CC BY
11
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОРИЕНТАЦИОННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ _ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТКЛИКА В ПРОВОДЯЩИХ ПЛЁНКАХ_
УДК 001.891.53, 62-529
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОРИЕНТАЦИОННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТКЛИКА В ПРОВОДЯЩИХ ПЛЁНКАХ
СТЯПШИН В.М., ЗОНОВ Р.Г., МИХЕЕВ Г.М.
Институт прикладной механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Представлены схема и принцип работы оригинального автоматизированного измерительного комплекса для исследования зависимостей амплитуды оптоэлектрического сигнала в проводящих плёнках от их пространственной ориентации относительно луча лазера. Измерения могут проводиться в пределах углов падения от -90° до 90° и азимутальных углов в диапазоне от 0° до 360° с точностью 0,5°. Конструкция комплекса предотвращает смещение центра зоны облучения на поверхности плёнки во всём диапазоне измерений. Предлагаемый комплекс также может использоваться для калибровки углоизмерительных устройств на основе проводящих плёнок.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: измерительный комплекс, лазерное излучение, плёнка, оптоэлектрический отклик, ориентационная зависимость.
ВВЕДЕНИЕ
Для решения различных прикладных задач значительный интерес представляет исследование оптоэлектрических свойств материалов, имеющих упорядоченную наноразмерную структуру. Одним из таких материалов являются нанографитные плёнки, получаемые путем плазмохимического осаждения из смеси метана и водорода на кремниевую подложку [1].
При облучении нанографитной плёнки лазерным излучением наносекундной длительности ранее было обнаружено явление возникновения электрического напряжения между параллельными электродами, прикрепленными к краям облучаемой поверхности плёнки. Наведённое напряжение воспроизводит временную форму лазерного импульса, а его амплитуда и полярность существенно зависят от поляризации излучения и пространственной ориентации плёнки с электродами относительно падающего лазерного пучка [2, 3]. Пространственная анизотропия оптоэлектрических свойств таких плёнок позволяет использовать их для создания различных углоизмерительных устройств [8, 9].
Подобные эффекты могут наблюдаться и в других плёночных структурах [см. напр. 4-7], поэтому представляет интерес дальнейшее исследование ориентационных зависимостей оптоэлектрического сигнала в проводящих плёнках.
Поскольку процесс определения ориентационных зависимостей вручную требует значительных временных затрат, то для ускорения и увеличения точности измерений необходима разработка специального автоматизированного измерительного комплекса. Такой комплекс должен обладать возможностью плавного изменения угла падения лазерного луча на нанографитную плёнку (угол а) и угла поворота исследуемой плёнки с электродами вокруг своей нормали относительно плоскости падения излучения (угол в), так, чтобы при этом не происходило смещения центра зоны облучения на поверхности пленки.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА
Для решения поставленной задачи предлагается автоматизированный измерительный комплекс, функциональная схема которого приведена на рис. 1. Основой данного комплекса является импульсный одночастотный лазер, имеющий канал внешнего управления. Его конструкция позволяет получать одинаковые по форме и амплитуде импульсы когерентного
монохроматического излучения мощностью порядка нескольких единиц мегаватт, имеющего одну поперечную и одну продольную моды.
Система формирования излучения состоит из поворотных зеркал, направляющих излучение лазера на исследуемую плёнку, двух светоделительных пластин, отбирающих часть излучения для лавинного фотодиода и измерителя энергии, четвертьволновой пластинки, поляризатора и набора нейтральных светофильтров, понижающих мощность излучения лазера до необходимого уровня.
Система запуска осциллографа используется для запуска регистрации исследуемого сигнала. Запуск осциллографа оптическим импульсом позволяет избежать ложных срабатываний в процессе измерения и усреднения регистрируемых импульсов.
Измеритель энергии необходим для нормировки амплитуды оптоэлектрического сигнала на энергию лазерного импульса, поскольку параметры лазерной генерации за время эксперимента могут изменяться.
Цифровой осциллограф является средством измерения. Регистрирует и усредняет электрические сигналы, поступающие от исследуемого образца. Передаёт полученные результаты в компьютер.
Рис. 1. Функциональная схема автоматизированного измерительного комплекса
Компьютер выполняет одновременно функции координирующего узла и основного вычислительного центра комплекса. Он синхронизирует моменты включения лазера с работой поворотного устройства и цифрового осциллографа в соответствие с заданными параметрами измерений. Принимает и обрабатывает данные с осциллографа и измерителя энергии.
Поворотное устройство служит для крепления исследуемого образца и осуществления его поворота на заданный угол относительно луча лазера. Главными частями устройства (рис. 2) являются два шаговых электродвигателя (2), два зубчатых поворотных вала (3), обеспечивающие возможность поворота исследуемой плёнки (6) по углам а и в, а также
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОРИЕНТАЦИОННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ _ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТКЛИКА В ПРОВОДЯЩИХ ПЛЁНКАХ_
фиксатор плёнки (4) с двумя параллельными прижимными электродами (5) и коаксиальным разъемом для вывода оптоэлектрического сигнала на осциллограф.
Исследуемый образец крепится в поворотном устройстве при помощи прижимных электродов. Отсутствие смещения центра зоны облучения при изменении ориентации плёнки достигается за счет совмещения плоскости плёнки с осью вращения по углу а и направления луча лазера в точку пересечения осей вращения по углам а и р. Точность установки углового положения определяется минимальным шагом, который обеспечивает шаговый двигатель, и передаточным отношением зубчатой передачи от шагового двигателя поворотному валу. В предлагаемом комплексе расчётная точность угловых измерений - не менее 0,5°.
1 - монтажный уголок; 2 - шаговые электродвигатели; 3 - зубчатые поворотные валы; 4 - фиксатор плёнки;
5 - прижимные электроды; 6 - исследуемая плёнка; 7 - опора; к - волновой вектор падающего излучения;
ОЫ - нормаль к поверхности плёнки; а - угол падения лазерного луча; р - угол поворота плёнки и электродов
относительно плоскости падения излучения
Рис. 2. Поворотное устройство
Управление поворотным устройством осуществляется компьютером при помощи контроллера шаговых двигателей, который состоит из специальной платы расширения, преобразующей набор логических команд управления в сигналы управления, и усилителя сигналов управления. Контроллер позволяет по команде с компьютера устанавливать с высокой точностью необходимое угловое положение фотоприёмника для каждого отдельного измерения.
ПРИНЦИП РАБОТЫ
Комплекс работает следующим образом. Через компьютер задаются требуемые параметры эксперимента, такие как диапазон и шаг измерений по углам а и в, частота работы лазера, число вспышек лазера на единичное измерение (число усреднений), число измерительных проходов, и затем начинается процесс измерений. Под управлением компьютера поворотное устройство принимает начальное положение, а цифровой осциллограф переходит в режим ожидания регистрации импульсов, после чего запускается лазерная генерация с заданной частотой повторения импульсов. Лазерный луч, проходя через систему формирования излучения, делится на три отдельных пучка.
3
Первый пучок попадает в систему запуска осциллографа, где детектируется лавинным фотодиодом. Генерируемый при этом электрический сигнал усиливается и подаётся на канал внешней синхронизации осциллографа. Тем самым запускается регистрация оптоэлектрического сигнала.
Второй пучок направляется на измеритель энергии лазерного излучения, выходной сигнал которого регистрируется компьютером.
Основной пучок попадает на исследуемый образец. Генерируемый в результате этого оптоэлектрический сигнал регистрируется осциллографом. Цикл генерация - регистрация повторяется при неизменном положении поворотного устройства столько раз, сколько задано числом усреднений, при этом осциллограф проводит усреднение по всем измерениям; усреднение по нескольким вспышкам лазера необходимо для уменьшения шумовой составляющей сигнала, которая при однократном измерении может достигать существенных значений. Затем компьютер отключает генерацию лазерных импульсов и получает от осциллографа параметры измеренного оптоэлектрического сигнала (амплитуда, минимальное и максимальное значения, длительность по полувысоте и др.). На основе текущих угловых координат и данных, полученных от осциллографа и измерителя энергии, компьютер заполняет таблицу результатов измерений и сохраняет её в долговременную память. После этого следует очередной цикл измерений, начинающийся с установки поворотного устройства в следующее положение, согласно шагу измерений.
Когда все измерения проведены, компьютер сигнализирует об этом оператору звуковым сигналом и текстовым сообщением.
да 50 _
ё
Р
25 -
1 | 0 1 |
-75 -50 -25 1 0 25 50 75
/ "25 -
-50 -
Рис. 3. Угловая зависимость амплитуды и оптоэлектрического сигнала, генерируемого в нанографитной плёнке при её облучении _р-поляризованным импульсным излучением YAG:Nd3+-лазера мощностью 0,1 МВт и длительностью импульсов 20 нс, от угла а при угле р = 0
Макет предлагаемого комплекса был успешно апробирован при получении ориентационных зависимостей оптоэлектрического сигнала в нанографитных плёнках. На рис. 3 представлен график зависимости, полученной с использованием описанного устройства. Не смотря на то, что комплекс работал в тестовом режиме (с частотой следования лазерных импульсов 1 Гц), удалось существенно сократить время на получение, обработку и передачу данных. При этом реальный процесс измерения может происходить и с большей частотой следования лазерных импульсов.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОРИЕНТАЦИОННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ _ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТКЛИКА В ПРОВОДЯЩИХ ПЛЁНКАХ_
Таким образом, предлагаемый комплекс существенно сокращает время на получение экспериментальных данных, уменьшает шаг и повышает точность измерений. Кроме этого, он может быть использован для калибровки, юстировки и отладки углоизмерительных устройств на основе проводящих плёнок [напр. 8, 9] при опытном и массовом производстве.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 10-02-96017-р_урал_а) и Президиума УрО РАН (грант для молодых ученых).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Образцов А.Н., Павловский И.Ю., Волков А.П. Автоэлектронная эмиссия в графитоподобных плёнках // ЖТФ. 2001. Т. 71. С.89-95.
2. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н. и др. Оптическое выпрямление в углеродных наноплёнках // ЖЭТФ. 2004. Т. 126, № 5. С. 1083-1088.
3. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N. et al. Giant optical rectification effect in nanocarbon films // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 24, № 24. P. 4854-4856.
4. Конов В.И., Никитин П.И., Сатюков Д.Г. и др. Термоэдс, возникающие вдоль тонких металлических плёнок при лазерном облучении // Изв. АН СССР. Сер. Физика. 1991. Т. 55, № 7. С. 1343-1347.
5. Chang C.L., Kleinhammers A., Moultan W.G. et al. Symmetry-forbidden laser-induced voltages in YBa2Cu3O7 // Phys. Rev. B. 1990. V. 41, № 16. P.11564-11567.
6. Никишин В.А., Севенюк А.А., Сухов А.В. Термоэдс, индуцируемые наносекундным лазерным импульсом в плёнках высокотемпературных сверхпроводников // Квантовая электроника. 1991. Т. 18, № 9. С. 1103-1105.
7. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Александров В.А. Светоиндуцированная эдс в серебро-палладиевых резистивных плёнках // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36, вып. 14. С.79-87.
8. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н. Нанографитовый плёночный фотоприёмник // Нанотехника. 2007. Т. 3, № 3 (11). С. 19-24.
9. Стяпшин В.М., Михеев Г.М. Нанографитный лазерный датчик угла // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11, № 4. С. 539-544.
AN AUTOMATED SETUP FOR ANALYSIS OF OPTOELECTRICAL RESPONSE ORIENTATION DEPENDENCES IN CONDUCTIVE FILMS
Styapshin V.M., Zonov R.G., Mikheev G.M.
Institute of Applied Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The scheme and principle of operation of the original automated measuring setup for investigation of the spatial orientation dependences of optoelectrical response at laser irradiation in conductive films are presented. Measurements can be performed within incident angles from -90° to 90° and azimuthally angles in a range from 0° to 360° with accuracy 0.5°. The setup design prevents displacement of the irradiation zone centre on the testing film surface in all measurement range. The offered setup also can be used for calibration of angle meter devices based on conductive films.
KEYWORDS: measuring apparatus, laser radiation, film, optoelectrical response, orientation dependence.
Стяпшин Василий Михайлович, аспирант, младший научный сотрудник ИПМ УрО РАН, тел. (3412) 216-611, e-mail: [email protected]
Зонов Руслан Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПМ УрО РАН, е-mail: [email protected]
Михеев Геннадий Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ИПМ УрО РАН, тел. (3412) 218-955, е-mail: [email protected]
