diplomová práce

Analýza a ověření metody měření indexu lomu vzduchu pro laserovou interferometrii

Text práce 8.44 MB

Autor práce: Ing. Tomáš Pikálek

Ak. rok: 2015/2016

Vedoucí: Ing. Zdeněk Buchta, Ph.D.

Oponent: prof. Ing. Jiří Novák, Ph.D.

Abstrakt:

Práce se zabývá teoretickou analýzou a experimentálním ověřením nové přímé metody měření indexu lomu vzduchu, která využívá kombinaci laserové interferometrie a interferometrie nízké koherence. Základem metody je Michelsonův interferometr s trvale evakuovanou dvoukomorovou kyvetou. Rozdíl optických drah v komorách kyvety, který závisí na indexu lomu vzduchu, je nejprve vypočítán přibližně ze dvou bílých interferenčních signálů. Jejich analýzou ve frekvenční oblasti je zjištěna závislost fázového posunutí způsobeného vzduchem na vlnové délce ve vakuu, která je následně fitována teoretickou závislostí sestavenou pomocí Edlénových rovnic, čímž je získáno fázové posunutí pro vlnovou délku laseru. Pomocí dvojice laserových interferenčních signálů je tato hodnota zpřesněna a použita pro výpočet indexu lomu vzduchu. Nová metoda byla experimentálně ověřena, přičemž naměřené hodnoty byly srovnány se dvěma referenčními metodami, a byly též vyhodnoceny nejistoty provedených měření.

Klíčová slova:

index lomu vzduchu, interferometrie nízké koherence, laserová interferometrie, analýza ve frekvenční oblasti

Termín obhajoby

21.6.2016

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaAznamka

Klasifikace

A

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Aplikované vědy v inženýrství (M2A-P)

Studijní obor

Fyzikální inženýrství a nanotechnologie (M-FIN)

Složení komise

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)
prof. RNDr. Eduard Schmidt, CSc. (člen)

Posudek vedoucího
Ing. Zdeněk Buchta, Ph.D.

Úvodní část řešení diplomové práce věnoval Tomáš Pikálek detailní teoretické analýze původního návrhu nové metody pro měření indexu lomu vzduchu. V prostředí MATLAB sestavil komplexní simulaci navrženého způsobu měření indexu lomu vzduchu s využitím kombinace širokospektrálního a jednomodového záření, přičemž výsledky provedené analýzy poukazovaly na limity navrženého způsobu měření. Právě v této fázi řešení diplomové práce projevil Bc. Pikálek velkou míru samostatnosti, iniciativy a odborné erudice, když dokázal navrhnout a počítačově simulovat alternativní přístup ke zpracování interferenčních signálů tak, aby výsledná nejistota měření nové metody byla plně srovnatelná s již publikovanými metodami pro přímé měření indexu lomu vzduchu.

Druhá část řešení diplomové práce pak spočívala především v realizaci laboratorní sestavy interferometru a experimentálním ověření nové metody. I v této fázi řešení diplomové práce Bc. Pikálek vhodně využil své odborné schopnosti a programátorské dovednosti a v prostředí Matlab detailně analyzoval možný vliv volby optických prvků a nastavení interferometru na výsledek experimentu.

Nad rámec zadání diplomové práce věnoval Bc. Tomáš Pikálek nemalé množství času a energie zpracování řešené problematiky do podoby vědeckého článku, který následně splnil přísná kritéria recenzního řízení a byl úspěšně publikován v impaktovaném časopise Applied Optics (OSA).

Vlastní diplomová práce je zpracována velmi pečlivě a srozumitelně, jednotlivé pasáže textu na sebe logicky navazují. K názornosti a přehlednosti významně přispívá množství kvalitně zpracovaných obrázků. Práce poskytuje jak komplexní přehled s tématem souvisejících teoretických principů a metod, tak i detailně popisuje teoretický návrh, experimentální ověření a reálné limity nově navržené metody pro měření indexu lomu vzduchu.

Zadání diplomové práce bylo splněno více než dostatečně. Při zvážení hloubky zpracování zadaného tématu lze říct, že by předkládaná práce mohla být se ctí obhájena i jako práce disertační, což je dáno především neobyčejně aktivním a pečlivým přístupem Tomáše Pikálka k vědecké práci, kdy diplomant nekončí prostým splněním zadání, ale své práci dá vždy něco navíc. Samostatně, z vlastního zájmu, vyhledává související publikace, studuje do hloubky danou problematiku, tráví dlouhé hodiny experimenty v laboratoři a přináší nová řešení podložená detailní analýzou všech relevantních faktorů. Neobyčejné odborné schopnosti, pečlivost, samostatnost a v neposlední řadě spolehlivost a slušnost jsou důvody, proč pro mě byla radost a čest s kolegou Pikálkem na řešení diplomové práce spolupracovat.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
prof. Ing. Jiří Novák, Ph.D.

Předložená diplomová práce je věnována teoretické analýze a experimentálnímu ověření nové přímé metody měření indexu lomu vzduchu, která využívá kombinaci laserové interferometrie a nízkokoherenční interferometrie v experimentální sestavě, jejímž základem je Michelsonův interferometr kompenzovaný na disperzi s trvale evakuovanou dvoukomorovou kyvetou. Metody nízkokoherenční a laserové interferometrie jsou v posledních letech intenzivně rozvíjeny a aplikovány po celém světě pro různá vysoce přesná měření. Popsaná vyvinutá metoda je pěknou ukázkou vhodné kombinace metod nízkokoherenční interferometrie a laserové interferometrie. Téma diplomové práce je aktuální, jelikož vzduch se nejčastěji vyskytuje jako měřicí prostředí a zejména u vysoce přesných měření (délek, apod.) je nutné kompenzovat měření vzhledem k aktuální hodnotě a časovým fluktuacím indexu lomu měřicího prostředí. Práce rozšiřuje oblast přesných metod měření indexu lomu.
Diplomová práce je tematicky rozčleněna do sedmi kapitol, z nichž první tři kapitoly se zabývají skalárním popisem optických vlnových polí a jejich interferencí, metodami interferometrie s využitím vysoce koherentních a nízko koherentních zdrojů optického záření. Čtvrtá kapitola práce popisuje podrobně základní typy přímých a nepřímých metod měření indexu lomu vzduchu, který se nejčastěji vyskytuje jako měřicí prostředí a případné fluktuace jeho indexu lomu se významně projevují při vysoce přesných měřeních. V páté kapitole je podrobně teoreticky analyzována navrhovaná nová metoda přímého měření indexu lomu vzduchu s využitím kombinace laserové a nízkokoherenční interferometrie pro vyhodnocování měření. Jsou zde rozebírány jednotlivé faktory ovlivňující výslednou přesnost a opakovatelnost měření. Šestá kapitola popisuje návrh a experimentální realizaci laboratorní sestavy pro měření indexu lomu navrhovanou novou metodou a jsou diskutována praktická omezení měřicí sestavy. Poslední kapitola se poté zabývá experimentálním měřením a ověřením funkčnosti a přesnosti navržené metody měření indexu lomu na pracovišti ÚPT AV ČR. Výsledky testování prokázaly získání nejistoty měření indexu lomu vzduchu 3·10−8 a srovnatelnost s hodnotami získanými pomocí referenčních metod.
Práce je psána velmi pečlivě, téměř bez překlepů. Je vhodně doplněna mnoha ilustrujícími obrázky. Seznam použité literatury též plně odpovídá účelu práce. Obrázky a použitá literatura jsou v textu práce správně citovány. Na práci je nutno velmi kladně ohodnotit samostatnou činnost studenta, jelikož některé aspekty dané problematiky jistě přesahují požadavky stanovené v zadání práce. Též rozsah práce se jeví jako nadprůměrný. Výsledky práce, tj. navržená nová metoda a její analýza, byly publikovány jako článek v impaktovaném časopise Applied Optics.
    Jak je z výše uvedeného patrno, je předložená diplomová práce z odborného hlediska velmi hodnotná. Jejím rozsahem a hloubkou zpracování ji hodnotím jako vysoce nadprůměrnou, v určitém ohledu blížící se úrovni dizertační práce. Vzhledem k tomuto doporučuji navrhnout práci na udělení mimořádného ocenění diplomové práce děkanem fakulty.

Jelikož práce splňuje všechny požadavky na ni kladené, a v mnohém je dokonce vysoce překračuje, doporučuji práci k obhajobě a hodnotím ji klasifikačním stupněm A -výborně.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A

Známka navržená oponentem: A