Лазерный гироскоп, датчиком или чувствительным элементом которого является кольцевой лазер, представляет собой научный прибор, все возможности которого ещё не раскрыты. Совместивший в себе достижения передовой техники - прецизионного машиностроения, вакуумной техники, тонкой оптической технологии и столь же передовой науки - квантовой электроники и теории относительности, этот прибор являет собой пример устройства с грандиозными возможностями. В силу своей природы он представляет собой объект, в котором "всё от всего зависит", и никакой зависимостью, вообще говоря, нельзя пренебрегать. Напротив, каждый из влияющих факторов должен быть изучен отдельно и независимо.
Кольцевой лазер состоит из оптического резонатора, активной среды и некоторого набора внешних устройств. Оптический резонатор образован несколькими отражающими поверхностями - зеркалами.
Как известно, наряду с зеркалами в кольцевом лазере могут использоваться призмы полного внутреннего отражения. Такой лазер имеет свои особенности, преимущества и недостатки. В дальнейшем рассматривается только лазер, образованный зеркалами.
Этот оптический резонатор включает в себя также стенки каналов, служащие протяжённой диафрагмой, активную смесь и неактивные примеси. Основные, но не исчерпывающие свойства резонатора определяются свойствами его зеркал.
В НИИ "Полюс" впервые в стране и в мире был создан уникальный по своей полноте комплекс измерительных средств (СИ) для производства зеркал кольцевых лазеров[1].
Появление такого комплекса СИ неразрывно связано с личностью основателя гироскопического направления в НИИ "Полюс" - Б.В.Рыбакова. Этому учёному, прошедшему становление в стенах ЛИП АН СССР (теперь - ИАЭ им. Курчатова АН РФ), не нужно было объяснять, насколько важно уметь измерять. Можно со всей определённостью сказать, что именно он определил задачи в этой области на несколько десятков лет вперёд.
Во-первых, необходимо было создать минимальный, но достаточный парк СИ оптических параметров для технологического контроля при серийном производстве зеркал.
Во-вторых, необходимо было исследовать и понять связь измеряемых параметров зеркал с техническими характеристиками кольцевого лазера.
В-третьих, сразу после подъёма колпака напылительной установки начинается жизнь покрытия. В конце его жизни нужно дать заключение (следуя медицинской терминологии - эпикриз), почему зеркало (или его покрытие) вышло из строя.
В данном обзоре рассмотрены только две первые задачи, ибо последняя характеризуется совершенно специфическим набором методов и средств анализа.
В нашем случае такие СИ оптических параметров имеют некоторые специфические особенности, характерные большинству других СИ в той или иной степени.
Во-первых, средства измерения оптических параметров являются средством контроля в определенной точке технологического процесса и, следовательно, точность и надёжность результатов измерений в значительной степени определяет степень качества продукции. Как известно, любое средство технологического контроля допускает возможность ошибок двух родов. Ошибка первого рода заключается в том, что изделие по существу являющееся браком, поступает на дальнейшие операции и брак выявляется на завершающих стадиях изготовления продукции. Ошибка второго рода заключается в том, что бракуется изделие, по существу годное. И та и другая ошибки вредны. И та и другая ошибки вызывают нарекания смежников и их желание убрать мешающий фактор - контроль - вовсе. Сокращение количества контрольных операций возможно и желательно, но только при условии полной стабильности технологического процесса. Технолог всегда должен иметь возможность произвести проверку в необходимых, по его мнению, точках и должен располагать всем набором исправных средств контроля или измерения.
Во-вторых, работа по улучшению технологии изготовления должна начинаться с опережающего развития методики и оборудования измерения и контроля тех параметров, которые не обеспечиваются созданным уровнем технологии. Рассматриваемые средства контроля являются датчиком в своеобразной цепи обратной связи и определяют технический уровень зеркал.
В нашей практике был такой эпизод. Для разработки модификации датчика требовалось изготовить невзаимный элемент с просветляющим покрытием, обладающим остаточным отражением менее 0,1%. Теория и номенклатура используемых веществ позволили спроектировать конструкцию такого покрытия (Т.А.Волкова). Однако, это существенно неравнотолщинное покрытие не было реализовано до тех пор, пока напылительная установка не была оснащена соответствующим средством контроля. Было потрачено около 10 лет на оснащение установки средством контроля и около месяца - на реализацию конструкции покрытия (Б.Г.Лысой).
В-третьих, рассматриваемые средства контроля представляют собой группу прецизионных средств измерения узко специализированного назначения. Потребность в таких СИ никогда не была и, по-видимому, никогда не будет большой. В силу специфичности все заботы о метрологическом обеспечении этих СИ лежат на плечах их разработчиков. К тому же, в силу общеизвестных причин, потребность в таких СИ в последние годы резко сократилась. Ещё больше сократилась возможность разработки новых СИ.
Пусть луч света (лазерного излучения) падает на зеркало (Рис.1.)и имеет интенсивность Io. Под интенсивностью излучения подразумевается любой энергетический параметр пучка излучения, например, мощность излучения.
Большая часть падающего излучения отражается, т.к. мы имеем дело с высокоотражающими зеркалами. Пусть интенсивность отраженного луча составляет IR. Некоторая часть падающего луча проходит сквозь покрытие и составляет интенсивность IT. Часть падающего луча поглощается внутри покрытия и переходит в энергию колебаний решетки или переизлучается в другом частотном диапазоне. Интенсивность этой части падающего луча IA. Часть интенсивности падающего луча, рассеиваемая в других направлениях, кроме направления зеркального отражения, составляет интенсивность рассеянного луча IS. Из закона сохранения энергии следует, что интенсивность падающего луча должна быть равна сумме интенсивностей лучей после отражения.
I 0 = IR + IS + IT + IA
Поделив почленно на I0 и используя обозначения:
R=IR/I 0- энергетический коэффициент отражения (далее, если не возникает недоразумения, слово
"энергетический" опускается);
S= IS/ I 0 - коэффициент интегрального рассеяния;
T= IT/ I 0 - коэффициент пропускания;
A= IT/ I 0 - коэффициент поглощения,
получаем закон сохранения энергии при отражении:
(1) R + S + T + A = 1
Наряду с коэффициентом отражения используется коэффициент потерь L:
L = S + T + A = 1 - R
Для зеркал лазерного гироскопа типичный масштаб рассматриваемых величин такой:
R » 0,999; L » S » 0,001 = 0,1%;
T » 3x10-4; A < 1x10-4.
Далее под оптическими параметрами зеркал лазерного гироскопа понимаются коэффициенты отражения (или потерь), пропускания, рассеяния и поглощения
Там, где это необходимо, в рассмотрение включаются величины, характеризующие состояние поляризации и её изменение, например, коэффициент отражения может рассматриваться и измеряться при двух линейных состояниях поляризации (ТЕ ="s" и ТМ = "p"). В этом случае изменение поляризации при отражении описывается параметром, называемым фазовой анизотропией.
Исторически первым средством измерения параметров зеркал была установка, созданная А.В.Мельниковым и основанная на методе, впоследствии получившем название метода внесения калиброванных потерь [2]. Установка позволяла измерять коэффициенты отражения зеркал (потерь) на длине волны излучения 633 нм в ТМ или ТЕ поляризации при угле падения от 15 до 60°. Воспроизводимость измерений составляла около 0.1%. Диапазон измерения коэффициента отражения составлял от 97 до 100%. Установка имела макетное оформление, мало пригодное для использования в производстве, даже мелкосерийном.
При подготовке серийного производства датчика была разработана и изготовлена установка етМ3.849.004.
Конструкторская проработка этой установки[3] была выполнена В.С.Грицаем.
В этой установке (Рис.2) элементы лазера размещались в специальном металлическом столе. Для защиты элементов лазера от пыли, а внутреннего объема резонатора - от конвективных потоков, предусмотрены кожухи, к которым может быть обеспечен подвод обеспыленного воздуха.
Установка позволяла измерять потери при двух состояниях поляризации и угле падения 45°. В отличие от первой установки, механизм внесения потерь содержал две кварцевые пластинки, отклонявшиеся от угла Брюстера в разные стороны для исключения перемещения луча по поверхности зеркал. для переключения поляризации подвижное зеркало подвижное зеркало установки размещалось на поворотном столе, имевшем две степени свободы. Измеряемое зеркало устанавливалось в оправку, имевшую возможность юстировки по двум осям.
Испытания установки показали, что в диапазоне потерь от 0 до 1% достигается воспроизводимость не хуже 0,05%. Следующая модификация установки (011) имела настольное исполнение (Рис.3).
Конструкторская разработка была выполнена В.Тиуновым и В.С.Грицаем. Оптические элементы этой установки укреплены на основании повышенной жёсткости. Юстировочные механизмы зеркал имеют дифференциальные винты и вкладыши для выборки люфтов. Юстировочные винты были снабжены отсчётными лимбами, позволявшими производить измерение углов, определяющих положение зеркал.
В этой модификации установки мы отказались от поворотного стола с двумя степенями свободы. Поворотный стол имеет только одну ось вращения, параллельную оси трубки. Вращением поворотного стола вокруг этой оси достигается переключение состояния поляризации. Перемещение плоского зеркала установки для образования линейного и Г-образного резонатора осуществляется путем перестановки оправы с зеркалом из одного юстировочного механизма в другой.
Благодаря такому конструктивному решению появилась возможность быстро менять длину волны излучения лазера (по крайней мере 633 или 1150 нм) путем замены комплекта зеркал. Отпала необходимость трудоемкой операции юстировки резонатора: достаточно на лимбах винтов юстировочных механизмов установить значения, полученные при заводской регулировке. Появилась возможность измерять коэффициенты потерь зеркал, нанесенных на сферические подложки определённого радиуса кривизны (1000 мм). Подвижное зеркало установки стало юстироваться так, чтобы не менялась зона падения луча. Все эти усовершенствования привели к улучшению точностных характеристик: воспроизводимость результатов составляла не хуже 0,03%.
Последующая модификация установки-"032" (Е.М.Тимофеев, А.Н.Назарова) не содержала поворотного стола, т.е. была предназначена для измерений только в одной ТМ-поляризации ("худшей"), зато имелся набор углов падения: 14, 42, 45, 52° (Рис.4). Метрологические характеристики при этом существенно не изменились.
Всего было изготовлено и эксплуатировалось не менее шести установок модели 011, 2 установки - 032, одна установка - 004 и одна макетная установка.
1.1.Решение проблемы обеспечения единства измерений.
Сравнительно большое число однотипных СИ обострило проблему единства измерений. Так, в 1988 г. в пределах доступности было 6 непрерывно эксплуатировавшихся установок.
Как известно, задача обеспечения единства измерений сводится к возможности указания для каждого результата измерений некоего интервала, называемого доверительным, в пределах которого действительное значение измеряемой величины находится с определённой вероятностью, называемой доверительной.
Для измерений величин, которые производятся массово, существует система эталонов, поверочных схем, средств передачи единиц измерения и т.д. В данном случае надеяться на образование подобной системы не приходилось, поэтому мы придумали и успешно применили для обеспечения единства измерений коэффициента потерь (отражения) статистический метод кругового сличения [4].
Идея кругового сличения состоит в том, что некоторое количество зеркал, предполагающихся неизвестными и неизменными, измеряются поочерёдно на всех установках. В качестве действительного значения коэффициента потерь каждого зеркала затем принимается значение, полученное усреднением результатов всех измерений на всех установках.
Статистической обработкой массива результатов измерений определяются также оценки неоднородности зеркал, случайной погрешности каждой установки, постоянная составляющая систематической погрешности и т.п. - всё то, что необходимо для решения задачи обеспечения единства измерений.
В первом цикле кругового сличения, проведённом в 1977 г., была получена оценка среднего квадратического отклонения (СКО) случайной составляющей систематической погрешности всего класса установок, которая оказалась равной 0,1%, причём в диапазоне измерения потерь от 0 до 0,5% она составляла 0,07%, а в диапазоне от 0.5 до 1% - 0,13%. Использование постоянных поправок уменьшало погрешность примерно вдвое, а поправок, зависящих линейно от измеряемой величины - почти на порядок.
Систематическое использование методики кругового сличения для поверки установок позволяло держать под контролем парк СИ и, своевременно проводя профилактические работы по юстировке установок, замене зеркал, и т.д., держать погрешность всех установок на уровне 0,02-0,03%, а лучшей - около 0,01%. В результате систематического применения методики кругового сличения для поверки установок появилась реальная возможность перешагнуть порог погрешности в 0,01%.
Описываемая методика кругового сличения обладает двумя существенными недостатками.
Во-первых, она чрезвычайно трудоёмка, т.к. зеркал должно быть не менее трёх для каждой точки диапазона измерений, измеряться они должны в двух поляризациях многократно и в нескольких (не менее 6) точках поверхности (всего 1944 измерения для существовавшего тогда парка установок).
Расчёты статистических оценок не представляют существенных трудностей, поскольку легко автоматизируются (первая программа статистической обработки разработана Е.А. Дмитриевой).
Вторым недостатком является то, что, находясь в рамках одного измерительного метода, мы не гарантированы от существования методической ошибки. На возможность существования такой погрешности косвенно указывает тот факт, что в нашей практике наблюдалось систематическое превышение суммы потерь зеркал, измеренных нашим методом, над суммарными потерями образованного ими резонатора, которые измерялись по ширине резонансного пика.
При статистической обработке результатов измерений в большинстве случаев используется нормальный (Гауссов) закон распределения погрешностей (НЗ). Это общепринятое правило - использовать НЗ, такое предположение кажется вполне естественным и в данном случае. К сожалению, в действительности это предположение совершенно несправедливо
Мы неоднократно исследовали эмпирические распределения величин оптических параметров и убедились, что они не соответствуют НЗ [5](Рис.5).
Главное отличие эмпирических распределений состоит в их несимметричности. Действительно, НЗ предполагает, что рассматриваемая величина теоретически может принимать любое значение от до . Практически это означает, что интервал возможных значений измеряемой величины должен быть много больше среднего квадратического отклонения (СКО), характеризующего данное распределение. В данном случае измеряемая величина (коэффициент потерь) принципиально ограничена положительными значениями и очень близка (по сравнению с СКО) к краю области определения.
В последнее время мы применяли метод внесения калиброванных потерь в несколько изменённом виде. Вместо измерения (индикации) интенсивности излучения из резонатора лазера с измеряемым зеркалом и без него (измерения потерь "по мощности генерации" - ИМГ) измеряется соответствующий "запас коэффициента усиления" (ЗКУ) (величина превышения коэффициента усиления над пороговым значением). Коэффициент потерь измеряемого зеркала определяется затем, как разность ЗКУ пустого резонатора и резонатора с измеряемым зеркалом. Условимся называть такой метод измерениями по порогу генерации (ИПГ).
Методу ИПГ присущи и преимущества и недостатки.
Метод ИПГ хорош тем, что, во-первых, допускает проведение измерений в многомодовом режиме генерации, существенно снижает требования к точности юстировки и повышает производительность. При измерении ЗКУ внесение калиброванных потерь автоматически влечёт выбор наиболее добротной осевой моды.
Во-вторых, метод ИПГ позволяет измерять сферические зеркала. Действительно, при ИПГ сферичность измеряемого зеркала влияет лишь на разность дифракционных потерь в различных состояниях резонатора, в то время как при ИМГ мощность генерации изменяется также из-за изменения активного объёма моды. Поэтому систематическая погрешность, обусловленная сферичностью подложки зеркала, в случае ИПГ существенно меньше.
Недостаток метода ИПГ следует из того, что в данном случае малая величина (около 0,001) -коэффициент потерь -получается как разность двух сравнительно больших (около 0,03) значений ЗКУ. Естественно было ожидать увеличения случайной составляющей погрешности измерений при методе ИПГ.
Действительно, оценка случайной погрешности измерений разными методами, сделанная на одной установке, показала увеличение СКО с 0,0025% для ИМГ до 0,01% для ИПГ. Мы предполагали также, что определённая ранее методом кругового сличения суммарная погрешность данной установки выросла при переходе на ИПГ с 0,02% до 0,03%, хотя и не имели возможности провести весь цикл кругового сличения. (Последний раз круговое сличение проводилось в 1992 г. Впоследствии сократилось число установок, находящихся в эксплуатации, и круговое сличение потеряло достоверность и актуальность.)
Третье преимущество ИПГ, тесно связанное с указанным недостатком: мы предполагаем, что при ИПГ закон распределения результатов измерений приблизился к нормальному. В пользу этого свидетельствует тот факт, что стали появляться физически бессмысленные отрицательные значения результата измерения коэффициента потерь. Однако систематическое изучение закона распределения после перехода на ИПГ не проводилось.
Ещё одно новшество было внедрено для частичной автоматизации процесса измерения методом ИМГ. Сигнал фотоприемника был подан через АЦП в компьютер, а управление АЦП осуществлялось по порту RS232 пусковым импульсом, выдаваемым формирователем при нажатии кнопки, расположенной на панели управления установки. Программное обеспечение предусматривало, что при первых N запусках АЦП производилось измерение зависимости мощности генерации от N заданных значений потерь, вводимых вручную механизмом внесения потерь. Для N+1 нажатия кнопки производилось измерение мощности генерации, а значение потерь вычислялось интерполяцией по измеренной зависимости. Результат измерения отображался на мониторе и мог сохраняться в базе данных и распечатываться. Оценки погрешности автоматизированного метода измерения, произведённые на одной установке, совпали с оценками, полученными без автоматизации на той же установке в результате кругового сличения. Более тонкие оценки требовали проведения полноценного кругового сличения, провести которое не представилось возможным.
1.2. Исследование зависимости дифракционных потерь, определение поправки на сферичность
Трёхзеркальный резонатор с механизмом внесения потерь предоставлял возможность измерения не только потерь на зеркале. Вместе с набором калиброванных диафрагм он дал возможность измерить зависимость дифракционных потерь от диаметра диафрагмы и сопоставить эту зависимость с результатами теоретического расчёта (Рис.6).
Интерес к измерениям дифракционных потерь был связан с необходимостью решить чисто утилитарную задачу - измерить коэффициент отражения покрытия, нанесённого на сферическую подложку. При обычных измерениях на установке для измерения потерь сферичность измеряемого зеркала вызывает изменение каустики и, соответственно, изменяются значения дифракционных потерь в прямом и Г-образном резонаторе. Изменение дифракционных потерь можно уменьшить, уменьшив сами дифракционные потери. Но тогда лазер будет излучать в плохо контролируемом режиме генерации поперечных мод. Некоторое преимущество в этом случае даёт способ ИПГ. В этом случае измеряется величина потерь, которые надо ввести в резонатор до исчезновения генерации, т.е. запас коэффициента усиления. При значительном увеличении потерь генерация осуществляется на продольной моде и в этом режиме зеркала резонатора юстируются по максимуму мощности генерации. Затем потери увеличиваются до порогового значения. Разность пороговых значений потерь пустого резонатора и резонатора с измеряемым зеркалом даёт величину потерь измеряемого зеркала. Поскольку диафрагмой в данном случае выступает некоторое эффективное значение внутреннего диаметра активного элемента, которое значительно больше размера пятна основной моды, резонатор имеет небольшую величину дифракционных потерь, и изменение конфигурации резонатора за счёт сферичности измеряемого зеркала мало влияет на результат измерения.
Практика показала, что в любых ситуациях на установке, имеющей длину резонатора 1290 мм при измерении потерь зеркал с радиусом кривизны 3600 мм погрешность, вызываемая изменением конфигурации резонатора, не превышает 0,1%, а реально в 3-5 раз меньше.
Для определения конкретной величины поправки на сферичность использовались два метода.
При одном из них плоские и сферические зеркала изготавливались по идентичной технологии, и поправка на сферичность определялась по результатам измерений статистическим методом.
Другим способом определения поправки на сферичность является использование деформируемого зеркала с переменным радиусом кривизны. В качестве такового использовалось плоское зеркало с тонкой (0,4 мм) мембраной. С другой стороны мембраны создавалось контролируемое разрежение с помощью вакуумного насоса.
Форма поверхности мембраны, которую она приобретает под воздействием атмосферного давления. достаточно сложна, однако в центре мембраны она с достаточной степенью точности может описываться сферой. Конечно, радиус кривизны мембраны может быть рассчитан теоретически - и это было сделано. Однако, значительно интереснее измерить этот радиус экспериментально. В принципе, такие измерения рутинно могут производиться с помощью интерферометра. Мы для измерения локального радиуса кривизны использовали всё ту же установку с Г-образным резонатором, которая используется для измерения потерь. В данном случае установка должна была иметь возможность изменять и измерять угол падения излучения. Наличие или отсутствие генерации определялось визуально. Сферическое измеряемое зеркало с радиусом кривизны R образует в такой установке астигматический резонатор, причем зеркало описывается двумя радиусами кривизны, равными Rx=Rcosjи Ry=R/cosj, где j - угол падения.
Двухзеркальный резонатор установки устойчив, и в нем существует генерация. Пусть в образованный на его основе Г-образный резонатор установлено зеркало с таким достаточно большим радиусом кривизны, чтобы при малом угле падения (cosj~1) резонатор также был устойчив. При увеличении угла падения на измеряемое зеркало (cosj®0, Rx®0)резонатор потеряет устойчивость - его дифракционные потери возрастут и генерация сорвётся.
Угол падения, при котором резко возрастают потери астигматического Г-образного резонатора, позволяет вычислить радиус кривизны измеряемого зеркала в зоне падения луча.
Описанный принцип бесконтактного лазерного сферометра был проверен на образцах зеркал известного радиуса кривизны и дал прекрасные результаты (Рис.7). Затем с помощью того же принципа была произведена калибровка мембранного зеркала и определена поправка на сферичность измеряемого зеркала.
Поправки на сферичность, определённые двумя способами, показали полное совпадение.
1.3. Исследование неоднородности покрытий.
Необходимость разобраться с поверхностной неоднородностью коэффициента отражения привела к созданию специализированной установки.
Установка существовала последовательно в двух модификациях: с линейным и Г-образным резонатором. Основные результаты были получены на установке с линейным резонатором. Г-образный резонатор не показал никаких качественных или количественных преимуществ, но был существенно сложнее в юстировке.
Установка для измерения неоднородности с линейным резонатором имела вертикальную ориентацию, - это позволяло класть измеряемое зеркало на двухкоординатный столик без каких-либо дополнительных оправок. Двухкоординатный столик был снабжён сервоприводом и аналоговыми датчиками положения по двум осям.
Юстировка резонатора установки могла производиться только вручную.
Хотя установка могла производить измерения в полуавтоматическом режиме с управлением от компьютера, отсутствие возможности автоматической юстировки не позволило полностью реализовать все возможности этой установки. Впоследствии по нашему ТЗ были разработаны чертежи исполнительного элемента - юстировочного механизма с приводом от шаговых двигателей и соответствующее устройство сопряжения с ЭВМ. Устройства подходили как для описываемой установки, так и для автоматизации установки для измерения потерь зеркал. К сожалению, финансовые трудности начала 90-х годов не позволили реализовать автоматизацию юстировок, и разработки остались на бумаге.
Резонатор установки содержал механизм внесения потерь, позволявший производить калибровку чувствительности установки. Имелась возможность изменять размер пятна на измеряемом зеркале путем изменения длины резонатора. Конечно, одновременно с этим изменялась чувствительность установки к потерям анализируемого зеркала и разъюстировкам. Чувствительность установки ограничивалась шумами, вызываемыми акустическими колебаниями, вибрацией и пылью в резонаторе. С применением специальных мер борьбы с шумами была получена рекордная чувствительность к изменению потерь, равная 1.10-6(1 ppm или 0,0001%).
В установке имелся также датчик для измерений относительной величины коэффициента рассеяния.
С помощью данной установки были получены следующие результаты. Неоднородность зеркал в основном носит случайный характер. Регулярные изменения коэффициента потерь полностью маскируются случайной компонентой. При размере пятна 0,3 мм СКО коэффициента потерь составляло от 4.10-5 до 3.10-4. При уменьшении размера пятна вдвое регистрируемая неоднородность возрастает почти на порядок. Наоборот, при размере пятна 0,6 мм неоднородность перестает регистрироваться, т.е. становится меньше чувствительности.
Основной причиной неоднородности являются точечные дефекты покрытия - включения, пылинки и т.п., имеющие размер 0,5 -10 мкм, равномерно распределённые по поверхности и вызывающие рассеяние (см. раздел 5). Однако, поскольку коэффициент взаимной линейной корреляции неоднородности коэффициента потерь и относительного коэффициента рассеяния составляет всего 0,8 - 0,9, не исключается существование другой причины возникновения неоднородности.
Например, осталась невыясненной возможность "различия" углов падения и отражения.
В данном случае вовсе не требуется подвергать сомнению основополагающий закон оптики, применимый и к плоским волнам и к локальному полю вблизи отражающей поверхности. Однако, если рассматривать отражение узкого лазерного луча в присутствии единичного малого (в сравнении с размером пятна) дефекта на плоской отражающей поверхности, смещённого от оси луча, то можно заметить, что максимум диаграммы направленности отражённого луча не совпадет с направлением, указанным законом отражения от плоской поверхности. Другими словами, наличие дефекта отражающей поверхности приводит к локальной вариации нормали к ней. Используя принцип оптической обратимости, мы должны предположить, что и угол падения тоже определен не совсем точно - опять же с точностью до вариации направления нормали.
В реальной ситуации внутри лазерного резонатора принцип оптической обратимости не работает, поскольку усиление неравномерно по углу, и различные угловые компоненты прямого и обратного лучей усиливаются по-разному.
Для наблюдения этого эффекта необходимо было бы сдвигать зеркало строго параллельно отражающей поверхности и подъюстировать зеркало на максимум мощности генерации. Отличие в угловом положении в различных точках зеркала указало бы на наличие искомого эффекта. Эффект, по-видимому, имеет величину не более нескольких угловых секунд, но мог быть обнаружен с помощью описанной установки с Г-образным резонатором. Проще всего было бы контролировать положение зеркала с помощью автоколлиматора достаточной точности.
1.4. Фазовая анизотропия
В то время как энергетически коэффициент отражения описывается двумя компонентами, фазовое анизотропия описывает изменение поляризации. По определению, фазовой анизотропией называется дополнительная к p (или 180°) разность скачков фаз p- и s-компонент отражённого света.
Простейший метод измерения фазовой анизотропии заключается в прямом измерении эллиптичности отражённого излучения [7]. Установка состоит из лазера , поляризатора , измеряемого зеркала , анализатора и фотоприемника с измерительным прибором. Для измерений при различных углах падения анализатор и фотоприемник расположены на основании, имеющем возможность поворота вокруг оси, лежащей в плоскости измеряемого зеркала . Поляризатор установлен так, чтобы электрический вектор составлял 45° с плоскостью падения. Анализатор вращают и измеряют максимальную и минимальную интенсивность прошедшего света (Imax и Imin соответственно). Модуль фазовая анизотропии вычисляется по формуле
|D| = 2e =2(Imin/ Imax)1/2
Для определения знака фазовой анизотропии приходится производить измерения при нескольких углах падения излучения j и либо находить угол фазовой изотропности j0, для которого |D(j0)|=0, либо использовать характер зависимости D(j)[5] .
По данной фотометрической схеме выполнена установка М3.849.013 (Рис.9).
В конце 80-х годов в СССР был налажен выпуск эллипсометров ЛЭФ-3М-1, работающих по методу гашения. Им свойственна точность измерения параметров, на порядок лучшая, чем фотометрическому методу.
Повышенная точность измерения фазовой анизотропии потребовалась при изготовлении зеркал для лазеров, работающих в четырёхчастотном режиме. Эллипсометры ЛЭФ-3М-1 удовлетворяли требованиям по точности, но не удовлетворяли - по диапазону углов падения. Нам нужно было измерять фазовую анизотропию при существенно меньших углах падения, а конструкция эллипсометра принципиально не могла позволить этого.
Расширение диапазона углов падения было достигнуто с помощью призменной приставки РДУП. Наибольшей проблемой при разработке РДУП было совмещение требований по юстировке эллипсометра с установленной приставкой с требованиями к точности измерений.
В конце 1989 г. усилиями нескольких организаций Сибирского научного центра СО АН СССР была решена проблема метрологической аттестации и поверки эллипсометров. Тогда было определено, что предельная погрешность измерения фазовой анизотропии составляет 10 угл.мин. (0,002 радиан).
Установка для измерения фазовой анизотропии, основанная на фотометрическом принципе, получила своё развитие в установке контроля призм. (Рис.10). Установка была предназначена для контроля поляризующих свойств покрытий деталей смесительного устройства четырёхчастотного кольцевого лазера, т.е. могла измерять коэффициенты отражения, пропускания и эллиптичность выходных лучей при любой поляризации падающего излучения и любом пространственном расположении входных, выходных и поляризующих граней призм и призменных устройств.
1.5. Амплитудная анизотропия.
Зеркала, предназначенные для работы в кольцевом лазере с круговой поляризацией волн, не должен вызывать изменения поляризации. Это требование становится особенно жёстким в том случае, когда лазер должен работать в так называемом четырёхчастотном режиме.
Известно, что изменение поляризации при отражении описывается двумя параметрами - амплитудным и фазовым. Амплитудной анизотропией зеркала называется величина c
c=|rs - rp|/|rs + rp|
Амплитудная анизотропия может быть вычислена, если известны оба энергетических коэффициента отражения. Например, они (точнее, соответствующие потери) могут быть измерены. Однако, требующаяся для зеркал кольцевого лазера точность много выше.
Недостаточна также точность определения этого параметра по эллипсометрическому углу y.
Для решения этой задачи была создана специальная установка, основой которой являлся вращающийся поляризатор, а сигнал амплитудной модуляции отраженного от измеряемого зеркала излучения был прямо пропорционален его амплитудной анизотропии. Для калибровки в установке использовался механизм, подобный механизму внесения калиброванных потерь.
Макетный образец "анизотропиметра" показал чувствительность около 10-5 и дал воспроизводимость результатов измерений 10-4.
Сравнительно легко был решён вопрос метрологической аттестации анизотропиметра. Для этого были созданы меры амплитудной анизотропии на основе соответственно подготовленных плоскопараллельных пластин, расположенных под заданным углом к падающему излучению.
Была разработана и конструкторская документация анизотропиметра (Ю.И.Гулин), однако опытный образец не появился по причине недостатка финансирования.
Как указано ранее, измеренные потери зеркал состоят из трёх частей: рассеяния, пропускания и поглощения. Для кольцевого лазера каждый из названных параметров важен по отдельности.
В частности, рассеяние определяет связь встречных волн, а это непосредственным образом связано с величиной захвата, дрейфа и точности лазерного гироскопа.
Первую установку для измерения интегрального рассеяния создали Б..Н.Семёнов и Т.С.Трояновская в 1968 г. Впоследствии ими же была разработана установка М3.492.002.
Установка представляла собой однолучевой фотометр, в качестве источника излучения использовался одномодовый гелий-неоновый лазер с управляемой диаграммой направленности. Модулятором служил обычный дисковый прерыватель с двигателем постоянного тока. В качестве фотоприемника служил фотоэлектронный умножитель. Измеряемый образец устанавливался у выходного окна светомерного шара так, чтобы отражённый луч выходил в другое окно светомерного шара. Система усиления и измерения сигнала состояла из измерительного усилителя и синхронного детектора.
Согласно технической документации установка позволяла измерять коэффициенты рассеяния на подложках в диапазоне от 0,05 до 0,005% и на зеркалах от 0,2 до 0,05%. Средняя квадратическая ошибка измерений была определена не более 10% от измеряемой величины.
Следующая модификация - установка контроля оптических элементов (2.859.002)(Рис.11)
Как в предыдущей установке, угол падения излучения на измеряемое зеркало составлял 4°. Однако, в отличие от предыдущей установки, для уменьшения влияния посторонних засветок здесь применён электромагнитный модулятор, работающий на частоте, не кратной промышленной. Установка может применяться также для измерения коэффициентов пропускания при углах падения от 0 до 80° и коэффициента отражения при угле падения 4°.
Диапазон измерения снизу ограничен у этой установки величиной 0,01% исходя из возможностей её аттестации. В действительности порог чувствительности, определяющийся фоновым излучением составляет около 0,001%. Погрешность измерений данной установки составляет 10% от измеряемой величины и проверялась с помощью калиброванных нейтральных светофильтров в режиме измерения коэффициента пропускания.
Существуют определённые проблемы в обеспечении единства измерений интегрального коэффициента обратного рассеяния. В том случае, когда применяется светомерный шар нашей конструкции, разные установки дают близкие результаты. В сравнении с установками других фирм наша даёт завышенные результаты (до 2-х раз) По нашим представлениям, причина такого отличия кроется в разном соотношении ширины диаграммы направленности излучения, отражённого от измеряемого образца и телесного угла выходного окна светомерного шара
Вторая проблема возникает при измерении некоторых образцов и проявляется в виде парадоксально низких коэффициентов рассеяния. Такой эффект, как нам представляется, объясняется специфической пятнистой структурой поля рассеяния когерентного излучения ("спеклом"). Спекл в поле рассеяния обычно имеет мелкозернистую структуру (с характерным размером около 1 мм). По-видимому, крупнозернистый спекл возникает, когда поле рассеяния обусловлено в основном малым количеством близко расположенных крупных дефектов. В случае крупнозернистого спекла на окно фотоприемника может попасть минимум интенсивности, что и приведет к аномально малому результату измерения. К сожалению, получить более конкретные значения, что нужно понимать под "малым" количеством, "близко" расположенных, "крупных" дефектов не представилось возможным.
Наряду с интегральным коэффициентом обратного рассеяния могут использоваться другие величины, характеризующие рассеяние.
Описанные установки, предназначенные для измерения интегрального рассеяния, позволяют измерять также коэффициенты зеркального и диффузного отражения в широком диапазоне - от 0,001% до 100%. Ограничение диапазона снизу указанным ранее значением 0,01% обусловлено возможностью метрологической проверки этого значения. Погрешность таких измерений сравнительно велика - 10% от измеряемой величины. В производстве сравнительно часто возникает необходимость проверки коэффициентов отражения - для проведения массовых измерений у нас был разработан портативный рефлексометр (авторы конструкторской разработки В.С.Грицай и А.Ф.Лавров). Он позволял измерять коэффициент зеркального отражения при угле падения 8° от 0,01% до 100% примерно с такой же точностью (10% относительных) на выделенных длинах волн в спектральном диапазоне от 0,35 до 1,2 мкм. Средством монохроматизации в нём служили интерференционные фильтры собственной разработки и изготовления. Прибор был изготовлен небольшой партией, продан сторонним потребителям, показал хорошие характеристики, но широкого распространения не получил.
Первоначально казалось, что интегральный коэффициент обратного рассеяния связан с рассеянием в моду "назад" через коэффициент пропорциональности. Однако, несколько попыток найти экспериментально связь захвата встречных волн в кольцевом лазере с интегральным коэффициентом обратного рассеяния закончились неудачно (Рис.12). (Следует, однако, особо обратить внимание на участок рис.12 б), где рассеяние меньше 0,1%). Несмотря на отсутствие очевидной зависимости, интегральный коэффициент обратного рассеяния используется у нас как показатель технического уровня исполнения зеркала, как технологический параметр.
 |  |
| Рис.12. а) Зависимость частот захвата "сверху" (·) и "снизу" (+) от суммы интегральных коэффициентов рассеяния зеркал наших приборов. б) То же, по материалам работы [10] , о - кварцевые подложки, D - подложки из галлий-гадолиниевого граната. Обычная технология. Рассеяние измерялось методом OCLI. | |
Естественно было найти параметр, более адекватно отражающий связь встречных волн кольцевого лазера через рассеяние. Например, для этого был изменен светомерный шар так, чтобы стало возможно проводить измерения при двух углах падения излучения на измеряемое зеркало. Предполагалось, что в том случае, когда спектр пропускания покрытия зеркала сравнительно узок, прошедший луч рассеивается на обратной стороне подложки и создает существенный вклад в измеряемую величину. Действительно, обычные зеркала при угле падения 45° дают рассеяние на 10-20% больше, чем при угле падения 4°. Узкополосные оксидные и обычные зеркала со смещённоё спектральной характеристикой при углах падения, отличных от номинального, дают сильно завышенные значения коэффициента рассеяния.
Для исследования поляризационных свойств рассеянного излучения была создана экспериментальная установка для измерения рассеяния назад, содержавшая кольцевой лазер с однонаправленной генерацией [9]. С помощью этой установки было получено, что интенсивность рассеяния в направлениях, близких к направлению назад, в р-поляризации больше, чем в s-поляризации. Предположительно, эффект вызывался тем обстоятельством, что, вследствие большей прозрачности границ для излучения р-поляризации в образовании отражённого луча задействовано большее число слоёв и, следовательно, большее количество межслойных и внутрислойных дефектов.
Приведенные в литературе различных авторов существенно меньшие значения коэффициентов рассеяния побудили нас на проведение соответствующих сравнительных исследований. Тогда было обнаружено, что используемые другими авторами установки имеют значительно большую угловую апертуру выходного окна светомерного шара. Так, апертура выходного окна установки фирмы Rockwell составляет 0,3 стерадиан (против 7.10-4 стерадиан в нашей установке). Мы воспроизвели установку, использовавшуюся фирмой OCLI (Optical Coating Laboratory Inc., USA). Эта установка по сути дела измеряет дифференциальное рассеяние при заданном положении фотоприемника (Рис.13). В качестве калибровочного используется сигнал от образца белой поверхности с известной, близкой к ламбертовской, индикатрисой рассеяния.
Важнейший результат, полученный на данной установке, заключался в том, что наши мультислойные зеркала незначительно отличаются по коэффициенту рассеяния от зеркал фирмы OCLI, заявленные как лучшие в мире зеркала для кольцевых лазеров [10]. C целью более полного исследования наиболее информативной части рассеяния, а именно - рассеяния назад, у нас была построена установка, в основных чертах повторяющая описанную в работе [11] . Основной частью этой установки является пластина ("полупрозрачная"), установленная под углом 45° к лучу, падающему на измеряемое зеркало. Пластина отражает рассеянное назад излучение в сторону фотоприемника. По сравнению с прототипом наша установка была дополнена устройствами для управления и анализа поляризации рассеянного излучения (поляризатор, пластинка l/4 и анализатор) (Рис.14).
Несмотря на то, что было исследовано около 150 образцов, никаких закономерностей между интегральным, дифференциальным и рассеянием назад выявлено не было (эта трудоёмкая, но, увы, безрезультатная работа была выполнена А.Г.Могильным). Зато была обнаружена невоспроизводимость всех измеряемых параметров от измерения к измерению и т.д. К сожалению, этот результат тогда не был понят. Потребовалось пятнадцать лет и, главное, уменьшение самого рассеяния (интегрального) на порядок, чтобы понять, что причина этого явления кроется в поверхностной неоднородности покрытия зеркала, обусловленная наличием дефектов. Стала также понятна полученная нами независимость связи встречных волн от интегрального рассеяния и предполагаемая зависимость, изображенная авторами работы [10] на рис.11 б).
Этот параметр измеряется проще всего. Как правило, для отладки технологического процесса достаточно измерить спектр пропускания покрытия. Точность, которую обеспечивают серийные спектрофотометры, не превышает 0.5 - 0,1%, и этого вполне достаточно для технологии. Аттестация спектрофотометра с чувствительностью, лучшей 0,1%, а тем более с такой точностью, была и, насколько мне известно, остается невозможна. Для измерения пропускания на рабочей длине волны мы использовали установку контроля оптических элементов, в которой удалось определить показатели точности до измеряемых величин в 0,01%.
Для точных измерений таких и ещё меньших коэффициентов пропускания была предназначена установка, в своей основе представлявшая собой двухлучевой фотометр [12], в котором луч сравнения образовывался при отражении от плоскопараллельной пластинки, наклонённой под углом Брюстера. Установка позволяла производить измерения коэффициентов пропускания от 0,4 до 0,001% с погрешностью не более 1% от измеряемой величины.
Поглощение является наиболее трудно измеряемой величиной.
Прежде всего, оно само по себе меньше других величин по крайней мере на порядок.
Попытки определить величину коэффициента поглощения из баланса энергии обречены на неудачу, т.к. сравнительно велики погрешности измерений других параметров. Кроме того, трудно обеспечить идентичность условий измерения других коэффициентов - углов падения и состояния поляризации.
С помощью НПО "Полярон" [13] у нас была реализована установка для измерения поглощения. Мощный He-Kr лазер с длиной излучения 0,69 мкм использовался для локального разогрева покрытия измеряемого зеркала. Измеряемое зеркало при этом использовалось как элемент резонатора этого лазера. Падающее на зеркало излучение зондирующего лазера имело мощность в несколько ватт. Одновременно измеряемое зеркало являлось элементом измерительного интерферометра, освещаемого лучом маломощного He-Ne лазера. Интерферометр, оснащённый блоком электроники и программным обеспечением, позволял регистрировать изменения длин до l/200 (l=633 нм).
Изменение геометрии поверхности зеркала вследствие локального разогрева лучом зондирующего лазера регистрировалось интерферометром, статистически обрабатывалось и пересчитывалось в коэффициент поглощения покрытия.
Установка продемонстрировала возможность регистрации коэффициентов поглощения порядка 10-6 , однако, использовать её для рутинных измерений для, например, отработки технологии нанесения высокоотражающих покрытий, не удалось по причине её сложности и, соответственно, малой надёжности.
Несмотря на очевидный недостаток -субъективность, общепринятые методы контроля оптических деталей и покрытий до сих пор включают в себя оценку внешнего вида.
Стандарт на оптическую частоту включает описание методов контроля, но ни критерии ГОСТа, ни методы контроля не гарантируют объективность получаемых оценок. Первое, что мы сделали, это более чётко регламентировали условия и методы контроля внешнего вида и чистоты поверхности покрытия. В основу метода была положена имитация микроскопического метода темного поля с помощью специальной оснастки к сравнительно дешёвому препаративному микроскопу.
В микроскоп покрытие выглядит как "звёздное небо" (Рис.15).
В начале 80-х годов на рынке появились средства контроля, которые могли бы составить основу для создания объективного метода - анализаторы изображения. Один из таких приборов оказался в нашем распоряжении. Он представлял собой качественный оптический микроскоп, оснащенный сменной оптикой, и позволяющий проводить наблюдения в темном поле. Оптическое изображение поступало на телевизионную камеру высокого разрешения. Телевизионный сигнал захватывался, вводился в компьютер и обрабатывался цифровыми методами. Программный инструментарий включал около 150 методов повышения качества изображения, отделения его от фона, фильтрации, фрагментации, измерений и статистических вычислений. По странному стечению обстоятельств, анализатор изображения имел физические интерфейсы для подключения устройств автоматической фокусировки, сдвига образца по двум координатам и т.д.- всего того, что необходимо для осуществления автоматизированных массовых измерений. Программное обеспечение включало несколько подпрограмм, обращавшихся к соответствующим устройствам. Однако, комплект микроскопа исполнительных механизмов не содержал.
По нашему ТЗ в НИИ была проведена разработка аналогичного устройства для объективного контроля чистоты оптических поверхности. Проще говоря, предлагалось создать специализированную установку контроля оптической чистоты поверхности, используя анализатор изображения в качестве прототипа. Однако, исполнители работы необоснованно сильно упростили алгоритм обработки телевизионного сигнала. Вместо цифрового анализа изображения был применен примитивный амплитудный дискриминатор на два уровня ("есть" сигнал от дефекта - "нет" сигнала) и схема измерения относительной доли сигнала "есть". В результате установка могла давать только результат измерения относительной доли дефектной поверхности. Скорее всего, это был бы параметр, полностью коррелированный с коэффициентом рассеяния.
Вторым недостатком разработанной установки оказалась недостаточная чувствительность. Чувствительности, может быть, хватало, чтобы измерить степень дефектности зеркал, но было совершенно не достаточно, чтобы измерять дефектность подложек.
Несмотря на указанные недостатки, на данную установку мы возлагали надежды получить точное позиционирование зеркал. Необходимость такого позиционирования стала ясна вместе с пониманием роли неоднородности покрытий по коэффициентам потерь и рассеяния. Позиционирование зеркала необходимо было выполнять с точностью около 1 микрона в области размером около 0,5 мм в центре покрытия, причём диаметр зеркала имел поле допуска 0,3 мм, а диаметр покрытия мог быть на такую же величину смещён относительно центра подложки. Необходимо также учитывать, что граница покрытия не могла быть определена точно.
Для решения задачи предполагалось нанесение неких реперных штрихов вблизи края покрытия, определяющих расположение координатных осей.
Надо отметить, что аналогичную задачу мы пытались решить ещё лет на десять раньше. Тогда нам представлялось, что, ограничив луч "мягкой" диафрагмой, расположенной на зеркале, мы можем существенно выиграть в уменьшении рассеяния назад стенками каналов, играющими роль "жесткой" диафрагмы. Стараниями сотрудников лаборатории напыления (а именно В.Л.Грачёва) такое "диафрагменное" зеркало было изготовлено, но оно так и не было измерено и не было испытано в приборе.
В тот же период времени были разработаны другие приборы и установки для технологии покрытий и узлов кольцевых лазеров. В их числе:
- Установка вакууммирования зеркал. Разрабатывалась большим коллективом под руководством Л.К.Ковалёва. Необходимость её разработки диктовалась особенностями высокоотражающих зеркал на основе соединений ZnSe-NaAlF6, особо чувствительных к влаге и кислороду воздуха. Установка позволяла получать вакуум степени 10-9 безмасляными средствами откачки. С переходом на мультислойные структуры оптических покрытий на основе соединений ZnS-MgF2-СeO надобность в этой установке отпала.
- Адгезиометр - прибор для измерения величины адгезии плёнки покрытия к подложке. Был изготовлен в единственном экземпляре и использовался в технологическом подразделении НИИ.
В НИИ "Полюс" создан уникальный по полноте комплекс средств измерений параметров покрытий зеркал кольцевых лазеров, включающий в себя:
- Установку для измерения потерь зеркал, модель004,
- Установка для измерения потерь зеркал, модель 011,
- Установка для измерения потерь зеркал, модель 032,
- Лазерный сферометр,
- Установку измерения неоднородности с линейным и Г-образным резонатором,
- Установку для измерения фазовой анизотропии,
- Призменную приставку РДУП к эллипсометру,
- Установку контроля призм,
- Установку контроля оптических элементов,
- Анизотропиметр,
- Меры амплитудной анизотропии,
- Установку для измерения рассеяния назад на основе кольцевого лазера с однонаправленной генерацией,
- Установку контроля оптических элементов,
- Рефлексометр ,
- Установку измерения дифференциального рассеяния,
- Светомерный шар для измерения рассеяния при различных углах падения,
- Установку для измерения рассеяния по методу Хайруллиной,
- Двухлучевой фотометр для точных измерений малого пропускания,
- Установку для измерения поглощения,
- Комплект оснастки для контроля оптической чистоты,
- Установку для объективного контроля чистоты,
- Установку вакууммирования зеркал,
- Адгезиометр,
Комплекс СИ и существующая технология изготовления покрытий вплотную подошли к принципиально важному рубежу в 0,01% значений параметра рассеяния и потерь.
Потери в основном обусловлены рассеянием, в свою очередь вызываемым точечными дефектами покрытий.
Для преодоления данного рубежа и дальнейшего уменьшения потерь и рассеяния необходимы кардинальные меры сначала в области создания следующего поколения СИ, затем в технологии подготовки подложек и нанесения покрытий и, наконец, нужно обеспечить сохранность высоких значений оптических параметров, как при изготовлении приборов, так и в течение срока службы.
В настоящее время значительная часть описанных СИ физически уже не существует, а их описание представляет интерес - увы! - скорее для исторической науки. Производство стало развиваться по своим сугубо прагматическим законам, то есть так, чтобы обеспечить максимальную эффективность. Но такова уж природа - на добывание новых фактов уходит много времени, сил и средств, а экономическая эффективность этой деятельности близка к нулю - именно так кажется непосвящённым.
Комплекс создавался усилиями многих людей - часть их упомянута в тексте, другие - в списке литературы. Особенно большой вклад внесли Б.В.Рыбаков, Ю.В.Демиденков, А.В.Мельников, С.С.Скулаченко, И.И.Юдин, М.М.Назаренко.
