СПОСОБ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ГЕНЕРАЦИИ ОТРАЖЕННОЙ ГИГАНТСКОЙ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ
METHOD OF CONTROLLING SURFACE ROUGHNESS BASED ON REFLECTED GIGANTIC SECOND HARMONIC GENERATION EFFECT

Изобретение относится к прецизионной измерительной технике, а именно к оптическим способам контроля шероховатости поверхности, и может быть использовано в различных отраслях науки и техники.
Из уровня техники хорошо известны технические решения аналогичного характера.
Так из уровня техники известно устройство для контроля качества поверхности, определения высоты шероховатости, выбора рациональных технологических процессов при создании полированных сверхгладких поверхностей в различных отраслях промышленности. Для осуществления контроля на контролируемую поверхность направляют монохроматический поток излучения под углом, не превышающим 10°, определяют интенсивность зеркально отраженного излучения и интенсивность излучения, отраженного в направлении, отличном от зеркального, под заданным углом, определяют отношение замеренных интенсивностей. Кроме того, дополнительно измеряют интенсивность излучения, отраженного от контролируемой поверхности под вторым углом, и определяют отношение дополнительно измеренной и зеркально отраженной интенсивностей, см., например, описание к авторскому свидетельству СССС №1839881, G01B 11/30, 1984.
Также из уровня техники известен активный бесконтактный способ измерения шероховатости шлифованной поверхности, при котором сканирующее устройство лазерного излучения направлено на участок зоны резания, отличающийся тем, что сканирующее устройство лазерного излучения, входящее в контрольно-передающий элемент, содержит генератор импульсов, диод лазерного излучения, линзовую фокусирующую систему излучения и приема луча, отраженного от измеряемой поверхности, фотоприемник, источник питания, усилитель сигналов, модулятор с передающей антенной, логическое устройство перемещения вдоль зоны контакта инструмента с заготовкой и микродвигатель с редуктором, при этом высокочастотный сигнал, излучаемый передающей антенной, воспринимается, усиливается и регистрируется приемным элементом, состоящим из приемной антенны, приемника, демодулятора, фильтра, выделяющего полезную составляющую, усилителя сигналов, аналого-цифрового преобразователя и прибора регистрации, см., например, описание к заявке № 2000119841, G01B 11/30, 2000.
Кроме того, известно устройство для контроля шероховатости поверхности изделия, содержащее оптическую систему, включающую в себя осветитель, ответвители падающего и отраженного излучения и электронный блок. Излучатель осветителя выполнен монохроматическим. Электронный блок состоит из фотопреобразователей части падающего и отраженного излучения, коммутатора, регистратора, источника питания, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера, контроллера интерфейса и энергонезависимого запоминающего устройства. Измерения проводятся в реальном масштабе времени по калибровочным кривым, хранящимся в энергонезависимом запоминающем устройстве, за счет вычисления коэффициента отражения вне зависимости от нестабильности интенсивности излучения осветителя, см., например, описание к патенту №2156955, G01B 11/30, 1999.
Помимо этого, известным является устройство, позволяющее повысить точность измерения для поверхностей деталей, изготовленных из материалов, отражающие свойства которых зависят от угла падения света. Устройство содержит пять приемников отраженного от поверхности излучения, расположенных симметрично относительно зеркального направления. Вычислительное устройство выдает усредненное значение параметров шероховатости, см., например, описание к заявке №94033271, G01B 11/30, 1994.
К недостаткам приведенных выше аналогов на основе использования оптических эффектов и когерентного излучения следует отнести, в частности, имеющую место зависимость интенсивности отраженного поверхностью зондирующего сигнала от оптических свойств материала образца, поверхность которого исследуется. Известным является способ снижения такой зависимости путем покрытия исследуемой поверхности, например, слоем серебра [1]. Однако в этом случае вертикальный рельеф исходной поверхности сохраняется лишь в среднем. Сохранение пиков в несколько десятков нанометров при этом вызывает сомнение, так как поверхность серебра не гладкая, а зернистая с размером зерен от несколько десятков нанометров до единиц микрон [1].
Наиболее близким аналогом изобретения является «Способ контроля шероховатости поверхности на основе эффекта фотолюминесценции частиц наноразмерного уровня», раскрытый в описании к заявке №2007137506, G01B 11/30, G01B 21/30, 2007. Для этого шероховатую поверхность покрывают слоем частиц наноразмерного уровня, а в качестве детектируемого информационного признака используют характерную фотолюминесценцию этих частиц, индуцируемую зондирующим лазерным излучением. Контроль шероховатости поверхности осуществляют по изменению характера интенсивности фотолюминесценции при изменении значений угла между осью зондирующего излучения и нормалью к шероховатой поверхности. В качестве материала частиц наноразмерного уровня используется, например, кремний.
Недостатком ближайшего аналога является зависимость частоты сигнала и интенсивности фотолюминесценции от размеров частиц наноразмерного уровня. Люминесцентные свойства системы кремниевых наночастиц существенно зависят от их средних размеров и структурной неоднородности. Влияние размерного фактора проявляется не только в изменении спектрального состава излучения вследствие изменения ширины запрещенной зоны нанокристаллита, но и в эффективности оже-процесса, сечение которого обратно пропорционально его размеру [2]. С уменьшением размеров нанокристаллов происходит сдвиг полосы фотолюминесценции в коротковолновую сторону и увеличение интенсивности свечения. На фиг.1 приведены спектры фотолюминесценции (ФЛ) образцов пористого кремния с размерами наночастиц, уменьшающимися от (1) к (3).
Данное обстоятельство требует расширения полосы пропускания оптического фильтра, предназначенного для разделения сигнала фотолюминесценции и фоновой засветки, что также снижает точность контроля шероховатости.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности контроля шероховатости поверхности.
Суть способа заключается в использовании для измерения шероховатости поверхности эффекта генерации отраженной гигантской второй гармоники (ГВГ), которая формируется за счет отражения от слоя частиц наноразмерного уровня, нанесенного на исследуемую поверхность. В качестве материала частиц наноразмерного уровня может быть использован полупроводник, например кремний или металл, например серебро.
Явление генерации отраженной ГВГ состоит в появлении электромагнитного излучения на удвоенной частоте при отражении лазерного излучения от поверхности нелинейной среды.
Появление новых спектральных компонент (например, гармоник, суммарных и разностных частот) при взаимодействии света с веществом можно понять из феноменологической модели нелинейно-оптической среды, как среды, обладающей нелинейной диэлектрической проницаемостью ε(E), зависящей от напряженности электрического поля Е световой волны.
Тогда электрическое смещение
NL
становится нелинейной функцией поля и содержит в качестве слагаемого нелинейную поляризацию P(E).
L
(1)
(1)
(n)
По аналогии с линейной поляризацией (дипольным моментом единицы объема) P(E)=χE, где χ по определению, линейная восприимчивость вещества, нелинейная поляризация может быть представлена в виде ряда по степеням поля с нелинейными восприимчивостями n-го порядка χв качестве коэффициентов этого ряда [3]:
(2)
L
Видно, что второй член разложения, квадратично зависящий от напряженности поля световой волны, будет источником излучения на удвоенной частоте. Действительно, при распространении плоской монохроматической световой волны  в нелинейной среде, обладающей нелинейной восприимчивостью второго порядка χ, будет возбуждаться поляризация  на частоте 2ω, которая и будет источником светового излучения второй гармоники (ВГ) [3].
Интенсивность излучения отраженной ВГ пропорциональна квадрату амплитуды нелинейной поляризации и для обыкновенной (не усиленной) ВГ имеет вид:
.
0
Если теперь рассматривать генерацию ВГ в малой металлической сфере (или другой усиливающейся структуре), вместо амплитуды внешнего поля Е в предыдущем нужно взять амплитуду локального поля [4]:
,
тогда
ω
где I - интенсивность излучения накачки.
L
L
res
Таким образом, интенсивность ВГ будет пропорциональна четвертой степени фактора локального поля на частоте накачки. Кроме того, в последнем выражении появляется квадрат фактора локального поля на частоте наведенного диполя (частота 2ω) из-за усиления излучаемого источниками ВГ. В случае резонанса, когда ω≅ω, будет наблюдаться сильное усиление интенсивности ВГ (т.е. будет наблюдаться гигантская ВГ) [4].
Эксперименты по генерации ГВГ проводили на шероховатой поверхности серебра при нанесении шероховатости с характерным размером 1 нм. Для нанесения шероховатости поверхность серебра помещали в электрохимическую ячейку и подвергали анодному травлению в соответствующем электролите (водный раствор КС1).
Исследования, проведенные на сканирующем туннельном микроскопе (СТМ), показали, что образовавшаяся при таком травлении шероховатость представляет собой группы шариков серебра с характерным размером 2-3 нм.
Вот эти металлические образования и ответственны за генерацию ГВГ.
На фиг.2 представлена модель шероховатости участка поверхности, заимствованная из действующего ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности».
В соответствии с предлагаемым способом первичным при оценке параметров шероховатости является измерение интенсивности ГВГ и определение на этой основе значений некоторых характерных углов между осью лазерного луча и нормалью к исследуемой поверхности.
кр
пред
На фиг.2 такие характерные углы обозначены θ и θ.
кр
Как видно из фиг.2, угол θ определяет крайнее угловое положение лазерного луча, при котором на поверхности частицы наноразмерного уровня не возникает области тени от шероховатости поверхности.
кр
Величина угла θ может быть оценена с использованием следующего выражения:
где H - высота элемента шероховатости,
S - полуширина элемента шероховатости.
кр
пред
При превышении текущего значения угла θ величины θ поток энергии возбуждения ГВГ уменьшается вследствие эффекта экранирования (затенения) возбуждаемой частицы шероховатостью поверхности и, в конце концов, частица полностью попадает в область тени. При этом генерация ГВГ прекращается. Отсюда другим параметром, характеризующим рассматриваемый способ, является угол θ, при котором располагаемая на поверхности частица полностью попадает в область тени от неровности микрорельефа.
пред
Значение величины θ можно оценить при использовании следующего соотношения:
где R - радиус частицы наноразмерного уровня.
2ω
Характер изменения интенсивности ГВГ I(θ) частиц наноразмерного уровня на идеально ровной поверхности во всем диапазоне изменения угла θ, в общем случае -π/2<θ<π/2, определяется соотношением:
кр
пред
2ω
кр
пред
В случае реальной поверхности характер изменения интенсивности ГВГ становится зависимым от параметров шероховатости поверхности. При изменении угла в θ диапазоне θ<θ<θ характер изменения интенсивности ГВГ I(θ<θ<θ) частиц можно получить путем вычисления отношения площади сегмента сечения частицы, затененной выступающей неровностью поверхности, к общей площади сечения частицы. В этом случае искомое отношение имеет следующий вид:
где k - отношение затемненной части диаметра сечения частицы к ее диаметру.
кр
пред
Таким образом, величина интенсивности ГВГ локальных участков поверхности в зоне лазерного пятна является детектируемым информационным признаком, по которому определяются характерные углы θ и θ. На основании измеренных углов, известных размеров частиц наноразмерного уровня и формул (1) и (2) вычисляются параметры шероховатости локального участка.
Ниже приводится описание графических материалов, никоим образом не ограничивающих все возможные варианты осуществления изобретения.
На фиг.4 представлен вариант блок-схемы устройства для реализации способа контроля шероховатости поверхности локальных участков и всей поверхности путем сканирования ее локальных участков. Ниже приведена нумерация элементов блок-схемы, их наименование и используемые далее сокращения:
1 - зондирующий лазер (ЗЛ),
2 - луч зондирующего лазера (ЛЗЛ),
3 - лазерное пятно (ЛП),
4 - поляризатор (П),
5.1, 5.2 - оптические линзы (ОЛ),
6 - исследуемая поверхность (ИП),
7 - узкополосный оптический фильтр ГВГ (УОФ),
8 - фоторегистрирующее устройство (ФРУ),
9 - гигантская вторая гармоника (ГВГ),
10 - электронно-вычислительное устройство (ЭВУ),
11 - монитор ЭВУ (МЭВУ),
12 - электромеханическое поворотное устройство (ЭПУ),
13 - электромеханическое координатное устройство (ЭКУ),
OXYZ - система координат,
OXZ
OYZ
θ, θ - углы между нормалью к исследуемой поверхности и осью ЛЗЛ в плоскостях OXZ и OYZ соответственно.
Для интегрального контроля шероховатости устройство, реализующее его, должно обеспечивать сканирование исследуемой поверхности в плоскости OXY. Для этой цели служит ЭКУ (13). Причем название «электромеханическое» не ограничивает возможность включения в его состав высокоточных устройств перемещения по координатам плоскости OXY с применением прецизионных устройств на других принципах, например, на пьезоэлектрическом.
Для изменения угла между осью ЛЗЛ (2) и нормалью к исследуемой поверхности служит элемент блок-схемы ЭПУ (12).
При этом ЭКУ (13) позволяет измерять координаты (x, y) исследуемого участка поверхности, а ЭПУ (12) - угол θ между осью ЗЛ (1) и нормалью к исследуемой поверхности. Для наглядности, на фиг.4 ЭПУ (12) дополнен утолщенной кривой, показывающей, в частности, как именно изменяется угол в θ плоскости OXZ.
Необходимые для возбуждения ГВГ (9), характеристики ЛЗЛ (2) формируются П (4) и ОЛ (5.1).
Сигнал ГВГ (9) формируемый частицами наноразмерного уровня, находящимися под ЛП (3) на ИП (6), поступает через ОЛ (5.2) и УОФ (7) на вход ФРУ (8).
Информация с выхода ФРУ (8) обрабатывается в ЭВУ (10). Результаты обработки информации с выхода ФРУ (8) выводятся на МЭВУ (11).
Ниже приводится пример осуществления изобретения, никоим образом не ограничивающий все возможные варианты его реализации.
кр
кр
пред
пред
Лазерное пятно (3) помещают с помощью ЭКУ (13) в заданную область поверхности с координатами ее центральной точки (x, y). Далее изменяют угловое положение лазерного луча в общем случае в диапазоне 0<θ<π как в плоскости OXZ, так и в плоскости OYZ, находя в каждом случае по две пары значений характерных углов (-θ, θ) и (-θ, θ) в плоскостях OXZ и OYZ соответственно.
кр
пред
Сканируя по исследуемой поверхности, определяют массив значений углов θ и θ, привязанный к координатам исследуемой поверхности.
Путем соответствующей обработки массива данных получают характеристики шероховатости исследуемой поверхности, например максимальные величины неровностей, среднеарифметическое значение, среднеквадратическое отклонение, корреляцию между ближними и удаленными участками поверхности и др.
Ниже представлены результаты качественного анализа предлагаемого способа.
кр
пред
В табл.1 приведены исходные данные и результаты расчетов θ и θдля принятых исходных данных.
кр
пред
В табл.2 представлены оценки высот шероховатости поверхности, соответствующих θ и θ в табл.1, для 2R=5 нм.
Таблица 1
№ п/п
H
S
R
θ<sub>кр</sub>
θ<sub>пред</sub>
1
<img file="00000012.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
θ<sub>пред</sub>=52,2°
2
h
<img file="00000013.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000014.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
θ<sub>кр</sub>=26,6°
θ<sub>пред</sub>=39,4°
3
<img file="00000015.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
θ<sub>пред</sub>=32,9°
Таблица 2
№ п/п
θ<sub>кр</sub>
θ<sub>пред</sub>
H, нм
Класс чистоты
1
θ<sub>кр</sub>=26,6°
θ<sub>пред</sub>=52,2°
10
∇14
2
θ<sub>пред</sub>=39,4°
20
∇I3
3
θ<sub>пред</sub>=32,9°
40
∇I2
Для сопоставления точности контроля шероховатости поверхности в соответствии с предлагаемым способом в табл.2 приведены обозначения классов чистоты поверхности, соответствующие оценкам высот шероховатости. Отметим, что ∇14 соответствует наивысшей чистоте обработки поверхности.
кр
пред
На фиг.3 представлены графики зависимости интенсивности ГВГ от угла в θ диапазоне θ<θ<θ, построенные с использованием данных табл.2 и формул (3) и (4).
Анализ представленных на фиг.3 графиков показывает, что предложенный способ контроля может быть использован для контроля широкого диапазона шероховатостей поверхности, однако предпочтительным является его использование для оценки поверхностей с высоким классом обработки.
Последнее замечание позволяет отнести предлагаемый способ к прецизионным способам контроля шероховатости поверхности.
В качестве фоторегистрирующего устройства (8) может быть использован фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) или приборы с зарядовой связью (ПЗС). Частотную избирательность ФРУ (8) обеспечивает УОФ (7), настроенный на пропускание ГВГ. В качестве УОФ (7) может быть использован дифракционный оптический фильтр.
Оптические линзы (5.1), (5.2), П (4) и УОФ (7) особенностей не имеют.
Частицы наноразмерного уровня могут быть получены, например, путем механического измельчения вещества, из которого они создаются.
Существующие технологии наноуровневых структур уже сегодня позволяют создавать частицы наноразмерного уровня, а также покрывать ими поверхность с контролируемым значением слоев и плотности частиц на единицу площади поверхности.
Таким образом, предлагаемый способ контроля шероховатости поверхности может быть реализован с использованием современных технологий, в том числе нанотехнологий, и существующего электронного, оптического и электромеханического оборудования.
Литературные источники
1. Г.Р. Исследование поверхностного микрорельефа при помощи многолучевых интерференционных полос равного хроматического порядка. Успехи физических наук, том LII, вып.4, 1954.
2. И.В.Блонский, М.С.Бродин и др. Влияние неоднородности структуры на люминесцентные свойства кремниевых нанокристаллов. Физика низких температур, т.28, №8/9, 2002.
3. О.А.Акципетров. Нелинейная оптика поверхностей металлов и полупроводников. Соросовский образовательный журнал, т.6, №12, 2000.
4. О.А.Акципетров. Гигантские нелинейно-оптические явления на поверхности металлов. Соросовский образовательный журнал, т.7, №7, 2001.