Назначение
Система лазерная для измерений с временным разрешением нелинейных оптических восприимчивостей третьего порядка наноструктурированных материалов (далее по тексту -система лазерная) предназначена для измерений с пикосекундным и фемтосекундным временным разрешением соответственно нелинейных оптических восприимчивостей третьего порядка, отвечающих за процесс самовоздействия света в наноструктурированных полупроводниковых образцах, представляющих собой тонкие пленки толщиной от 5 до 100 мкм.
Описание
Принцип измерения значений нелинейной восприимчивости %(3)(ю; ю, -ю, ю) заключается в косвенном методе анализа изменения профиля пучка в дальнем поле. В систему лазерную входят два лазерных пучка, отличающиеся различными длинами волн и энергиями лазерных импульсов, которые и являются накачкой и зондом. Для накачки используется более коротковолновое лазерное излучение с большей энергией. Лазерный импульс с большей длиной волны и энергией на два порядка меньшей является зондом. В обоих пучках используется импульсное лазерное излучение в моде TEM00, обладающей гауссовским пространственным распределением, получаемой пропусканием лазерного импульса через пространственный фильтр. Использование линии задержки для излучения накачки обеспечивает измерение величин кубической нелинейно-оптической восприимчивости с временным разрешением.
Оба используемых лазерных пучка на выходе из линии задержки сводятся вместе при помощи дихроичного зеркала и далее распространяются по одинаковому оптическому пути. Излучение на обеих длинах волн проходит через фокусирующую линзу и исследуемый образец, который располагается на некотором расстоянии за плоскостью перетяжки фокусируемого зондирующего лазерного пучка. Прошедшее через образец зондирующее излучение выделяется с помощью фильтра, отражающего более коротковолновое излучение накачки. Для изменения интенсивности падающего лазерного излучения накачки используется оптический аттенюатор, состоящий из оптического фильтра с градиентным напылением металла, для которого коэффициент пропускания меняется при его смещении.
Измерения проводятся с использованием четырёх фотодиодов, регистрирующих следующие энергетические характеристики лазерного излучения:
- энергию падающего на образец лазерного импульса накачки;
- энергию падающего на образец зондирующего лазерного импульса;
- полную энергию прошедшего через образец зондирующего лазерного импульса (полное пропускание образца);
- энергию прошедшего через образец зондирующего лазерного импульса вблизи оси пучка (приосевое пропускание образца).
На каждый из диодов излучение отводится светоделительными пластинками с известными коэффициентами отражения. Диоды калибруются с использованием поверенного по ГОСТ 8.275-2007 измерителя энергии лазерных импульсов и светоделителя с известными коэффициентами отражения и пропускания.
Вычисление значений нелинейной восприимчивости х(3)(®; со, -т, т) проводится анализом зависимостей полного и приосевого пропускания образца от интенсивности излучения зондирующего излучения при заданных временах задержки между импульсами накачки и зонда согласно аттестованной “Методики измерений значений нелинейно-оптической восприимчивости для процесса самовоздействия света в наноструктурированных полупроводниках методом накачка-зонд”.
В качестве источников лазерного излучения могут использоваться пикосекундный Nd:YAG лазер EKSPLA PL2143A или фемтосекундный лазерный комплекс на кристалле хром-форстерита (производитель - ООО “Авеста-Проект”). Генерация длин волн различной частоты осуществляется либо посредством внутрирезонаторной генерации второй оптической гармоники либо с помощью параметрической генерации света. Общий вид источников лазерного излучения представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Общий вид пикосекундного Nd:YAG лазер EKSPLA PL2143A (а) и фемтосекундного лазерного комплекса на кристалле хром-форстерита (б).
(а)
(б)
Для обеспечения задержки между импульсами накачки и зонда используется управляемая с помощью ПЭВМ оптическая линия задержки (производитель - ООО “Авеста-Проект”), общий вид которой показан на рисунке 2.
Рисунок 2 - Общий вид оптической линии задержки.
(а)
(б)
Рисунок 3 - Маркировка лазеров. Места расположения маркировок лазера EKSPLA 2143A (а) и параметрического генератора света EKSPLA PG 501P (в) и их маркировки: (б) и (г) соответственно. Стрелками указаны места пломбирования.
Программное обеспечение (ПО)
ПО предназначено для управления оптической линией задержки и обработки сигналов, измеряемых с помощью фотодиодов. ПО запускается на ПЭВМ. Оно состоит из управляющей программы KFK.exe и служебных файлов ftbusui.dll, ftcserco.dll, ftd2xx.dll, ftd2xx.lib, ftdibus.sys, ftlang.dll, ftser2k.sys, ftserui2.dll, line_usb.dll, обеспечивающих перемещение каретки оптической линии задержки, считывание и оцифровку показаний фотодиодов, управление USB-портом, настройки, расчеты. ПО работает под управлением операционной системы Windows ХР. Основные характеристики ПО представлены в таблице.
Таблица 1
| Наименование программного обеспечения | Идентификационное наименование программного обеспечения | Номер версии (идентификационный номер) программного обеспечения | Цифровой идентификатор программного обеспечения (контрольная сумма исполняемого кода) | Алгоритм вычисления цифрового идентификатора программного обеспечения |
| Программа обработки данных и управления оптической линией задержки | KFK | версия 1.0 | A97ACCB6654D80 0E6FE68648E9DF6 674 (расчет по исполняемому файлу KFK.exe) | MD5 |
Метрологически значимая часть ПО скрыта от пользователя и доступна только при сервисном обслуживании. Идентификация программного обеспечения осуществляется проверкой соответствия серийных номеров аппаратной части программного обеспечения и программного обеспечения, установленного на персональный компьютер, при включении прибора. При этом также проверяется соответствие номеров драйверов, установленных с оригинальных дисков производителя и зарегистрированных в операционной системе персонального компьютера.
Программное обеспечение размещается в энергонезависимой памяти персонального компьютера, запись которой осуществляется в процессе производства. Доступ к программному обеспечению исключён посредством ограничения прав учетной записи пользователя.
Обмен данными между системой лазерной с оптической линией задержки и персональным компьютером осуществляется по порту USB.
Метрологически значимая часть программного обеспечения KFK имеет уровень защиты «С» от непреднамеренных и преднамеренных изменений в соответствии с МИ 3286-2010.
Технические характеристики
Метрологические характеристики системы лазерной представлены в таблице 2
Таблица 2
| Наименование характеристики прибора | Значение |
| Диапазон измерений нелинейной оптической восприимчивости третьего порядка, м2/В2 | 10-23 - 10-12 |
| Пределы допускаемой относительной погрешности измерения нелинейной оптической восприимчивости третьего порядка, % | ± 14 |
| Длительность лазерных импульсов, генерируемых пикосекундным лазером EKSPLA PL2143A, пс | 33 - 35 |
| Диапазон перестройки по длине волны лазерных импульсов, генерируемых пикосекундным лазером EKSPLA PL2143A, нм | 532 - 2100 |
| Диапазон энергий лазерных импульсов, генерируемых пикосекундным лазером EKSPLA PL2143A, мДж | 0 - 50 |
| Длительность лазерных импульсов, генерируемых фемтосекундным лазерным комплексом на кристалле хром-форстерита, фс | 70 - 150 |
| Диапазон перестройки по длине волны лазерных импульсов, генерируемых фемтосекундным лазерным комплексом на кристалле хром-форстерита, нм | 1000 - 1500 |
| Диапазон энергий лазерных импульсов, генерируемых фемтосекундным лазерным комплексом на кристалле хром-форстерита, мкДж | 0 - 4000 |
| Точность хода оптической линии задержки, мкм | 10 |
| Максимальная длина хода оптической линии задержки, см | 60 |
| Электропитание от сети переменного тока - напряжение питания, В - частота, Гц | 220 ± 22 50 ± 1 |
| Потребляемая мощность, не более, Вт | 2000 |
| Срок службы, не менее, лет | 5 |
| Условия эксплуатации - температура окружающей среды, °С - относительная влажность воздуха, не более, % - атмосферное давление, кПа | от +10 до +35 60 (при 20° С) от 84 до 106,7 |
| Г абаритные размеры, не более, мм | 1620x300x240 |
| Масса, не более, кг | 64 |
Знак утверждения типа
Знак утверждения типа наносится типографским способом на титульный лист Руководства по эксплуатации и на корпус прибора методом наклеивания.
Комплектность
Таблица 3
| Наименование | Количество, шт. |
| Пикосекундный лазер EKSPLA PL2143A | 1 |
| Параметрический генератор света EKSPLA PG501P | 1 |
| Фемтосекундный лазерный комплекс на кристалле хром-форстерита | 1 |
| Оптическая линия задержки | 1 |
| ПЭВМ | 1 |
| Диск с программным обеспечением | 1 |
| Руководство по эксплуатации, включающее методики поверки и измерений | 1 |
| Методика поверки МП 36.Д4-11 | 1 |
Поверка
осуществляется по документу: «Система лазерная для измерений с временным разрешением нелинейных оптических восприимчивостей третьего порядка наноструктуриро-ванных материалов. Методика поверки № 36.Д4-11» утвержденному ФГУП «ВНИИОФИ» 13 октября 2011г.
Основные средства поверки: государственные стандартные образцы нелинейной восприимчивости, отвечающей за процесс самовоздействия света, СОНВ-2-1 и СОНВ-2-2 (свидетельства об утверждении типа ГСО №№ 1665 и 1666 от 11.11.2010 г.).
Сведения о методах измерений
«Система лазерная для измерений с временным разрешением нелинейных оптических восприимчивостей третьего порядка наноструктурированных материалов. Руководство по эксплуатации». Раздел 2. Использование по назначению.
Нормативные документы
Техническая документация Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова “Система лазерная для измерений с временным разрешением нелинейных оптических восприимчивостей третьего порядка наноструктурированных материалов
Рекомендации к применению
Осуществление мероприятий государственного контроля (надзора) в области обеспечения единства измерений и оценке соответствия нелинейно-оптических констант полупроводниковых наноструктурированных пленок и фотонных кристаллов на их основе эталонным величинам аттестованных стандартных образцов нелинено-оптической восприимчивости.
