Современные методы измерения светового давления

3.3. Тензоэффект и датчики на его основе 

      Другим  эффектом, который получил широкое распространение в датчиках, является тензоэффект.

      Действие  тензорезисторов основано на известном явлении тензоэффекта - свойстве материалов изменять при деформации свое электрическое сопротивление. При этом считается, что сопротивление проводника или полупроводника зависит (при неизменном объеме) от его длины.

      Таким образом, при механическом воздействии  на проводник изменение сопротивления  вызывается изменением его длины, площади поперечно сечения или удельного сопротивления.

      Конструктивно тензорезисторы выполняют из проволоки, фольги или прямоугольников полупроводникового материала, наклеенных на тонкую бумагу или пленку лака. К концам тензоэлемента припаивают (приваривают) медные выводные проводники.

Рис. 6. Устройство проволочного (а), фольгового (б) и полупроводникового (в) тензорезисторов. 

      Параметры тензопреобразователей, используемых для измерений неэлектрических величин, во многом зависят от выбранного клея и качества наклейки на исследуемый объект. 

3.4. Волоконно-оптические датчики акустических волн 

      Наиболее  перспективными, на сегодняшний день, являются волоконно-оптические датчики. Их принцип работы основан на измерении  параметров излучения и создания с их помощью различных устройств (к примеру, интерферометр Маха-Центра).

      В соответствии с общепринятой классификацией волоконно-оптические датчики разделяют  как по признаку модулируемого внешним  воздействием параметра излучения, так и по признаку измеряемого воздействия. По первому признаку датчики делятся на интенсивностные, фазовые и поляризационные. При этом основные характеристики датчика (чувствительность к измеряемому воздействию, динамический диапазон, термостабильность и т.д.) во многом определяются модулируемыми свойствами излучения и световода.

      По  второму признаку разнообразие волоконно-оптических датчиков определяется разнообразием измеряемых физических величин. Однако необходимо подчеркнуть, что основной вклад в модуляцию параметров излучения в волоконных световодах обусловлен, как указывалось выше, фотоупругим механизмом и изменением геометрических размеров световода, т. е. деформационными воздействиями. Кроме того, для оптимизации характеристик датчика большое значение в ряде случаев имеет возможность увеличения длины взаимодействия, но лишь для определенного набора внешних воздействий удается реализовать их прямое преобразование в деформацию световода и, следовательно, изменение характеристик оптического излучения. В этом случае внешнее воздействие приложено непосредственно к световоду, т.е. нет промежуточных сред и преобразований.

      К построенным на основе таких преобразований можно отнести: датчики акустических волн, в которых на большой длине световода осуществляется фотоупругое взаимодействие; датчики угловых скоростей на основе эффекта Саньяка, чувствительность которых зависит от длины световода; датчики ускорений, чувствительность которых обычно не зависит от длины взаимодействия, однако может быть высокой в силу использования в них фотоупругого эффекта.

      В то же время чувствительность, например, датчиков электрического или магнитного поля прямого преобразования, которая определяется электрооптическими или магнитооптическими эффектами, мала по сравнению с неволоконными и неоптическими аналогами, в связи с чем уместно рассматривать датчики косвенного преобразования, в основе которых лежит фотоупругий эффект. К таким датчикам относятся датчики магнитного поля, для которых в стоящее время указаны методы достижения рекордных величин чувствительности. 

4. Методика измерения светового давления при помощи фотонного силового микроскопа 

      Исследования, опубликованные группой ученых из Institute of Photonic Sciences (Барселона, Испания) в журнале Physical Review Letters, показывают, что широко известная техника совмещения возможностей атомно-силовой микроскопии и лазерного излучения достаточно чувствительна, чтобы оценить силу так называемого радиационного давления [5]. Достаточно при помощи лазера «зафиксировать» частицу кремния размерами всего несколько микрон в оптической «ловушке», после чего можно измерить одновременно силы, действующие на нее, и свет, излученный с поверхности.

      Для измерения сил, действующих на кремниевые частицы в жидкости, исследователи  использовали фотонный силовой микроскоп (photonic force microscopy, PFM). PFM – это относительно новый представитель семейства сканирующих туннельных микроскопов; прибор представляет собой сочетание техники фотонной туннельной микроскопии и силовой микроскопии.

      Как известно, одна из главных проблем  при измерениях давления света –  малая длительность воздействия. Поэтому  для «удлинения» эффекта использовались флуоресцентные молекулы родамина, которые  излучают желтый свет под воздействием зеленого лазера. При облучении зеленым  лазером кремниевой частицы, покрытой родамином, была зафиксирована действующая  на частицу сила (фактически, толчок) порядка 300 фемтоньютонов. Сила исчезала вместе с прекращением флуоресцентного свечения.

      Ученые  считают, что, помимо довольно таки фантастического  применения давления электромагнитных волн в качестве теоретической основы для строительства так называемого  «солнечного паруса», можно придумать  и более близкие к практике варианты; например, лазерное охлаждение отдельных атомов и молекул.

      Исследователи планируют продолжить работу по поиску более совершенных методик измерения  с помощью PFM.

5. Заключение  

      Можно подвести основные результаты написанной работы:

1. Дан  краткий исторический экскурс  явления светового давления.

2. Рассмотрены основные эффекты, применяемые для детектирования давления и датчики на их основе.

3. Описаны современные методы измерения светового давления. 

6. Список литературы 

1. Овчинников А.В., Макарецкий Е.Б. Оптоэпектронный дистанционный измеритель давления на основе многослойных оптических структур // «Компоненты и технологии», №10 (2006).

2. Грызлов С. «Давление света» // «Квант», № 6 (1988).

3. Гармаш И.Р. Применение механотрона для определения светореактивного импульса при лазерно-плазменном воздействии на плоские мишени: Дипломная работа. / Рук. В.Н. Храмов. – Волгоград: ВолГУ, 2008.

4. Толстиков И.Г. Новые методы измерения параметров ударных волн. – Саров: РФЯЦ, ВНИИ экспериментальной физики, 2005.

5. Сайт: http://sci-lib.com/article343.html