Расширитель лазерного пучка

Я хотел бы вот чего:

Т.е. отражённый пучок (я рисую очень плохо, поэтому пучок для простоты один, чтобы не захламлять рисунок) при нагреве поворачивается на некий угол. Расстояние, на которое сместился этот пучок, мы собственно и меряем линейкой. Вопрос в том, как по измеренным данным для двух пучков вычислить радиус кривизны образца.
Вы уже писали, что при фокусировке на линейке получено пятно 0.25 мм. Хорошо. Но каков при этом диаметр пятна на образце?
Я понимаю, что сейчас источником является красная указка. Т.е лазер, излучение которого худо-бедно сколлимировано и выходной пучок имеет диаметр 1.5-2.0 мм. Если теперь пытаться телескопом пучок обузить до долей мм, то он просто перестанет фокусироваться.

 

Ну теперь понятно, что вы от меня добивались) Мы представляем эту схему немного упрощенней, принебрегаем вертикальными смещениями, т.к. они ничтожно малы по сравнению с изменением радиуса.

Схема отклонения луча света при наклоне отражающей плоскости.
1-падающий луч света, 2-откланенная плоскость; 3-первоначальное положение плоскости; 4-луч отраженный от (2); 5-луч отраженный от (3).

Схема, поясняющая принцип метода.

Я не понимаю, почему вам так важно узнать, как мы получаем результат, или вам просто интересно?))
Зная первоначальную расходимость пучков и расстояние между ними можно с помощью не сложных формул определить радиус кривизны поверхности.

На образце порядка 2-3мм. А на выходе он по моему все таки порядка 3-5мм.
А о том, что он может перестать фокусироваться я даже не подумал) Так и тогда какого минимального диаметра пучка можно добиться в моем случае, как вы думаете?

 

Спасибо, подход понятен. Смешно сказать, но много лет назад, когда я был ещё школьником, я, наверное, сам бы смог всё быстро сосчитать.
Чтобы Вас теперь не напрягать глупыми вопросами, с основной идеей, которая сверлит мне мозг, постараюсь разобраться сам. А идея проста до безобразия: в данном случае применение 4-хквадрантного диода кажетс мне много-много перспективнее.
И вопрос, ответ на который можете дать только Вы. Может быть, Ваш образец можно сделать по типу однобалочного кантилевера для AFM? Примерно так:
Посмотреть вложение 9466
Массивный чип, за который можно надёжно закрепить и маленькая и тоненькая балочка с плёнкой (заштрихована красным). Балка консольно заделана и гнётся только со свободного конца. Одно измерение.
Возможно, это не проходит по причине нагрева.

 

Нет, образцы мы так сделать не сможем. Но 4-хквадрантный диод я думаю можно использовать, если будут достигнуты те же точности. Его же можно ложить на ножи, и смотреть ту самую стрелку прогиба например. Но тут есть свои нюансы, например ножи тоже могут расширится от нагрева и внести систематическую погрешность. И всетаки я не уверен, что 4-хквадрантный диод может дать такую же точность, ведь он будет мерить непосредственно смещение. Надо почитать лучше ту книжку, которую вы мне посоветовали, посмотреть, какие величины они меряют.

 

Может, может. Ещё как может. Задумайтесь, ведь для AFM нужно измерять смещения конца балки на уровне единиц нанометров. Вам такая точность и не нужна. Кроме того, у диодной схемы есть одно неоспоримое преимущество. Для получения результата нужно сфокусировать в малое пятно на объекте. Это и обеспечивается в схеме измерений, ведь ширина балки кантилевера - это десятки мкм (см. http://www.ntmdt-tips.com/catalog/golden/non/products.html). На приёмнике Вы можете иметь широкое пятно.

 

Так смещения в единицы нанометров ощущает, это так то вообще отлично. А как вы думаете, конвекционные токи сильно будут влиять, придется ли задуматься о вакууме?

 

О, это для меня terra incognita. Я никогда и рядом не стоял, в смысле высокотемпературных измерений. Вы же у себя как-то эту проблему решаете. Разумеется, сделать так, чтобы измерительная часть была в лёгком вакууме - это идейно правильно. Но сильно усложнит т удорожит установку. Проверено на собственной шкуре. Простенькая вакуумная камера с двумя оптическими окнами - 30 тыс. руб камера + 12 тыс. руб окна. + не знаю даже сколько деньжищ вакуумный пост (диафргма + турбина).

 

У нас вроде бы сами изготовляют вакуумные установки, для осаждений всяческих, но я вот не уверен) и с визуальным наблюдением, с окнами будет труднее скорее всего гораздо)
А 4-хквадрантными диодами вы сами занимались? Как там осуществляется обработка сигнала, электроникой или программными методами? И если электроникой, то изготавливалась или покупалась она?

 

beautiful mind

Мне кажется измерение кривизны балки по двум точкам, не даст точного результата. Ведь скажем провис балки под действием силы тяжести далеко не две прямых, а сложная линия. Это конечно вы сами решаете, но вы полагаете что грубая апроксимация двумя ломаными даст хорошее приближение?

1. Теперь если скажем использовать 4-х секторный диод, то пятно на нем дб в половину от размера приемника ( примерно) при условии что на максимальном прогибе луч не уйдет за размеры фотоприемника, тогда смещение пятна по площали 4 секторов даст пропорциональный отклик на смещене.
2. Почему вы так боитесь фокусировки? Метод ABCD матрицы достаточно прост и позволяет все рассчитать и сопоставить отклонение луча в зависимости от наклона балки всего то 4 матрицы, как раз для параметров гауссова пучка.
3. Я бы делал зеркало вращающееся на нек угол для сканирования балки, луч замодулирован по интенсивности с нек частой. Таким образом осуществляется синхронизация (угол наклона сканирующего зеркала)- (пиксел куда попал луч). Если балка ровная пикселы эквидистантны , изгиб - пикселы засвеченные чаще или реже. На таком принципе устроены сканеры формы.
А вы чо нагретую балку на воздухе меряете?

 

По физике тонких пленок на подложке образец должен прогибаться по окружности. Ну а окружность в 2х точках можно приблизить к 2м зеркалам наклоненым под определенным углом. Так же само если взять изогнутое по сфере зеркало, то 2 параллельных пучка направленных на него сойдутся в 2 точке, по расстоянию которой от зеркала, можно определить его радиус. И я не понимаю, почему вы считаете этот способ не точным. Ведь тем более, когда изгиб маленький, т.е. смещения очень маленькие радиус в свое время изменяется заметно, и если измерять расходимость пучков большом расстоянии то точность повышается, но тут влезает дифракция пучка и его уширение.

Не на открытом воздухе, в камере на печке, но без откачки, где контролируется температура термодатчиком.

Метод АВСD матрицы я так понимаю это те самые матрицы перемещения, и преломления?) Извиняюсь за глупые вопросы, никогда не был силен в запоминании названий)
Если это так, то не совсем понимаю что вы имеете в виду. Я боюсь фокусировки после отражения от образца, т.к. потеряется информация о наклоне отраженного пучка, которая мне как раз и необходима. Да и тут возникает много проблем соосности, которых будет трудно добиться из-за постоянно смещающихся пучков. Если бы нам нужно было знать положение пучка на образце, тогда фокусировка была бы вообще кстати, т.к. что на образце, что на линейке получится одно и тоже изображение.

Хорошая идея. Есть какая-то русская установка наподобие нашей, в которой луч сканирует поверхность, и говорят хорошо работает) Но у меня такой руководитель, что слов нет. Ему все кажется сложным и он боится усложнять установку очень очень) фокусировку то он согласился делать, потому что это необходимо очень) Еще одной проблемой является электронная часть, ведь чтобы сканировать зеркалом, надо придумать какую-то электронику, но я никогда таким не занимался, хоть и хочу это попробовать. И так же измерения тогда займут какое то время, и в то же время образец греется непрерывно, тогда пока от сканируется весь образец изгиб уже может измениться (если кончено это не будет проходить в считанные секунды).

 

Нет, сам я этой схемой не занимался никогда. Использовал то, что уже есть в AFM микроскопе. Естественно, сигналы с диода аналоговые, но потом всё оцифровывается и обрабатывается в цифре.
Сам здесь ничего не знаю не умею, но знаю, у кого спрсить.

 

Я вот тут подумал, в методе 4-х секторного диода тоже не все так просто. В профилометре то игла всегда в одном положении и на нее светит лазер. А мы не сможем точно класть образец каждый раз на одно и тоже же место. Да и образцы бывают разной толщины и имеют исходные радиусы, которые тоже необходимо определять. А тут мы похоже сможем померить только относительное изменение прогиба. Ну если только образцы будут всегда одинаковой толщины и будут устанавливаться идеально на одно и тоже место, то можно и начальный изгиб определить)

 

ABCD формализм , ну хотя бы тут гл 6
http://window.edu.ru/window/library/pdf2txt?p_id=33630&p_page=8

Ознакомтесь с гл 6 и запомните инфо о наклоне пучка НИКОГДА не теряется, намек: инвариант Лагранжа!!!

Понятно , что если под рукой нет электронщика, программера, то трудно все сделать в одиночку, НО скажем привод головки из сидюка двигается на 35 мм, вся электроника: мотор вперед , мотор назад на постоянном токе, можно на него водрузить пп лазер и даже линзу и сканировать балку?

сканирование доли секунды. в случае сиди привода секунда.

По букварю вроде все так, когда на пластину 100 мм наносишь пленку итд. А в жизни насморелся я этих штучек, и формы у них бывают самые причудливые см фото. По методу я не настаиваю , просто , исходя из своего опыта... у нас более сложные образцы и металлические мембраны которые гнутся...

Надеюсь по расходимости пучков вы ничего не измеряете, ибо это конечно метод в котором есть много не контролируемых факторов. требуется высокое оптическкое качество всех деталей.
Здесь посмотрите как устроены сканеры формы
http://atm-hk.com/pic/Scanner Principle.pdf

 

Ну да, собственно об этой матрице АBCD я и подумал. Это я знаю) Но тут в чем дело то, попытаюсь объяснить на вашей картинке.

Если надо сфокусировать пучок на объекте и линейке, то такая схема и будет использоваться. Но тогда изображение на объекте и на линейке будут одинаковыми, только перевернутыми. Тем самым единственная полезная информация, которую я смогу из этого вычерпать, это расстояние между пучками на объекте. А мне надо знать изменения этого растояния на пути от объекта к линейке, чтобы из этих данных выяснить расходимость пучков и следовательно радиус кривизны поверхности. Поэтому инвариант Лагранжа мне тут не поможет.

В идеале мы будем выяснять дальше и шероховатости этих поверхностей, но пока нам только надо узнать радиус изгиба) И она практически идеально ровная, правда бывают клиновидные образцы. Поэтому я и хочу ввести гологравический метод, т.к. можно следить за каждой точкой образца и наблюдать как гнется вся поверхность образца.

именно по ней и измеряем. На сколько разойдутся параллельно падающие пучки спустя некоторое расстояние от образца.

 

Просто для одного пучка оставим так, для второго немного повернем плоскость объекта и увидим, что расстояние второго пучка от первого на фотоприемнике зависит от угла на который повернут объект для второго пучка, так что попытка покушения на инвариант Лагранжа отбита

Если на поверхности оптически активная пленка 9с неизвестным фазовым набегом), то картина в голографическом изображении сильно усложнится и как вы будете ее расшифровывать? Не говоря отом, что для съема понадобится фрэйм граббер, тоже не дешевая штука.

 

Не совсем понимаю, что вы хотите до меня донести и как это мне поможет. Похоже уже мозги не варят и хотят спать))

Всегда есть вариант наблюдать образец со стороны подложки) Да и мы всегда для начала изучаем образец на эллипсометре, чтобы определить его параметры. Поэтому думаю фазовый набег можно будет компенсировать. Но тут еще проблема может быть в том, что пленка может быть клиновидной. В общем много подводных камней, но всегда остается обратная сторона образца)
фрэйм граббер что такое, если не секрет?

 

Что значит повернем плоскость? Поменять угол наклона плоскости относительно оси пучка? Не могу сообразить...
И я тут подумал, что предложенный вами вариант со сканирующим пучком это чуть усложненый наш вариант. 2 стационарых пучка или 1 сканирующий, метод один и тот же. И я не пойму, почему тогда вы говорите что мой способ плохой, а этот хороший) Единственно что только можтет быть лучше, что мы узнаем профиль поверхности, но нам это не надо, т.к. мы пользуемся приближениями окружности для окончательных вычислений, а если поверхность будет сложнее, то математика будет очень серьезная. Ну и минусы 4х секторного фотодиода я тоже выше привел, и они достаточно серьезные. В общем с минимальными затратами, которые мы можем себе позволить и потерями точности, остается только наш метод, но его надо доработать) Поэтому всетаки не могли бы вы пояснить как можно улучшить нашу установку за счет фокусировки, а то я не могу понять, как при этом не потерять требуемые нам данные.

 

Я уже сказал, что если вас устраивает аппроксимация окружности по двум точкам, (хотя согласно геометрии единственную окружность можно провести по трем точкам) это как бы вы сами с вашим руководителем решаете, годится вам или нет. Я только говорил о формировании узких пучков. На мой взгляд (чисто субъективно) сканирование устроить проще + это один и тотже пучок, меньше оптических элемнтов ,проще юстировка.
Если есть работающая линейка, то 4 секторный фотодиод - отдыхает.

Здесь я могу только одно посоветовать, это потребует интеллектуальных усилий: освоить формализм ABCD матриц. Составить матрицу вашей системы и смоделировать , как и насколько будет отклоняться пучок. Посмотрите предлженную статью может пригодится.

 

статья не прикрепилась с первого траза

 

Вот еще последний писк!!!