УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ НА ПОГЛОЩЕНИЕ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ
DEVICE FOR DETERMINING OPTICAL ABSORPTION LOSSES IN THIN FILMS

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к исследованию материалов с помощью оптических средств, и может быть использовано 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, установленных 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 образца. 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 изобретения устройство направлено на упрощение конструкции и повышение потерь на поглощение в тонких пленках.
0
0
Указанный результат достигается тем, что устройство для определения оптических потерь на поглощение в тонких пленках включает лазерный резонатор с активным элементом, средствами его накачки и управления, средства измерения энергии или мощности лазерного излучения и установленную в резонаторе с возможностью ее перемещения перпендикулярно его оси относительно падающего на ее наклонный торец пучка излучения плоскопараллельную пластину с углом у основания θ, при этом на часть задней поверхности плоскопараллельной пластины нанесена испытуемая тонкая пленка в виде клина с углом при его вершине β, с минимальной толщиной d и максимальной 3d, при этом величины θ, d, и β определяются выражениями:
0
0
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;
0
θ - угол между плоскостью плоскопараллельной пластины и ее наклонным торцом, рад;
θ - угол падения излучения на пленку, рад;
a - диаметр лазерного луча, м;
β - угол при вершине клина испытуемой пленки, рад;
d - толщина испытуемой пленки, м.
Технический результат предлагаемого устройства - упрощение его конструкции, достигается за счет того, что в нем используется простой, легко изготавливаемый измерительный элемент (плоскопараллельная пластина), на который, применяя практически любой из известных способов нанесения пленок (термический, электронно-лучевой 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.
1
2
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 плоскопараллельной пластины. 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, 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 пластины, 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 n2 (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 (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 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 способе максимумы 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  то есть
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 изобретения поясняется примером его реализации и чертежами. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства; 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 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 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.
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 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 чертеже 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. И, таким образом, 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 энергией или мощностью, подаваемой на средство накачки для обеспечения устойчивой генерации, то по изменению подаваемой энергии можно судить и о 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 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.