Измерение сверхмалых масс
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
Измерение сверхмалых масс
Введение
Измерение сверхмалых масс является важной задачей при исследовании нано- и микромасштабных объектов [1-6]. В частности, такие объекты могут служить чувствительными элементами для измерения различных физических величин: температуры, давления и других [2-4,8]. Так по изменению массы нано- и микрообъектов можно судить о химических или биологических процессах протекающих на их поверхности [3-5].
Один из подходов определения массы микрообъектов заключается в исследовании частоты собственных колебаний самих микрообъектов, либо колебательных систем, к которым эти микрообъекты присоединятся [1,6,7]. Возбуждение собственных колебаний может происходить как механически, так и бесконтактно, например, лазерным импульсом. Детектирование колебаний осуществляется, в основном, оптическими методами [1,6-8]. Практически все из них налагают ограничения на размеры и качество отражающей поверхности исследуемых объектов и колебательных систем.
Интерферометрические измерительные системы являются наиболее чувствительными инструментами для регистрации и измерения широкого класса физических величин, в том числе параметров механических колебаний объектов [9]. Вместе с тем высокая чувствительность любого интерферометра делает его в значительной степени подверженным влиянию внешних факторов (изменению температуры, давления, неконтролируемых деформаций, микросейсмических вибраций и пр.)
Для решения задачи детектирования колебаний микрообъектов в настоящей работе используется адаптивный голографический интерферометр, основанный на двухволновом взаимодействии в фоторефрактивном кристалле (ФРК) [10]. Голографический принцип объединения волн в кристалле позволяет обеспечить точное согласование волновых фронтов опорного и объектного светового пучка [11]. При этом векторное взаимодействие волн с разным типом поляризации в ФРК кубической симметрии позволяет реализовать в интерферометре квадратурные условия [10], а адаптивные свойства динамической голограммы, формируемой в ФРК, постоянно поддерживать их [11]. Частота отсечки интерферометра - это величина обратная времени записи голограммы в кристалле. Все изменения, характерная частота которых меньше частоты отсечки, будут автоматически фильтроваться. Кроме того, данный интерферометр позволяет производить демодуляцию фазы волны, имеющей сложный волновой фронт. Это позволяет исследовать диффузно рассеивающие объекты.
Адаптивный интерферометр, обладающий как высокой чувствительностью, так и помехозащищенностью ввиду адаптивных свойств голограммы, позволяет производить измерения малых (величиной менее 1 нм) смещений и колебаний исследуемых объектов в условиях неконтролируемых изменений параметров окружающей среды (дрейф температуры, промышленные вибрации и пр.).
Вместе с тем, к настоящему времени данные о применении принципов адаптивной интерферометрии для регистрации колебаний сверхмалых объектов практически отсутствуют.
В этой связи целью данной дипломной работы явилась разработка, практическая реализация и исследование особенностей функционирования автоматизированной системы измерения сверхмалых масс на основе адаптивного голографического интерферометра.
Для достижения поставленной цели в дипломе решены следующие задачи:
разработка и создание экспериментальной установки на основе адаптивного интерферометра с использованием ортогональной схемы записи динамических голограмм в фоторефрактивном кристалле кубической симметрии;
экспериментальная апробация адаптивного голографического интерферометра в задаче регистрации колебаний прозрачных и слабоотражающих объектов размерами менее 1 мкм;
разработка и реализация системы возбуждения и регистрации собственных колебаний микрообъектов на основе импульсного наносекундного лазера;
экспериментальное исследование собственных колебаний микрообъектов, в том числе с переменной массой, с помощью адаптивного голографического интерферометра и лазерной системы возбуждения;
разработка и создание программно-аппаратного комплекса для автоматизации проводимых измерений.
интерферометр
1. Собстенные колебания микрообьектов
1.1 Методы расчета частоты собственных колебаний микрообъектов
Собственные колебания (свободные колебания) - это колебания, которые совершаются за счет энергии, сообщенной системе в начале колебаний (например, в механической системе через начальное смещение тела или придание ему начальной скорости, а в электрической системе - колебательном контуре - через создание начального заряда на обкладках конденсатора). Амплитуда собственных колебаний, в отличие от вынужденных колебаний, определяется только этой энергией, а их частота - свойствами самой системы. Вследствие рассеяния энергии собственные колебания всегда являются затухающими колебаниями.
Простейшим случаем собственных механических колебаний является колебания гармонического осциллятора. Гармонический осциллятор - это система, которая при смещении из положения равновесия испытывает действие возвращающей силы F, пропорциональной смещению x (согласно закону Гука):
F = - k x,
где k - положительная константа, описываю