О принципах и подходах к автоматизации высокочувствительных лазерных методов количественного поляризационно-оптического анализа

Рассмотрена проблема автоматизации высокочувствительных лазерных методов количественного поляризационно-оптического анализа. Сформулированы основные принципы, определяющие подход авторов к разработке данной проблемы.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПОЛЯРИЗАЦИОННООПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Аналитические методы, основанные на использовании поляризационных свойств света, обладают высокой чувствительностью и позволяют регистрировать малые изменения оптических свойств, происходящие в изучаемых объектах по разным причинам [1–4]. Класс исследуемых процессов и объектов весьма велик: различные вещества и материалы (стекла, кристаллы, полимеры и др.), обладающие собственной или наведенной оптической анизотропией, границы раздела и т.д. [3–10]. Измерение оптического двулучепреломления (ДЛП) является одним из способов технологического контроля при создании оптических, оптоэлектронных, голографических и др. материалов и элементов [3, 9]. В последние годы в связи с развитием оптического и лазерного приборостроения особенно актуальной проблемой являются измерения и исследования малого (единицы градусов и менее) ДЛП. Чувствительность обычно используемых для этих целей традиционных методик и серийно выпускаемых приборов оказывается в ряде случаев уже явно недостаточной, что определяет необходимость развития соответствующих методов измерений и создания аппаратноинструментальных средств [11–14].

В ИАнП РАН разрабатывается поляризационно-оптический анализатор (ПОА), предназначенный для высокочувствительных исследований поляризационных характеристик прозрачных объектов. Принцип действия ПОА основан на глубокой модуляции поляризации зондирующего исследуемые объекты лазерного излучения с последующими выделением и регистрацией информативных Фурье-компонент в спектрах фототоков. Оригинальные измерительные конфигурации исключают влияние поверхностных поляризационных эффектов и позволяют количественно определять малое внутреннее ДЛП. Предельная чувствительность измерений нестационарного ДЛП ограничена только фотонными шумами зондирующего излучения (дробовым шумом фотоприема) и составляет около 2∙10– 4 угл. мин. [15].

Эффективность использования ПОА продемонстрирована на примерах исследований поляризационных характеристик прецизионных элементов поляризационной оптики и уникальных образцов совершенных оптических кристаллов [13, 16–20]. ПОА может найти широкое применение для лабораторных исследований и технологического контроля элементов и материалов высокого оптического качества, используемых в современном приборостроении, а также для исследований различных образцов, проб, лекарств, в материаловедении, биологии, медицине, экологии и т.д.

ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОА

Автоматизация исследований, проводимых с помощью ПОА, осуществляется системой автоматизации (СА), состоящей из аппаратных средств (АС) и программного обеспечения (ПО). Автоматизацию ПОА мы рассматриваем в контексте проблемы автоматизации поляризационно-оптических исследований и измерений в целом. Наш подход к вышеуказанной проблеме базируется на следующих основных принципах.

• 1.    Оптимальное распределение функций между АС и ПО, а также оптимальное соотношение аналоговой и цифровой обработки информации

• 2.    Разработка и использование специализированного ПО

• 3.    Совместимость разрабатываемого ПО с другими стандартными программными системами

• 4.    Максимальное использование готового (коммерческого) интерфейсного оборудования

Процесс регистрации информации на ПОА требует измерения малых информативных сигналов на большом уровне неинформативных компонент (фоновая составляющая). Основными элементами канала регистрации являются синхронные детек- торы и селективные усилители. С помощью этих устройств целесообразно одновременно производить фильтрацию сигнала и спектральный анализ. При этом существенно упрощается и удешевляется задача кодирования информации и ее ввода в компьютер.

Целесообразность разработки специализированного ПО обусловлена тем, что хорошо известные пакеты, например LabView и др., хотя и обладают универсальностью, но конкретные задачи решают менее эффективно, чем специализированные программы. Помимо этого, для профессиональных программистов готовые универсальные пакеты не дают заметного выигрыша в трудоемкости при создании ПО по сравнению с использованием языка программирования высокого уровня. В разработанной специализированной программе легко варьируются исходные параметры эксперимента и достаточно просто осуществляется оперативный контроль его протекания.

Поскольку при экспериментальных исследованиях, как правило, трудно предусмотреть заранее все возможные задачи по обработке и отображению полученной информации, то необходимо иметь возможность использования стандартных коммерческих программных пакетов, например Origin и др. С этой целью в разработанной системе предусмотрена запись получаемых данных как во внутреннем формате, так и в стандартных форматах представления данных в файлах.

Принятая структура СА существенно упрощает задачу ввода информации в компьютер. Для ее решения может быть использована, например, весьма простая, встраиваемая в компьютер, плата фирмы "Алтей", основой которой является 12-разрядный аналого-цифровой преобразова-тель(АЦП) с 8-канальным коммутатором сигнала на входе.

Окно программы ПОА-1, предназначенной для автоматизации количественного поляризацинно-оптического анализа

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ, ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОА-1 В ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКОМ

ЭКСПЕРИМЕНТЕ

На рисунке представлено основное окно экранного пользовательского интерфейса разработанной программы ПОА-1. Состояние окна соответствует окончанию регистрации ПОА-спектра в основном режиме работы установки — "Анализ". В верхней части экрана располагаются несколько окон, в которые выводятся параметры, измеряемые в ходе проведения эксперимента или рассчитанные по результатам измерений. В нижней части экрана размещаются две строки меню.

Верхняя строка меню задает режим работы ПОА-1. Помимо основного режима "Анализ" ПОА-1 может работать в режиме "Калибровка", в котором производится определение калибровочных коэффициентов установки; в режиме "Развертка по времени" и в специальном режиме "Ручной анализ". Режим "Развертка по времени" предназначен для исследования развития во времени процессов в исследуемых объектах. Этот режим может быть использован также для исследования стабильности параметров ПОА.

Нижняя строка меню задает операции, выполняемые при работе на ПОА. Ввод и отображение данных, задаваемых или используемых в этих операциях, производится в дополнительных окнах, открывающихся при активизации операций. Так, в основном режиме "Анализ" опция меню "параметры" задает исходные параметры эксперимента, такие как минимальное и максимальное значения сканируемой координаты Х , шаг по Х между измеряемыми точками и др. Опция "регистрация" запускает процесс регистрации ПОА-спектров. Всего в ходе одного эксперимента может быть снято до 20 спектров (сканов) с числом точек в каждом до 200. Остальные опции задают цвета и стили линий графиков спектров разных сканов, отображают параметры документа, формируемого в процессе эксперимента и сохраняемого в файле, и т. д.

В центральной части основного окна для примера представлены поляризационные характеристики опытного образца оптического стекла, снятые с помощью ПОА. Представленные характеристики получены в режиме "Анализ" при сканирующем просвечивании исследуемого образца лазерным излучением [19, 20].