2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
К АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭФФЕКТА АВТОДИННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СИГНАЛА В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ЛАЗЕРЕ 14
1.1 Автодииное детектирование в полупроводниковых лазерах 14
1.1.1. Полупроводниковые автодины на квантоворазмерных структурах 18
1.1.2. Принцип действия автодинной системы 20
1.2 Влияние движения внешнего отражателя на форму и спектр автодинного сигнала 23
1.2.1 Влияние внешней оптической обратной связи полупроводникового лазера на спектр интерференционного сигнала 23
1.2.2 Малосигнальный анализ характера искажений в спектре автодинного сигнала при гармонических вибрациях внешнего отражателя 27
1.3 Методы анализа сигнала полупроводникового лазера по его низкочастотному спектру 29
1.3.1 Определение амплитуды колебаний внешнего отражателя по номеру гармоники с максимальной амплитудой. 31
1.3.2 Определение амплитуды колебаний внешнего отражателя по четырем соседним гармоникам спектра автодинного сигнала. 33
1.3.3 Метод определения амплитуды колебаний объекта по двум первым гармоникам спектра автодинного сигнала. 35
1.3.4 Методы измерения сложных перемещений и скорости движения объекта по спектру сигнала полупроводникового лазера. 38
1.4 Применение полупроводникового лазерного автодина для контроля движений биологических объектов 49
2. АВТОДИННОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА 56
2.1 Спектр автодинной лазерной системы при токовой модуляции 57
2.2 Применение полупроводникового лазерного автодина с модуляцией длины волны излучения для определения профиля поверхности объекта 62
/
3
3. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ И СТЕПЕНИ ФОКУСИРОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ НА СПЕКТР АВТОДИННОГО СИГНАЛА
ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА 73
3.1 Зависимость формы автодинного сигнала от уровня обратной связи. 73
3.2 Влияние уровня обратной связи на результаты решения обратной задачи определения амплитуды колебаний внешнего отражателя по спектру автодинного сигнала. 80
I
3.3 Измерение параметров нановибраций лазерным полупроводниковым автодином при различной степени фокусировки излучения. 82
4. ПРИМЕНЕНИЕ АВТОДИННОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ
КОНТРОЛЯ СЛОЖНЫХ ДВИЖЕНИЙ БИЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 97
4.1 Особенности строения слухового аппарата. 97
4.2 Метод определения динамических параметров барабанной перепонки 103
4.2.1 Экспериментальное определение амплитуд колебаний барабанной
перепонки. 107
4.2.2 Измерение с помощью лазерного автодина смещения барабанной
перепонки при изменении уровня звукового давления 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118
Введение
К актуальным научным направлениям современной твердотельной электроники, физики полупроводников, радиофизики и оптики можно отнести исследование физических процессов в полупроводниковых элементах, используемых для генерации электромагнитных колебаний оптического диапазонов, таких как лазерные диоды на гетероструктурах и квантовых ямах [1-24].
Отличительными особенностями полупроводниковых источников электромагнитного излучения являются малые габариты, вес, потребляемая мощность от источника питания, возможность использования одного устройства для обеспечения различных радиотехнических функций. К числу физических явлений, использование которых позволяет создать устройства, допускающие совмещение различных радиотехнических функций, относится эффект автодинного детектирования в полупроводниковых лазерных диодах. Полупроводниковые лазерные диоды, работающие в режиме автодинного детектирования, могут быть использованы для контроля параметров технологических процессов [25-28], для измерения перемещений, скоростей, направления движения движущихся объектов, скорости течения жидкости, потока крови и движения глаз [29-31]. Для математического описания происходящих одновременно процессов детектирования и генерации приходится решать сложную систему нелинейных дифференциальных уравнений.
Р. Лэнгом и К. Кобаяши [32] была предложена модель, в которой лазерный диод описывается системой дифференциальных уравнений для амплитуды и фазы электромагнитного поля и концентрации носителей заряда. При этом в уравнение для амплитуды поля включено слагаемое, учитывающее внешнюю оптическую обратную связь.
Записанная система дифференциальных уравнений была использована в дальнейшем для оценки спектра мощности шума одномодового лазера [33], определения условий, при которых возможно уменьшение ширины линии
излучения полупроводникового лазера за счет внешней оптической обратной связи [34]. Экспериментальные результаты, подтверждающие возможность уменьшения ширины линии излучения, приведены в [35]. Авторами работ [33, 34] было установлено, что при низких уровнях обратной связи достигается значительное уменьшение ширины линии излучения и наблюдается частотная устойчивость. При повышении уровня обратной связи сначала наблюдается насыщение уменьшения ширины линии излучения, а затем - резкий переход в состояние, характеризуемое значительной шириной линией генерации. При этом было показано, что в зависимости от уровня обратной связи может возбудиться одна или несколько мод внешнего резонатора.
Значительный интерес к эффекту автодинного детектирования в полупроводниковых лазерах обусловлен возможностью создания на их основе простых измерительных датчиков с высокой чувствительностью к отраженному сигналу [36-41]. Система, состоящая из полупроводникового лазера и внешнего отражателя, сочетает функции генератора и детектора фазы электромагнитной волны в одном устройстве. Возвращенная в диодный резонатор внешним отражателем волна приводит к изменению концентрации носителей заряда в активной среде, а также связанному с концентрацией показателя преломления активной области. Изменение показателя преломления, в свою очередь, вызывает изменение оптической частоты генерации. В силу вышесказанного форма автодинного сигнала начинает отличаться от формы интерференционного сигнала, формируемого таким же движением отражателя в интерференционной системе с развязкой от источника излучения [42, 43].
Открытие автодинного эффекта в газоразрядных лазерах, наличие в них режима работы, когда автодинный сигнал аналогичен интерференционному (гомодинный интерферометр), и дальнейшее применение выявленных закономерностей для полупроводниковых лазерных излучателей, позволило создать измерительные системы, аналогичные
6
интерференционным системам с развязкой от источника излучения, но обладающие по сравнению с ними рядом преимуществ. Автодинныс системы вообще и, в частности, автодины на полупроводниковых лазерах, отличаются компактностью, в них отсутствует разделение светового луча на опорный и измерительный и не требуется юстировка опорного и измерительного плечей, вследствие их совмещенности.
Автодинные системы нашли применение для контроля перемещений. В частности, продемонстрирована их высокая чувствительность к микро- и нановибрациям и смещениям, кроме того, в ряде работ описаны способы измерений сверхмалых скоростей теплового расширения твердых тел в ограниченном временном интервале, проводимых на основе анализа низкочастотного спектра автодинного сигнала.
Однако методы анализа автодинного сигнала не всегда предоставляют исчерпывающее описание исследуемого процесса, поскольку результаты измерений сильно зависят от параметров внешней оптической обратной связи, что может привести к неоднозначности в определении искомых параметров, и неадекватности выбранной модели.
Область применения автодинных измерителей могла бы быть существенно расширена, если было бы возможно проводить измерения с высокой степенью локальности. Это позволило бы, в частности, измерять параметры вибраций биологических объектов, непосредственное измерение параметров движений которых затруднено вследствие их труднодоступности.
Однако при увеличении локальности отражения от объекта исследований увеличивается уровень внешней оптической обратной связи, что оказывает существенное влияние на форму автодинного сигнала полупроводникового лазерного излучателя и, как результат, на точность определения параметров движения отражателя в автодинных системах. В связи с этим актуальным явилось исследование степени фокусировки излучения полупроводникового лазерного автодина на низкочастотный спектр автодинного сигнала полупроводникового лазера.
7
Одним из преимуществ автодинной системы на полупроводниковом лазере является возможность создания систем измерения вибраций и перемещений методом, в котором измерительный сигнал сравнивается с известной эталонной величиной, и которой в данном случае является длина волны излучения полупроводникового лазера. В частности, таким образом измеряется величина смещения или расстояние до отражателя. Если же величина смещения оказывается существенно меньше длины волны лазерного излучения, то применяют метод возбуждения в объекте дополнительных колебаний с известными характеристиками [5]. Однако на практике реализовать колебательное движение объекта, расстояние до которого необходимо определить, не всегда представляется удобным и возможным. І Іозтому представляет интерес рассмотреть возможность замены необходимой для определения расстояния до объекта по набегу фазы вибрации отражателя с известными характеристиками периодической модуляцией длины волны излучения полупроводникового лазера, которая, в свою очередь, может быть достигнута, например, токовой модуляцией лазера. Однако исследование влияния токовой модуляции на спектр автодинного сигнала полупроводникового лазера и возможность применения режима модуляции частоты излучения полупроводникового лазерного автодина для определения расстояния до отражателя по соотношению гармоник спектра автодинного сигнала ранее проведено не было.
К настоящему времени не нашли широкого применения автодинные системы для контроля нановибраций и перемещений биологических объектов из-за трудностей анализа автодинного сигнала с изменяющимся уровнем обратной связи и необходимостью наложения дополнительных вибраций на объект. Исключительным в этой области биообъектом является барабанная перепонка, в которой реализация указанных методик не вызывает особых затруднений. Однако к настоящему времени методы диагностики патологических состояний колебаний барабанной перепонки не были разработаны на уровне, достаточном для широкого применения на практике.
8
В частности, не была определена амплитудно-частотная характеристика амплитуды колебания барабанной перепонки при различных уровнях звукового воздействия на нее, не установлены различия между амплитудно-частотными зависимостям барабанной перепонки в зависимости от уровня звукового давления при патологии и в норме.
Поэтому дальнейшие исследования эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых автодинах представляется актуальным.
В связи с вышесказанным в качестве актуальных задач диссертационной работы можно сформулировать следующее:
1. Исследование влияния степени фокусировки излучения на спектр автодинного сигнала полупроводникового лазера;
2. Исследование влияния режима токовой модуляции на спектр автодинного сигнала полупроводникового лазера;
3. Исследование возможности применения режима модуляции частоты излучения полупроводникового лазерного автодина для определения расстояния до отражателя по соотношению гармоник спектра автодинного сигнала;
4. Исследование возможности применения полупроводникового лазерного автодина для регистрации движений биомеханических систем in vivo для определения амплитудно-частотной характеристики амплитуды колебания барабанной перепонки при различных уровнях звукового воздействия на нее и для установления различия между амплитудно-частотными зависимостям барабанной перепонки в зависимости от уровня звукового давления при патологии и в норме. Таким образом, цель диссертационной работы можно сформулировать
следующим образом: выяснение влияния степени фокусировки излучения лазерного автодина, токовой модуляции частоты излучения полупроводникового лазера на спектр автодинного сигнала и исследование возможности применения результатов анализа спектра автодинного сигнала
для вибродиагностики механических систем на примере звукопроводящего аппарата человека.
Новизна исследований проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, состоит в следующем:
1. Исследован режим модуляции частоты излучения лазера, производимой посредством его токовой модуляции, и определено влияние токовой модуляции на спектр автодинного сигнала;
2. Исследовано влияние уровня внешней оптической обратной связи и степени фокусировки излучения полупроводникового лазерного автодина на низкочастотный спектр атодинного сигнала полупроводникового лазера;
3. Исследовано влияние движений отражателя на спектр автодинного сигнала полупроводникового лазера на примере барабанной перепонки человека.
Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается строгостью используемых математических моделей, соответствием результатов численного и натурного экспериментов. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением стандартной измерительной аппаратуры, высокой степенью автоматизации процесса регистрации экспериментальных данных, а также соответствием результатов, полученных в ходе определения параметров движения отражателя с помощью автодинной интерференционной системы, результатам, полученным с помощью альтернативных способов измерения параметров вибраций объектов.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
1. Разработан метод определения расстояния до объекта с использованием модуляции частоты излучения полупроводникового лазера, достигаемой модуляцией его тока питания.
10
2. Экспериментально показана возможность разработанных методов определения нановибраций для дифференциальной диагностики in vivo патологий органов слуха человека.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Существует однозначная связь между глубиной частотной модуляции, отношением амплитуд четных спектральных составляющих автодинного сигнала полупроводникового лазера на квантоворазмерных структурах и расстоянием до его внешнего отражателя;
2. Обогащение спектра автодинного сигнала с увеличением степени фокусировки излучения полупроводникового лазера и, соответственно, ростом внешней оптической обратной связи происходит за счет увеличения спектральных составляющих, амплитуды которых значительно меньше амплитуды максимальной спектральной составляющей. В то же время в отличие от обогащения спектра автодинного сигнала с ростом амплитуды колебаний отражателя номер гармоники с максимальной амплитудой практически не изменяет своего значения.
3. По изменению отношения амплитуд четных спектральных составляющих автодинного сигнала полупроводникового лазера можно определять нанометровые продольные смещения отражателя и амплитуды его вибраций. При этом с увеличением степени фокусировки излучения полупроводникового лазера увеличивается разброс, определяемого по cneicipy автодинной системы, значения амплитуды вибраций внешнего отражателя при практически неизменном ее среднем значении.
Апробация работы. Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета в 2005-2008 годы.
11
Основные положения и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались и обсуждались на
• Международной научно-технической конференции « «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине »-(г. Саратов 2007);
• Научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы», (г. Саратов. 14-15 февраля 2007);
• III Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (г. Москва. 3-6 июня 2008г.)
• Международной научно-технической конференции « «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине »-(г. Саратов 2008);
• XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Саратов 27-31 мая 2008г.)
Исследования выполнялись в рамках гранта РФФИ №05-08-17924 «Разработка математического аппарата и технологических решений, составляющих основу диагностических комплексов для анализа параметров движений объектов биологии и медицины».
Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 работ, в том числе 2 статьи в реферируемых научных журналах, одна из которых опубликована в журнале, включенном в перечень периодических изданий ВАК РФ.
Личное участие автора в этих работах выразилось в анализе влияния внешней оптической обратной связи и степени фокусировки излучения на точность определения вибрационных характеристик отражателя по спектру автодинного сигнала полупроводникового лазера, теоретической разработке и практической реализации метода измерения расстояний и профиля поверхности объекта путем модуляции его длины волны излучения, исследовании возможности применения разработанной методики
- Київ+380960830922