СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ НА ПОГЛОЩЕНИЕ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ
METHOD OF DETERMINING OPTICAL ABSORPTION LOSSES IN THIN FILMS

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для определения параметров различных покрытий, используемых для изготовления оптических элементов и устройств, в том числе, отражающих, просветляющих, светоделительных и других.
Известен способ измерения коэффициента отражения, по которому измеряют световые потоки, отраженные от поверхности исследуемого образца и образца сравнения, которым является светоделительная пластина (SU 135256 [1]). Недостатком этого способа является необходимость независимого определения коэффициента пропускания светоделительной пластины.
Известен способ, по которому производят последовательные измерения световых потоков, отраженных от исследуемого образца и образца сравнения, изготовленного из непоглощающего и нерассеивающего материала (SU 1402864 [2]). Недостатком способа является низкая экспрессность, вызванная необходимостью определения пропускания образца сравнения, что требует изменения геометрии измерительной схемы и дополнительного количества измерений. При этом также уменьшается точность.
o
Rx
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, известный из RU 2033603 [3]. Способ заключается в следующем. Устанавливают пластину из исследуемого вещества в световой поток с интенсивностью I и измеряют сигнал I, соответствующий интенсивности потока, отраженного от образца. В этом случае искомый коэффициент отражения
Tэ
Затем в отраженный от исследуемого образца световой пучок устанавливают образец сравнения и измеряют сигнал I, соответствующий интенсивности света, прошедшего через образец сравнения. Для пропускания образца сравнения получают
Rэ
После этого убирают исследуемый образец, вместо него в то же положение устанавливают образец сравнения и измеряют сигнал l, соответствующий интенсивности отраженного от образца сравнения света. Для коэффициента отражения образца сравнения получают
Для непоглощающего и нерассеивающего материала образца сравнения выполняется соотношение
Из уравнений (2)-(4) получают уравнение (1) для искомого коэффициента отражения.
Недостатком является невысокая точность и невозможность измерения оптических потерь на поглощение в тонких пленках.
Заявляемый в качестве изобретения способ направлен на упрощение и повышение точности измерения малых оптических потерь на поглощение в тонких пленках.
o
о
Указанный результат достигается тем, что способ определения оптических потерь на поглощение в тонких пленках характеризуется тем, что направляют пучок излучения лазерного резонатора на наклонный торец установленной в нем плоскопараллельной пластины с углом у основания θ, на часть одной из плоскостей которой нанесена испытуемая тонкая пленка в виде клина с углом при его вершине β, минимальной толщиной d и максимальной 3d, перемещают пластину в направлении, перпендикулярном оси лазерного резонатора и проводят измерение энергии или мощности излучения, выходящего из лазерного резонатора, при отражении пучка от свободной от пленки плоскости пластины, а затем от части, покрытой пленкой, при различных толщинах клина пленки в точке отражения и по максимуму разницы измеренных величин судят о поглощении пленкой оптического излучения, при этом величины θ, d, и β определяют из условий:
о
o
1
1
θ+arcsin((cos θ)/n)≥arcsin(1/n),
где
1
n - показатель преломления пластины;
2
n - показатель преломления испытуемой пленки;
λ - длина волны лазера, м;
о
θ - угол между плоскостью плоскопараллельной пластины и ее наклонным торцом, рад;
θ - угол падения излучения на пленку, рад;
а - диаметр лазерного луча, м;
β - угол при вершине клина испытуемой пленки, рад;
d - толщина испытуемой пленки, м.
о
Предложенное решение, заключающееся в направлении пучка излучения лазерного резонатора на наклонный торец установленной в нем плоскопараллельной пластины с углом у основания θ, на часть одной из плоскостей которой нанесена испытуемая тонкая пленка в виде клина с углом при его вершине β, минимальной толщиной d и максимальной 3d и перемещении пластины в направлении, перпендикулярном оси лазерного резонатора, позволяет достичь следующих целей: упростить процесс измерения малого поглощения тонких пленок и повысить точность такого измерения.
Упрощение процесса измерения достигается за счет того, что в процессе измерения используется простой, легко изготавливаемый оптический элемент (плоскопараллельная пластина), на который, применяя практически любой из известных способов нанесения пленок (термический, электронно-лучевой и т.д.), можно нанести исследуемую клиновидную пленку. В процессе измерения 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 лазерного резонатора позволяет упростить конструкцию устройства для измерения поглощения в тонких пленках. При измерении малых поглощений в пленке уровень сигнала, выходящего из лазерного резонатора после многократных отражений от пленки, остается высоким благодаря большой яркости излучения и высокой добротности резонатора. Это значит, что для измерения не требуются сложные системы усиления и детектирования сигнала. Поскольку расходимость лазерного излучения невелика, отпадает необходимость в сложной собирающей и фокусирующей оптике.
0
Повышение точности измерения малого поглощения тонких пленок в способе достигается за счет того, что измеряемую пленку располагают в лазерном резонаторе, она нанесена на грань полного внутреннего отражения пластины и в процессе измерения поглощения в пленке достигается максимум поглощения. Использование лазерного резонатора с активным элементом, снабженным средствами его накачки и управления, средствами измерения энергии или мощности лазерного излучения позволяет существенно повысить точность измерения оптических потерь на поглощение в тонких пленках. Это объясняется тем, что измеряемая пленка размещена в лазерном резонаторе на пути луча и, благодаря этому, 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, увеличение суммарного поглощения излучения пленкой. Следовательно, 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 пластины, и, следовательно, при попадании луча на участок этой грани без нанесенной пленки потерь в резонатор при измерениях не вносится (фактически в этот момент производится измерение потерь от эталона). При перемещении пластины в направлении, перпендикулярном оси лазерного резонатора, лазерный луч перемещается по грани полного внутреннего отражения пластины и попадает на тонкую пленку. 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. На основании законов, описывающих отражение и преломление света (см. М.Борн, Э.Вольф. «Основы оптики», М., 1970) легко установить, что явление полного внутреннего отражения для грани основания используемой в способе пластины будет наблюдаться, если угол между ее основанием и наклонным торцом θ будет удовлетворять условию:
где
1
0
2
1
2
n - показатель преломления пластины. Применяемая в предлагаемом способе плоскопараллельная пластина изготовлена с углом между основанием пластины и ее наклонным торцом θ, удовлетворяющем условию (5). 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
Поскольку пленка поглощает, то n=-ik, и k - искомый показатель поглощения материала пленки, может быть вычислен из (6) - (13).
2
2
1
Система уравнений (6) - (13) 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 пластины (n=1,5), для излучения гелий - неонового газового лазера (λ=0,632 мкм) и угла падения излучения на пленку θ≈50° 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 максимальная точность определения потерь на поглощение в пленке будет наблюдаться для наибольшего из экстремумов 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 способе экстремум в зависимости потерь на поглощение от толщины пленки для толщин пленки, не превышающих λ, можно зарегистрировать при сканировании клиновидной пленки от одного конца клина (толщина пленки равна d) до другого (толщина пленки равна 3d).
-5
i
Выбор минимальной (d) и максимальной (3d) толщины пленки произведен на основании численного анализа уравнений (6)-(13). Установлено, что для малых толщин пленок (d<λ) и малых уровней поглощения пленок (k<10) максимум поглощения лежит в интервале толщин, определяемых условием 0,25≥δ≤0,75 (см. 13). Из этого условия минимальная толщина клина пленки d определяется следующим образом:
Выбор угла β обусловлен необходимостью ограничить максимальный набег фазы на диаметре луча лазера при наклонном его падении на пленку величиной, равной . Численное моделирование уравнений (6)-(13) показывает, что это требование обеспечивает достижение незначительного влияния набега фазы на диаметре луча лазера при наклонном его падении на пленку на точность измерения малых поглощений пленки предлагаемым способом.
2
Сущность заявляемого способа поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства, с помощью которого осуществляется процесс измерения; на фиг.2 пример зависимости потерь на поглощение от толщины пленки для поглощающей пленки ТiO; на фиг.3 пример зависимости мощности накачки от потерь на поглощение в пленке.
0
Устройство, с помощью которого осуществляется способ, 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 установлена с возможностью ее перемещения перпендикулярно относительно пучка излучения, падающего на ее наклонный торец, плоскопараллельная пластина 4 с углом у основания θ. На часть поверхности плоскопараллельной пластины нанесена испытуемая тонкая пленка 5 в виде клина с углом при его вершине β с минимальной толщиной d и максимальной 3d.
Способ осуществляется 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 с помощью известных средств, например ИМО-2Н (Россия) или OPHIR-32 (США), измеряют энергию или мощность лазерного излучения. Затем внутрь резонатора, образованного зеркалами 2 и 3, помещают плоскопараллельную пластину 4, на одной из поверхностей которой нанесена испытуемая пленка 5 в виде клина. Сначала пластину 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 пластину 4 смещают перпендикулярно относительно пучка излучения, падающего на ее наклонный торец (на чертеже показано стрелками) так, чтобы излучение попало внутрь пластины на какой-либо из краев нанесенной снаружи пленки, и определяют мощность или энергию лазерного излучения. И таким образом, процедуру повторяют, чтобы отражение пучка внутри пластины происходило в точках с разной толщиной пленки в точке отражения и фиксируют максимум разницы между измеренными величинами энергии или мощности. Поскольку уменьшение величины энергии или мощности лазерного излучения на выходе из резонатора свидетельствует о вносимых в него потерях, то по величине максимума разницы между измеренной мощностью или энергией излучения на выходе из резонатора для участков поверхности плоскопараллельной пластины с пленкой и без нее 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.
Второй 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 плоскопараллельную пластину 4, на одной из поверхностей которой нанесена испытуемая пленка 5 в виде клина. Сначала пластину 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. После этого снова добиваются устойчивой генерации при минимальной электрической мощности, подаваемой на средство накачки. Затем пластину 4 смещают перпендикулярно относительно пучка излучения, падающего на ее наклонный торец (на рисунке 1 показано стрелками) так, чтобы излучение попало внутри пластины на какой-либо из краев нанесенной снаружи пленки и определяют минимальную электрическую мощность, подаваемую на средство накачки, необходимую для устойчивой генерации. Фиксируют разницу, требуемую для накачки мощности в случае отражения от свободной поверхности и от поверхности с нанесенной пленкой. Процедуру повторяют, чтобы отражение пучка внутри пластины происходило в точках с разной толщиной пленки в точке отражения и фиксируют максимум разницы, требуемой для накачки мощности в случае отражения от свободной поверхности и в одной из точек с нанесенной пленкой. Поскольку величина потерь в резонаторе напрямую связана с 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.