на сканиране ± zо , зоната на сканиране

съществено се разширява ozz 5 .

Типична зависимост на пропускателната способност получена при Т(z) Z –сканиране е

показана на фиг. 2.10.

Z/Z0

Фиг 2.10. Типична графика на Т(z) при Z-scan за положителна ( 5.0o ) и

отрицателна кубична нелинейна рефракция ( 5.0o ) .

2.3. Изводи към глава 2

Методът, известен като Z-сканиране се характеризира с простота, добра чувствителност

и точност.

Z-сканирането с отворена диафрагма ( 1S ) следва да се използва за определяне на

нелинейната абсорбция, а сканирането със затворена диафрагма - за изследване на

нелинейната рефракция. Екраниращата диафрагма следва да се разполага в далечната зона на

сфокусирания лазерен сноп, а диаметърът ѝ да е съобразен с размера на снопа в равнината на

- 14 -

диафрагмата и да осигурява необходимата пропускателна способност S (препоръчително

5.0S ).

Паралелното прилагане на двата вида Z-сканиране позволява елиминиране на влиянието

на нелинейното поглъщане върху резултатите за нелинейната рефракция.

За изключване на линейното поглъщане на изследвания материал при анализа на

нелинейните ефекти следва да се използва нормираната пропускателна способност, т.е.

отношението на получавания при сканирането измервателен сигнал към сигнала, получен

при разполагане на изследвания материал в далечната зона на снопа .ozz

Глава 3. РАЗРАБОТВАНЕ НА ЕКСПЕРИМЕНТАЛНАТА СИСТЕМА

Системата е предназначена за изследване на нелинейната абсорпция и нелинейната

рефракция на материалите и в частност, на течни материали. Системата е базирана на метода

на Z-сканирането, който,както беше изяснено в Глава 2, дава възможност за изследване и на

двете нелинейни свойства.

3.1. Блок-схема на експерименталната система

Блок-схемата на разработваната система е представена на фиг. 3.1.

Системата се състои от следните основни модула: лазерен блок (лазер с колимираща

система); оптоелектронна система; автоматизирана електро-механична Z-сканираща система;

компютър (РС) със съответния интерфейс за синхронизирано събиране на информация за

Фиг. 3.1. Блок-схема на системата

BS

Фокусираща

леща Диафрагма Изследван

обект

Сериен порт

(RS-232)

Nd-YAG

лазер

PC

S7-1200

(PLC)

Канал А

D1

D2

Канал В

Енкодер

Серво Оптомеханична система

ИМ

- 15 -

позицията на изследвания обект и за измерваната мощност на оптичните сигнали в

системата.

Изследваният образец се разполага в равнината шийката на фокусирания от лещата

лазерен сноп. Мощността на преминалия през образеца и екраниращата диафрагма сноп се

измерва с приемника D2.

Светоделителят разделя колимирания лазерен сноп и насочва една част от него към

референтния приемник (D1), а втората – в измервателния канал.

В системата се използват два фотоприемника – измервателен (D2) и референтен (D1) ,

предназначен за следене на мощността на лазера и нормиране на измервателния сигнал от

приемник (D2) с което се елиминира влиянието на нестабилността на мощността на лазера.

Сигналите от двата приемника се подават на входа на двуканалния измервател на мощност,

сигналът на изхода на който (D2/D1) дава информация за оптичната пропускателна

способност на изследвания образец.

С помощта на електромеханичната автоматично управлявана система изследваният

образец се премества дискретно по направление на Z и се измерва Т(z). Изменението на Т(z)

при сканирането свидетелства за наличие на нелинейна рефракция.

3.2. Избор на оптични и оптоелектронни елементи

3.2.1. Лазерен източник

Изборът на лазер следва да е съобразен със спектъра на собствените честоти на

изследвания материал.

Nd:YAG Q-модулиран лазер с генерация на втора хармонична с дължина на вълната 532

nm обикновено се изполва за изследване на CS2, избран като референтен материал за

апробацията на разработваната система.

3.2.1. Фотоприемници и измервател на мощност.

За измерване на мощността на лазерните снопове в двата канала се използват

пироелектрични фотоприемници РЕ-10 на фирмата Ophir (за λ=0.19 ....12 μm) [131] с

измервателен обхват 2 MJ .... 10 MJ.

Измерването на мощността се осъществява с двуканален измервател на мощност

Laserstar Power/Energy Meter, даващ информация както за измерваната мощност във всеки от

каналите, така и за отношението на двата сигнала, т.е. за D2/D1.

3.2.3. Фокусираща леща

Излъчваният от лазера и постъпващ в лещата колимиран лазерен сноп е диаметър на

шийката o2 и дължина на Rayleigh oz (ф-ла 2.25).

- 16 -

Параметрите на снопа – дължина на Rayleigh ( 'oz ) , радиус на шийката 'o и

положение на шийката спрямо лещата ( 'd )преминаването му през фокусиращата леща (фиг.

3.17) се определят по следните добре известни формули [93]:

22''1

'fzfd

zz

o

oo

; (3.11)

o

o

z' ; (3.12)

22 ''1

'11''

fzfd

fdfd

o

, (3.13)

За избрания лазерен източник диаметърът на колимирания сноп mm62 ow беше

измерен чрез сканиране с ножовидна диафрагма, което съответства на разходимост

mrad.1064.5 2θ

Когато шийката на входящия сноп е в предната фокусна равнина на лещата ( 'fd ,

шийката с радиус 'o на изходящия сноп е в задната фокусна равнина '' fd . Радиусът

на шийката (ωo′) и дължината на Rayleigh (zo′) на фкусирания с лещи с различни фокусни

разстояния са представени в Таблица 3.3 и на фиг. 3.18.

Както беше изяснено преди, дължината на Rayleigh е от съществено значение при

определяне на диапазона и стъпката на сканиране, както и на положението на екраниращата

диафрагма.

Влиянието на разфокусирането ( 'fd ) върху размера и положението на шийката на

фокусирания сноп за две от лещите с фокусно разстояние 100 mm и 150 mm е отразено в

Таблици 3.4a,b и фиг. 3.19a,b, където:

Фиг. 3.17. Фокусиране на снопа

-d d

2ωo′ 2ωo

2a′ D1

- 17 -

*'fdd (3.14)

** 'fd'

(3.15)

*** 'fd'dd'd

(3.16)

Таблица 3.3. Параметри на фокусирания сноп на използвания в системата Nd-YAG

лазер за фокусиращи лещи с различни фокусни разстояния

Фокусно

разстояние

Близка зона /

Дължина на Rayleigh Радиус на шийката

f’, mm zo′, mm ωo′,m

60 0.135473 3.38

70 0.184393 3.957

80 0.24084 4.51

90 0.304814 5.08

100 0.376313 5.64

110 0.455339 6.20

120 0.541891 6.774

130 0.635969 7.33

140 0.737574 7.90

150 0.846704 8.463

160 0.963361 9.03

170 1.087545 9.59

180 1.219254 10.16

190 1.35849 10.72

200 1.505252 11.28

Фиг. 3.18. Размер на шийката на фокусирания сноп в зависимост

от фокусното разстояние на лещата

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

60 70 80 90 100 110

ωo', m

f ′ , mm

- 18 -

Таблица 3.4b. Влияние на дефокусировката на лещата (Δd= d-f′, mm) върху размера и

положението на фокусирания сноп за леща с f ′ = 150 mm

d, mm Δd, mm* ωo′, m Δωo′, m** Δd′, mm***

-190 -40 8.467041 1.411171 0.000319

-185 -35 8.467041 1.411172 0.000279

-180 -30 8.467042 1.411173 0.000239

-175 -25 8.467042 1.411173 0.000199

-170 -20 8.467042 1.411173 0.000159

-165 -15 8.467043 1.411174 0.000119

-160 -10 8.467043 1.411174 7.97E-05

-155 -5 8.467043 1.411174 3.98E-05

-150 0 8.467043 1.411174 0

-145 5 8.467043 1.411174 -4E-05

-140 10 8.467043 1.411174 -8E-05

-135 15 8.467043 1.411174 -0.00012

-130 20 8.467042 1.411173 -0.00016

-125 25 8.467042 1.411173 -0.0002

-120 30 8.467042 1.411173 -0.00024

Фиг. 3.19b. Радиус на шийката на фокусирания сноп в зависимост

от дефокусировката за леща f′=150 mm

1.411169

1.411170

1.411170

1.411171

1.411171

1.411172

1.411172

1.411173

1.411173

1.411174

1.411174

1.411175

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Δd= d+f′, mm

Δωo′, m

- 19 -

Очевидно, за входящ сноп с относително малка разходимост и при използване на

дългофокусна леща влиянието на дефокусировката е несъществено.

Разпределението на интензитета в напречното сечение на гаусов лазерен сноп, намиращо

се на разстояние z от шийката се описва с формулата:

2

2,

zr

o ezIzrI , (3.17),

където z е радиусът на снопа в даденото сечение, а zIo - интензитетът в осевата точка

(в центъра на сечението), е:

zP

zIo

2

. (3.18)

P е пълната мощност на снопа във ватове. Интензитетът в центъра на шийката е :

2

2

o

o

PI

. (3.19)

Размерът на снопа на разстояние z от шийката е:

2

2

2

11

o

oo

o

z

z

zz . (3.20)

Изменението на размера на фокусирания сноп на използвания в експерименталната

система лазер в зоната на сканиране за леща с f ′ = 150 mm и относителното изменение на

интензитета I(0,z)/Io по оста на снопа е представено в Таблицa 3.6 и на фиг. 3.21.

Фиг. 3.21a. Размер на фокусирания сноп ω(z) [m] за f′=150 mm (ωo ≈ 8.5 m)

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

z, mm

ω(z), m

- 20 -

Таблица 3.6a. Размер на фокусирания сноп относителния изтензител по оста за леща с

f ′ = 150 mm (заr Z=-1… 1mm, близка зона)

Z, mm ω m Δω ′ % I(0,z)/Io,

-1 21.7 157 0.2

-0.9 19.9 135 0.2

-0.8 18.1 114 0.2

-0.7 16.4 93 0.3

-0.6 14.7 73 0.3

-0.5 13.1 55 0.4

-0.4 11.6 38 0.5

-0.3 10.4 23 0.7

-0.2 9.4 11 0.8

-0.1 8.7 3 0.9

0 8.5 0 1.0

0.1 8.7 3 0.9

0.2 9.4 11 0.8

0.3 10.4 23 0.7

0.4 11.6 38 0.5

0.5 13.1 55 0.4

0.6 14.7 73 0.3

0.7 16.4 93 0.3

0.8 18.1 114 0.2

0.9 19.9 135 0.2

1 21.7 157 0.2

- 21 -

Таблица 3.6b. Размер на снопа , относителен интензитет и радиус на диафрагмата с

пропускане S=0.5 за леща с f ′ = 150 mm (0 < Z< 500 mm, далечна зона)

Z, mm ω mm [ I(0,z)/Io ] x106 a, mm*

0 0.0085

20 0.400 447.87

40 0.800 112.00

60 1.200 49.78

80 1.600 28.00

100 2.000 17.92

120 2.400 12.45

140 2.800 9.14 2.3

160 3.200 7.00 2.7

180 3.600 5.53 3.0

200 4.000 4.48 3.3

220 4.400 3.70 3.7

240 4.800 3.11 4.0

260 5.200 2.65 4.3

280 5.600 2.29 4.7

300 6.000 1.99 5.0

320 6.400 1.75 5.3

340 6.800 1.55 5.7

360 7.200 1.38 6.0

380 7.600 1.24 6.3

400 8.000 1.12 6.7

420 8.400 1.02 7.0

440 8.800 0.93 7.3

460 9.200 0.85 7.7

480 9.600 0.78 8.0

500 10.000 0.72 8.3

* - a – radius of aperture with transmittance S=0.5

- 22 -

Фиг. 3.21b. Относителен интензитет I(z)/Io за f′=150 mm (ωo ≈ 8.5 m)

3.3. Изводи към Глава 3

Проектирана е и изследвана оптоелектронния блок на системата за Z-сканиране.

Избраните източник на светлина (Nd: YAG Q-модулиран лазер с втора хармонична) и

пироелектричните фотоприемници позволяват измерванията на нелинейност на материали

във видимата област.

Избрана е фокусираща леща, осигуряваща Z-сканиране на сравнително тънки образци (

1 mm) в диапазон значително превишаващ дължината на Рейли.

Размерът на екраниращата диафрагма пред приемника при измерване на нелинейната

рефракция (Z-сканиране със затворена бленда) следва да се определи в зависимост от

разстоянието ѝ от шийката на снопа за да се осигури необходимата пропускателна

способност (0. 1 <S <0.5).

Влиянието на нестабилността на лазера по мощност е минимизирана чрез въвеждане в

схемата на референтен канан за следене мощността на снопа и внасяне на съответната

корекция

Изчислените и експериментално определени параметри на фокусирания лазерен лъч

позволяват оценка на стойностите на нелинейния коефициент на рефракция и нелинейна

абсорбция въз основа на резултатите от измерването на нормираната пропускателна

способност на образеца..

Конфигурация на системата позволява тя да бъде лесно модифицирана и за други

методи за измерване.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

z, mm

I(z)/Io , %

- 23 -

Глава 4. Разработване на експерименталната Z- сканираща система

Позициониращата система на експерименталната Z- сканираща система

със съответното задвижване и управление е реализирана по схемата на Фиг. 3.1.

Системата е проектирана за изследване на течни нелинейни материали и

осигурява сканиране в границите на 266 mm с разделителна способност

(минимално преместване ) 1.42×10-3

mm. Задвижването се осъществява чрез

сачмено-винтова двойка и стъпков двигател, управляван посредством

програмируем логически контролер (PLC).

При калибриране на позициониращата система подвижната платформа,

носеща изследвания образец, се премества последователно по оста Z с

номинална стъпка 0.0795″ (2,0193 mm), измерва се преместването и се определя

грешката на всяка стъпка, както и акумулираната грешка. Резултатите от

многократното позициониране на платформата в прав и в обратен ход в зоната

на Z-сканиране, частично представени на фиг. 4.34 и фиг. 4.35, са използвани за

оценка на систематичните грешки (точност на позициониране) и случайна

грешка (повторяемост).

Фиг. 4.34. Графика на грешките при движение в прав ход (+)

- 24 -

4.35. Графика на грешките при движение в обратем ход (-)

Установено е, че средната стойност на стъпката при позициониране в

обратен ход (“–“ посока) 0,0785" = 1,994 mm, т.е. средната систематична грешка е 0.001″

(25μm) при повторяемост от порядъка на 15 μm, а максималната систематична грешка

на една стъпка е 0,0025 инча (63,5 μm).

4.7. Изводи към Глава 4

Проектирана и реализирана е автоматизирана компютърно управлявана Z-сканираща

експериментална система, осигуряваща сканиране в диапазон от 266 mm

с разделителна способност (минимално изместване /стъпка) 1,42.10-3

mm.

Изследвана е еднопосочната и двупосочна точност на позициониране и повторяемостта.

Позициониращата система е калибрирана, и резултатите от калибрирането могат да се

използват за софтуерно компенсиране на систематичните грешки и повишаване на точността

при измерване на нелинейните параметри на оптично прозрачни среди.

Глава 5. Експериментални резултати и изводи

Целта на експерименталните изследвания на нелинейни материали със създадената

автоматизирана Z-сканираща система за измерване на нелинейната абсорбция и нелинейната

рефракция е апробиране на системата и доказване на нейната работоспособност и

приложимост за подобен род изследвания.

- 25 -

5.1. Изследван образец

Проведени са изследвания на карбонов дисулфид (CS2) използван като референтен

материал и от други автори. Подготвените обекти на изследване представляваха кварцова

кювета с CS2 с дебелина 1 mm. Основните линейни оптични параметри на CS2 са

коефициент на пречупване 627.1on и коефициент на поглъщане 0o .

5.2. Експериментални резултати

Използвана е втората хармонична на Q-модулиран Nd:YAG лазер с дължина на вълната

λ=532 nm, дължина на импулса ns4 p , енергия на импулса 180 mJ и с честота 10Hz.

Излъчваният от лазера сноп с диаметър 6 mm. Радиусът на шийката на фокусирания от

лещата сноп е 8.5μm. Определената стойност на интензитета (плътността на потока енергия)

в осовата точка на шийката при посочените параметри на снопа беше 1.41x109 W/cm

2.

Пропускателната способност T(z) на образеца при Z-сканиране със затворена диафрагма

5.0S беше измерена при преместване на образеца в интервала cm10z cm10 .

Сигналът от измервателя на мощност, съответстващ на нормализираната пропускателна

способност във функция от изместването спрямо шийката на снопа, както и апроксимираната

с полином от 10-та степен пропускателна способност, е графично представен на фиг. 5.1.

Стойностите на минималното пропускане (пад) и максималното (пик)

и разликата между тях са определени от експерименталните

резултати при Z-сканиране със затворена диафрагма на кварцова кювета с CS2 с дебелина 1

mm.

Фигура 5.1 Резултати за оптичното пропускане от Z-сканиране на CS2

- 26 -

Z-сканиране със затворена диафрагма е използвано и за получаване на публикуваните в

литературатаа стойности за параметрите на приетия като референтен CS2 [149].

Изменението на оптичното пропускане като функция от параметрите на лазерния сноп и

положението на кюветата спрямо шийката на сфокусирания лазерен сноп при сканиране със

затворена апертура може да бъде представено с формула (5.1) [150]:

19

41,

22

xx

xzT

oo

, (5.1)

където ozzx , а o е изменението на фазата (ф-ла 2.18).

Пропускането и параметрите на нелинейната среда бяха изследвани с използване на

лазерен сноп с дължина на вълната λ = 532 nm и мощност на входа на изследвания образец

0,0675 mW. Изчисленият радиус на шийката на фокусирания сноп беше

ωo = 8.5 μm.

Графиките на фиг. 5.1 и 5.2, построени на база на резултатите от измерванията, показват

наличие на нелинеен ефект. Графиката на фиг. 5.3 илюстрира ефекта на самофокусировка в

изследваната среда вследствие на нелинейната рефракция (графиката е построена в

MATLAB 8.2 R2013b 1.7.0_11 /версия 2013 г.).

5.2. Сравнителен анализ на получените експериментални резултати с

резултатите, получени и публикувани от други автори

Целта на експеримента беше да се провери работоспособността и ефективността на

разработената система за Z-сканиране. Ние използвахме 1064 nm Nd: YAG (Quantel Brilliant)

Фиг. 5.2. Резултати от Z-сканиране на CS2 за оптичното пропускане,

представено чрез 10-степенен полином (3D интерполация)

- 27 -

лазер с генерация на втора хармонична с дължина на вълната 532 nm и входяща мощност

0,0675 mW мощност , дължина на импулса 4 ns.

Стойностите на нелинейните параметри бяха изчислени за фокусиран лазерен сноп с

определени чрез съответни пресмятания радиус на шийката ω0 = 8,5 μm и плътност на

светлинната мощност (интензитет на светлината) по оста в равнината на шийката

214 W/cm1041.1 oI . При тези параметри на лазерния сноп беше измерена разлика в

нормираната пропускателна способност 24202.0 pvT .

При тези стойности за нелинейните параметри на изследвания материал бяха получени

следните резултати: cm/W108.3 14 γ и esu1048.1 112

n .

Резултатите от изследването на нелинейните параметри и 2n на същия материал,

получени от Шеик Бахае и др. (1990), Зхао и колектив (1993), Ганеев Р.А. (2005) са

публикувани в [72,73], [150], [149]. Всички те са изследвали кварцова кювета с CS2 с

дебелина на кюветата 1 mm. All they have studied the quartz cell of 1 mm thickness with CS2

(Carbon Disulfide).

Шеик Бахае и др.. (1990) са използвали лъчението на Nd:YAG лазер с дължина на

вълната λ = 532 nm (втора хармонична), продължителност на импулса 27 ps с интензитет на

фокусирания лазерен сноп Io=2.6x109 W/cm

2 в осевата точка на шийката с радиус 25m

[72,73].

Групата на Зхао. (1993) е използвала Nd:YAG лазер с Q-модулaция с дължина на

вълната λ = 532 nm, продължителност на импулса 6,5 ns [150].

Фиг. 5.3. Резултати от Z-сканиране на оптичното пропускане на CS2,

представени чрез 10-степенен полином

- 28 -

Ганеев и колектив (2005) са използвали също Nd:YAG лазер с дължина на вълната λ =

532 nm и продължителност на импулса 6,5 ns 20 ns [149].

Таблица 5.3. Сравнение на получените параметри с параметри, публикувани в

литературата.

Нелинейни параметри за

CS2 ω0 (μm) I0 (W/cm

2) γ (cm

2/W) n2 (esu)

PhD/ 0.0675 mW 8.5 1.41 x 10

9 3.8 x 10

-14 1.48 x 10

-11

Bahae et al. (1990) 25 2.6 x 109

(1.2 ± 0.2) x 10-11

Зхао и др. al. (1993) 3.4 x 10-14

1.2 x 10-11

Ганеев (2005) 3 x 109

3 x 10-14

Основните параметри на проведените експерименти от тези автори и получените

стойности за нелинейните параметри на карбоновия дисулфид CS2 заедно с резултатите за

нелинейните параметри на CS2, получени с използване на разработената в дисертационния

труд автоматизирана система за Z-сканиране са обобщени в Таблица 5.6. Kакто може да се

види от таблицата, получените резултати в дисертацията имат добро съответствие с

резултатите, получени от други автори.

5.3. Изводи към Глава 5.

Изследван е материал – 1mm кювета с CS2 по метода на Z-сканиране със затворена

апертура (clozed Z-scan) с помощта на компютъризираната Z-сканираща система.

Получени са експериментални резултати за пропускателната способност на изследвания

материал (CS2) като функция от половението на образеца спрямо шийката на фокусирания

лазерен сноп. Определени са нелинейните оптични параметри на CS2.

Анализът на получените експериментални резултати показва добро съответствие с

резултатите, публикувани от други автори.

Това може да се счита за доказателство за работоспосоността, ефективността и

надеждността на разработената експериментална система.

Разликите в получените стойности могат да бъдат обяснени с отклонения на формата на

лазерния импулс от теоретичната форма, която обикновено е трудно да се определи.

Други фактори, които влияят върху точността на измерване на нелинейни параметри на

материалите по метода на Z-сканирането са нестабилността на мощността на лазера и

- 29 -

неопределеността на измерванията на лазерната мощност и размера на талията на

фокусирания сноп, отклонения от Гаусовото разпределение, нееднородност на

изследвания материал и др..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Органичните нелинейни оптични материали предлагат широки възможности за

приложение. Нелинейните кубични оптични ефекти нелинейна рефракция и нелинейна

абсорбция са от съществено значение за работата на оптичните елементи в системите,

използващи мощни лазерни източници. Това, както и развитието и усъвършенстването на

лазерните технологии, изисква повишаване на точността и автоматизация на процесите на

изследване на оптичната нелинейност на материалите.

Методът на Z-сканиране се оказва особено подходящ за едновременно изследване на два

от нелинейните ефекти - нелинейната абсорбция и нелинейната рефракция, свързана с

диелектричната проницаемост на материалите.

Характерни за метода са следните предимства:

- Определят се едновременно знакът и големината на коефициентите на нелинейност;

- Позволява изключване на влиянието на нелинейната абсорбция върху резултатите от

измерването на нелинейната рефракция;

- При използване на гаусови снопове e относително лесно обработването на първичната

измервателна информация при използване на гаусови снопове;

- Не се налагат специални изисквания и ограничения освен фокусировката на лазерния

сноп;

Разработената оптикоелектронна система позволява лесна модификация за реализиране

на един от двата метода – сканиране с отворена диафрагма (за измерване на нелинейната

абсорбция) и Z-сканиране със затворена диафрагма (за измерване на нелинейната

рефракция).

Процесът на сканиране се осъществява с разработената моторизирана и с автоматично

управление позиционираща система. Събирането на информацията за положението на

образеца по направление на сканирането и измервателната информация от фотоприемниците

е синхронизирано и управлявано от компютър (PC) и PLC (програмируем логически

контролер). Разработеният специализиран софтуер е предназначен за автоматичен контрол

на измервателния процес, обработката на измервателната информация и оценка на

нелинейни параметри.

Резултатите от калибрирането на позициониращата система могат да бъдат използвани за

софтуерна компенсация на систематичните грешки на позициониране.

- 30 -

Апробацията на разработената система чрез изследване на нелинейната рефракция на

референтен нелинеен материал (CS2) и сравнителният анализ на получените резултати с

резултатите, публикувани от други изследователи са свидетелство за работоспособността и

ефективността на компютъризираната автоматизирана Z-сканираща система, измервателна

система и разработения специализиран софтуер.

ОСНОВНИ ПРИНОСИ

Научно-приложни приноси

1. Разработена, реализирана и изследвана е оптоелектронна система за изследване на

нелинейните свойства на материалите, базирана на метода на Z-сканирането, чрез

сканиране при отворена/затворена апертура. Използването в системата на два

приемника позволява минимизиране на влиянието на нестабилността на лазера по

мощност чрез нормиране на измервателния сигнал.

2. Разработена и реализирана е автоматизирана Z-сканираща експериментална система,

управлявана чрез компютър (РС) и програмируем логически контролер (PLC).

3. Разработен е специализиран софтуер за автоматизиране процеса на сканиране,

събиране и обработване на измервателната информация и определяне на нелинейните

параметри на материалите.

4. Системата е валидирана чрез тестване на нелинейността на референтен материал CS2

(серовъглерод). Резултатите за параметрите на нелинейна рефракция γ и n2 показват

добро съвпадение с получените от други автори резултати.

Приложни приноси

5. Калибрирана е позиционираща система и резултатите от калибрирането могат да

бъдат използвани за софтуерно компенсиране на систематичните грешки, когато се

изисква по-точно позициониране.

6. Системата дава възможност за измерване както на нелинейната абсорбция, така и на

нелинейната рефракция.

- 31 -

СПИСЪК НА ПУБЛИКАЦИИТЕ ПО ДИСЕРТАЦИЯТА

1. Ferit ARTKIN, N.F.Ecevit: ‘PLC Controlling and Applications in Optical Systems’,

Summary text, Poster presentation, 14.Ulusal Optik, Elektro-optik Fotonik Çalıştayı, 1, 16,

2010.

2. , Ferit ARTKIN, Fevzi Necati Ecevit: ‘Design of Computer Aided Z-Scanning Automatic

Control System in Nonlinear System’Politeknik Dergisi, ISSN 2147-9429, Accepted date:

July of 2014.

3. Ferit ARTKIN: ‘Definning CS2 Optical Transmittance Spectrum By Computerized Z-

Scanning with Hybrid Stepper Motor Automatic Control System’Metrology and

Measurement Systems, Index 330930, ISSN 0860-8229 Sending Date; July of 2014.

4. Ferit ARTKIN: ‘New Designed Opto-mechanical System for Z-Scanning Nonlinear

Measurements’, Summary Text-Poster Presentation, 16. Ulusal Optik, Elektro-Optik ve

Fotonik Çalıştayı, 2014. Sending Date; July of 2014.

- 32 -

Summary

COMPUTER-AIDED Z-SCAN TESTING APPARATUS

INTEGRATED INTO SERVO MOTOR AND PLC FOR

INVESTIGATION OF NON-LINEAR MATERIALS’

PERMEABILITY

Abstract:

The field of organic nonlinear optical materials offers many exciting opportunities for both

fundamental research and technological application. This requires increasing the accuracy and

automation of the processes of a study of the optical nonlinearity of the materials.

In this doctorate thesis, a computer-aided automated Z-scan system for investigation of optical

nonlinear materials is created and investigated. The system allows investigation of nonlinear

absorption by open aperture Z-scan and nonlinear refraction using closed aperture Z-Scan method

and is attended to be used for study of nonlinearity of organic materials in the visible region.

Nonlinear absorption and nonlinear refraction of optical materials are essential for the operation of

the optical elements in systems using powerful laser sources.

In the experimental system Q-switched ND-YAG laser with λ=532 nm (second harmonic) is

used. Two channels (measurement and reference) with two identical pyroelectric detectors are used

to provide a normalized (with respect to the laser power) measurement signal for transmittance of

the sample under study.

The automated PC- controlled Z-scan experimental system is designed, realized and calibrated.

The system allows scanning in a range of 266 mm with resolution (minimum displacement)

1,42.10-3

mm. The process of scanning is motorized and automatically controlled by PC and PLC.

The scanning and the measurement data acquisition are synchronized. Software is created for

automatic control of measurements, processing of measurement information and evaluation of

nonlinear parameters.

The operability and efficiency of the system is verified by testing the nonlinearity of CS2

(Carbon Disulfide) as reference material. The results for nonlinear refraction parameters γ and n2

obtained by measurements with the developed system show a good coincidence with the results

reported by other authors.

The configuration of the developed optical system can be easy modified and adopted for other

methods of measurement.