УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ НА ПОГЛОЩЕНИЕ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к исследованию материалов с помощью оптических средств, и может быть использована для точных измерений оптических потерь на поглощение в тонких пленках.
Известно устройство, содержащее источник излучения, зеркальную систему, подвижный отражатель, при двух положениях которого образуется измерительный и опорный каналы, держатель образцов и приемник излучения (Бухштаб М.М. Измерение малых оптических потерь, Л., Энергоатомиздат, 1988, с.32. [1]). Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения и громоздкость устройства. Световой пучок сначала падает на вспомогательное зеркало и, только отразившись от него, попадает на образец, поэтому при двукратном зондировании требуется большое количество зеркал, а следовательно, усложняется юстировка устройства и увеличиваются его габариты.
Известно устройство для измерения спектральных коэффициентов пропускания и отражения, в состав которого входит источник излучения, зеркальная система, подвижные отражатели, формирующие опорный и измерительный каналы, держатель образцов, линза и приемник излучения. Измеряя отношение величины светового потока при одно- или многократном зондировании образца к величине светового потока, падающего на образец, определяют значение (квадрат, куб) абсолютного коэффициента отражения и пропускания (SU 1229661 [2]). Недостатком известного устройства является невозможность высокоточного измерения коэффициентов отражения и пропускания образцов с малой площадью при многократном зондировании, наличие большого количества зеркал, трудность в обеспечении равных потерь за счет отражения в соответствующих каналах, большие габариты устройства и сложность его юстировки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения спектральных коэффициентов пропускания и отражения известное из RU 2018112 [3]. Устройство содержит держатель образцов и оптически связанные источник излучения, зеркальную систему, подвижный отражатель, линзу и приемник излучения. Зеркальная система выполнена в виде прямой шестиугольной призмы с тремя отражающими боковыми гранями, две из которых расположены под углом друг к другу, а третья грань, заключенная между ними со стороны вершины угла, перпендикулярна двум прозрачным граням, параллельна плоскости установки образца и подвижному отражателю, состоящему из двух или большего количества зеркал, и установленного с возможностью поворота на 180° относительно оси, лежащей в плоскости установки образца. При этом призма симметрична относительно плоскости, перпендикулярной третьей отражающей грани, и установлена с возможностью поступательного перемещения перпендикулярно плоскости установки образец. Кроме того, в устройство введен компенсатор в виде поворачивающейся плоскопараллельной пластины с осью вращения, проходящей через центр симметрии пластины и перпендикулярной плоскости падения светового пучка на образец, установленный по ходу светового пучка между призмой и линзой.
Недостатком известного устройства является наличие большого количества зеркал, трудность в обеспечении равных потерь за счет отражения в соответствующих каналах, большие габариты устройства и сложность его юстировки.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство направлено на упрощение конструкции и повышение точности измерения оптических потерь на поглощение в тонких пленках.
Указанный результат достигается тем, что устройство для определения оптических потерь на поглощение в тонких пленках включает лазерный резонатор с активным элементом, снабженным средствами его накачки и управления, средства измерения энергии или мощности лазерного излучения и размещаемый на пути лазерного излучения измерительный элемент, выполненный в виде поворачивающей призмы полного внутреннего отражения, устанавливаемой с возможностью перемещения перпендикулярно оси резонатора относительно падающего на ее катетную грань пучка излучения, при этом на часть гипотенузной грани призмы нанесена испытуемая пленка толщиной d, определяемой по следующей зависимости:
где
d - толщина пленки, м
1
n - показатель преломления пластины,
2
n - показатель преломления испытуемой пленки,
λ - длина волны лазера, м;
θ - угол падения излучения на пленку, рад
Упрощение устройства для определения оптических потерь на поглощение в тонких пленках достигается за счет того, что в нем используется простой, легко изготавливаемый измерительный элемент - поворачивающая призма полного внутреннего отражения (ПВО), на который, применяя практически любой из известных способов нанесения пленок (термический, электроннолучевой и т.д.) можно нанести измеряемую пленку. В устройстве кроме названного элемента не используются какие-либо другие вспомогательные элементы (эталоны, пластины, зеркала и т.д.) и, следовательно, не проводят дополнительных измерений на этих элементах. Использование в предлагаемом устройстве для определения поглощения тонких пленках лазерного резонатора позволяет исключить применение в устройстве сложных систем усиления и детектирования сигнала. Это достигается благодаря тому, что уровень сигнала, выходящего из лазерного резонатора после многократных отражений от пленки, остается высоким в силу большой яркости излучения и высокой добротности резонатора. Поскольку расходимость лазерного излучения невелика, отпадает также необходимость в сложной собирающей и фокусирующей оптике. Эти особенности предлагаемого устройства упрощают его конструкцию.
Повышение точности измерения малого поглощения тонких пленок в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что измеряемая пленка расположена в лазерном резонаторе, она нанесена на часть грани полного внутреннего отражения поворачивающей призмы. Такие особенности предлагаемого устройства обеспечивают при измерении поглощения тонкой пленки достижение максимума поглощения лазерного излучения в пленке. Это объясняется тем, что при настройке резонатора в резонанс луч будет многократно отражаться и проходить сквозь пленку (благодаря явлению нарушенного полного внутреннего отражения), а это обеспечивает многократное увеличение суммарного пути, на котором излучение поглощается пленкой и, следовательно,
2
1
2
увеличение суммарного поглощения излучения пленкой. Средствами измерения энергии или мощности лазерного излучения будут регистрироваться при проведении измерений большие относительные изменения энергии или мощности, что позволяет повысить точность их измерения, и как следствие (см. ниже формулы расчета поглощения пленкой) повысить точность измерения малого поглощения пленки. Кроме того, при проведении измерений сохраняется высокая добротность лазерного резонатора, так как пленка нанесена на часть грани полного внутреннего отражения призмы, и, следовательно, при попадании луча на участок этой грани без пленки потерь в резонатор при измерениях не вносится (фактически в этот момент производится измерение потерь от эталона). Но и, когда луч попадает на пленку, при отражении от ее второй поверхности, как показывают расчеты, происходит также полное внутреннее отражение, и, следовательно, кроме потерь в пленке, других потерь в резонатор при измерениях не вносится. Пленка вносит в лазерный резонатор два вида потерь: малые потери на поглощение в пленке (фундаментальные для материала пленки, на дефектах в ней и т.д.) и потери, вызванные нарушением пленкой полного внутреннего отражения. Нанесение тонкой пленки с показателем преломления n(n≠n) нарушает полное внутреннее отражение на границе «пластина - пленка». В этом случае энергетические коэффициенты отражения, пропускания и поглощения R, Т, и А могут быть вычислены из следующих соотношений (см. М.Борн, Э.Вольф. «Основы оптики», М., 1970):
где
i+1
i+1
i
i+1
r и t - френелевские коэффициенты на границах раздела сред с показателями преломления n и n;
i
n - показатель преломления материала среды или пленки;
i
d - толщина пленки;
i
θ - угол падения или преломления на/в пленке;
при i=2
2
n - показатель преломления пленки.
2
2
2
2
Поскольку пленка поглощает, то n=ň-ik, и k - искомый показатель поглощения материала пленки, может быть вычислен из (1)-(8).
2
2
1
Система уравнений (1)-(8) позволяет по ряду измеренных значений R, или Т, или А определить характеристики поглощения пленки. Так по ним можно определить поглощение пленки заданной толщины или показатель поглощения материала пленки. Но точные решения для этой системы в общем виде найти крайне трудно. Как правило, предварительно строят кривые зависимостей потерь на поглощение от толщины пленки для некоторого интервала значений коэффициента поглощения. Затем, сопоставлением измеренных и вычисленных значений потерь на поглощение с помощью численных методов определяют характеристики поглощения: либо поглощение пленки заданной толщины, либо значения коэффициента поглощения материала пленки. Пример зависимости потерь на поглощение от толщины пленки для поглощающей пленки ТiO (n=2,3) и стеклянной призмы полного внутреннего отражения (ПВО) (n=1,5), для излучения гелий - неонового газового лазера (λ=0,632 мкм) приведен на фиг.2.
а
Видно, что для этих зависимостей характерно наличие максимумов суммарного поглощения (А) пленки для ряда толщин пленки. Из теории (см. М.Борн, Э.Вольф. «Основы оптики»», М., 1970) известно, что наличие таких максимумов, их положение и величина объясняются интерференцией многократно отраженных и преломленных от границ пленки лучей, на которые разбивается падающее на пленку излучение, при условии, что выходная граница пленки является поверхностью полного внутреннего отражения. Ясно, что высокая точность определения потерь на поглощение в пленке будет наблюдаться для максимумов на зависимости потерь на поглощение для заданного интервала
толщин пленки, поскольку в этом случае будут регистрироваться при проведении измерений наибольшие относительные изменения измеряемой энергии или мощности излучения, вышедшего из резонатора. В предложенном устройстве максимум поглощения для некоторой толщины пленки можно получить, если эта толщина определяется выражением:
где
2
d- толщина пленки, м
1
n - показатель преломления пластины,
2
n - показатель преломления измеряемой пленки,
λ - длина волны лазера, м;
θ - угол падения излучения на пленку, рад;
2
Выбор толщины пленки, определяемый выше указанной математической зависимостью (9), обусловлен тем, что в этом случае для δ, см. (8), имеем
2
δ≈0,5
-5
Численный анализ (1)-(6) показывает в диапазоне малых толщин пленок (d<λ) и малых уровней поглощения пленок (k<10) для толщин, удовлетворяющих (9), поглощение лазерного излучения пленкой в предлагаемом устройстве равно или близко к максимальному.
2
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером ее реализации и чертежами. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг.2 пример зависимости потерь на поглощение от толщины пленки для поглощающей пленки TiO; на фиг.3 пример зависимости мощности накачки от потерь на поглощение в пленке.
Устройство для определения оптических потерь на поглощение в тонких пленках включает лазерный резонатор с активным элементом 1, глухим зеркалом 2 и полупрозрачным зеркалом 3. Лазер содержит средства его накачки и управления (на чертеже не показаны в силу их известности). Устройство снабжено средствами измерения энергии или мощности лазерного излучения, которые могут быть выбраны из числа известных (на чертеже не показано). В резонаторе установлен измерительный элемент, выполненный в виде устанавливаемой с возможностью перемещения относительно падающего на нее пучка излучения поворачивающей призмы полного внутреннего отражения 4 на части
гипотенузной грани которой нанесена испытуемая пленка 5. Призма 4 установлена с возможностью ее перемещения перпендикулярно оси резонатора относительно падающего на ее катетную грань пучка излучения.
Устройство функционирует следующим образом.
Первый вариант. Включают средство накачки активного элемента 1 и с помощью органов управления добиваются стабильной генерации излучения через полупрозрачное зеркало 3. После этого на пути лазерного излучения внутрь резонатора, образованного зеркалами 2 и 3, помещают призму 4, на части гипотенузной грани которой нанесена испытуемая пленка 5. Сначала призму 4 устанавливают так, что после вхождения в нее пучка лазерного излучения он отразился бы от ее гипотенузной грани, на которую нанесена пленка, но от ее части, свободной от пленки. После этого снова добиваются устойчивой генерации при минимальной электрической энергии или мощности, подаваемой на средство накачки. Затем призму 4 смещают перпендикулярно оси резонатора относительно пучка излучения, падающего на ее катетную грань (на чертеже показано стрелками) так, чтобы излучение попало внутри призмы на нанесенную снаружи пленку и определяют минимальную электрическую энергию или мощность, подаваемой на средство накачки, необходимую для устойчивой генерации. Поскольку величина потерь в резонаторе напрямую связана с энергией или мощностью, подаваемой на средство накачки для обеспечения устойчивой генерации, то по изменению подаваемой энергии можно судить и об изменении величины потерь, а значит о величине потерь на поглощение в тонких пленках. В общем случае, коэффициент поглощения пленки невозможно выразить явно через измеряемые величины. Поэтому необходимо предварительно построить кривые зависимостей мощности накачки от потерь пленки. Пример такой зависимости приведен на фиг.3. Затем, сопоставлением измеренных и вычисленных значений мощности накачки определяют значения коэффициента потерь в материале пленки с помощью численных методов.
Второй вариант. Включают средство накачки активного элемента 1 и с помощью органов управления добиваются стабильной генерации излучения через полупрозрачное зеркало 3. После этого с помощью известных средств (например, могут быть применены ИМО-2Н (Россия) или OPHIR-32 (США) и другие) измеряют энергию или мощность лазерного излучения. Затем внутрь резонатора, образованного зеркалами 2 и 3, помещают призму 4, на одной из поверхностей которой нанесена испытуемая пленка 5. Сначала призму 4 устанавливают
так, что после вхождения в нее пучка лазерного излучения он отразился бы от ее поверхности, на которую нанесена пленка, но от ее части, свободной от пленки. Измеряют энергию или мощность лазерного излучения и фиксируют измеренные значения.
Затем призму 4 смещают перпендикулярно относительно пучка излучения (перпендикулярно оси резонатора), падающего на ее (на чертеже показано стрелками) так, чтобы излучение попало внутрь призмы на нанесенную снаружи пленку, и определяют мощность или энергию лазерного излучения. Поскольку уменьшение величины энергии или мощности лазерного излучения на выходе из резонатора свидетельствует о вносимых в него потерях, то по величине разницы между измерением мощности или энергии излучения на выходе из резонатора можно судить о величине потерь на поглощение в тонких пленках. Для этого предварительно строят по уравнениям (6)-(13) кривые зависимостей потерь на поглощение от толщины пленки для некоторого интервала значений коэффициента поглощения. Производят нормировку полученных зависимостей для применения в используемом резонаторе по ряду эталонов потерь, измеряя мощность или энергию излучения на выходе из резонатора при падении лазерного луча на участок поверхности плоскопараллельной пластины без пленки. Например, в качестве эталонов потерь могут быть использованы чистые плоскопараллельные стеклянные пластины. Затем, сопоставлением измеренных и предварительно вычисленных значений потерь на поглощение определяют значения потерь на поглощение для пленки заданной толщины или коэффициента поглощения материала пленки.