Автоматизированные измерения интенсивностей и фаз слабых световых потоков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л. В. КИРЕНСКОГО

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ И ФАЗ

СЛАБЫХ СВЕТОВЫХ ПОТОКОВ

Специальность 01.04.01. "Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор, член корреспондент РАН, Шабанов В. Ф.

Красноярск-98

На правах рукописи УДК 532.783; 535.411; 548.0

Шестаков Николай Петрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА. 1. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

АБСОЛЮТНЫХ СЕЧЕНИЙ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ (КР) 7

§1.1. Проблема измерения абсолютных сечений КРС 7

§ 1.2. Прямые измерения абсолютных сечений КРС 9

§1.3. Измерение мощности падающего луча 10

§ 1.4. Регистрация мощности рассеянного света 11 §1.5. Измерение телесного угла О и длины луча / регистрируемых

спектрометром 11

§1.6. Сечение КР 12

§ 1.7. Экспериментальная установка 13

§1.8. Учет аппаратных искажений 14

§ 1.9. Приготовление образцов 15

ГЛАВА 2. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ПРОФИЛОГРАФ 18

§2.1. Постановка задачи. Проблема интерференционной профилометрии 18

§2.2. Оптическая схема и принцип действия 20

§2.3. Устройство измерения сдвига интерференционных полос 23

§2.4. Влияние частоты и формы модуляции 27 §2.5. Алгоритм реверсивного счета целых и дробных долей

интерференционных полос 28

§2.6. Калибровка 31

§2.7. Клиновидность воздушного зазора между образцом и эталоном 32

§2.8. Исследование погрешностей 33

§2.9. Дифференциальная схема профилографа 36 §2.10. Исследование горизонтальной разрешающей способности

лазерного профилографа 40

ГЛАВА 3. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ УСТУПОВ

ПОВЕРХНОСТИ С КРУТЫМИ СТЕНКАМИ 43

§3.1. Введение 43 §3.2. Автоматические измерения уступов поверхности 11>А/4 на одной длине

волны света 46 §3.3. Измерение высоты уступов АУ4 <Ь<А,/2, известного знака, на одной длине

волны. 48

§3.4. Двух волновые измерения уступов с крутыми стенками 50

стр.

§3.5. Будущее 54

ГЛАВА.4. ИНТЕНСИВНОСТЬ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА

55

§4.1. Постановка задачи 55

§4.2. Молекулярный кристалл в поле световой волны 56

§4.3. Поляризация кристалла 58

§4.4. Абсолютные сечения КРС кристаллов парадигалоидзамещенных бензола 63

§4.5. Абсолютные сечения КРС метахлорнитробензола 72

§4.6. Обсуждение экспериментальных результатов 76

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 80

ЛИТЕРАТУРА

82

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Проблема измерения интенсивностей и фаз слабых световых потоков является общей в оптике и спектроскопии. В настоящей диссертационной работе проблема измерения интенсивностей слабых световых потоков будет рассмотрена применительно к измерению абсолютных сечений КР, а фаз на примере измерения интерферограмм полированных поверхностей.

На протяжении нескольких десятков лет задача измерения абсолютных сечений КР является актуальной. Наряду с очевидными применениями для измерения тензора рассеяния молекул и кристаллов абсолютные сечения рассеяния могут послужить хорошей основой для экспериментальной проверки теории КРС.

Проблема измерения фаз световых волн непосредственно связана с микроинтерферометрией полированных поверхностей. Задача повышения точности измерения сечений КРС требует создания аппаратуры позволяющей оценить шероховатость поверхности кристаллов, которая приводит к не контролируемой деполяризации света и увеличении паразитного рассеяния на границе кристалл воздух. Современная микроэлектроника так же предъявляет все более высокие требования к качеству обработки поверхностей подложек для микросхем, это связано с увеличением степени интеграции, с уменьшением размеров микросхем и увеличением рабочих частот электронных устройств.

На финишной стадии доводки поверхности до необходимой степени чистоты, какие-либо прикосновения измерительным инструментом к контролируемой поверхности не допускаются, так как приводят к нарушению полировки или загрязнению. Поэтому важнейшим требованием к методу контроля является отсутствие контакта с поверхностью.

Среди большого разнообразия методов измерения микрошероховатости и отклонения формы особое место занимают оптические методы. Если другие методы, такие как электронная и туннельная микроскопия, требуют специальной подготовки поверхности, к примеру, для электронной микроскопии это покрытие поверхности тонкой пленкой материала с тяжелыми ядрами атомов, типа золота, или нанесения проводящего покрытия. Оптические методы не требуют какой-либо специальной подготовки поверхности или наличия вакуума.

Воздействие маломощного светового излучения видимого диапазона на измеряемый образец, как правило, на столько незначительно, что эти методы вполне можно считать неразрушающими. Оптические методы измерения шероховатости основаны на измерении параметров отраженного или рассеянного поверхностью излучения. Однако, большинство из них является косвенными, или требуется наличие эталонного образца. По видимому, исключение составляет метод интерференционного профилографирования, который позволяет производить прямые измерения профиля поверхности, путем сравнения высоты неровностей с длиной волны света.

Измерения профиля, основанные на измерении сдвига интерференционных полос, по методу временных интервалов /1,2/ являются перспективными для решения важных прикладных задач, однако в мировой практике не используются из-за низкого быстродействия и слабой помехоустойчивости.

Целью данной работы является построение экспериментальной установки для исследования абсолютных сечений КР. Экспериментальные исследования тензоров абсолютных сечений рассеяния некоторых галоидозамещенных молекулярных кристаллов. Разработка

быстродействующего и помехоустойчивого интерференционного профилографа работающего по методу временных интервалов на одной и двух длинах волн.

Научная новизна.

1. Построена экспериментальная установка для исследования абсолютных сечений КР, с использованием, которой впервые экспериментально измерены все компоненты тензоров абсолютных сечений КР изоморфных, при комнатной температуре, молекулярных кристаллов п-дихлорбензола и п-дибромбензола, а также м-хлорнитробензола.

2. Разработан и построен интерференционный профилограф с синусоидальной модуляцией разности хода имеющий высокое быстродействие и помехоустойчивость.

3. Предложен алгоритм позволяющий реверсивно отсчитывать и накапливать сдвиг интерференционных полос.

4. Получены выражения для определения порядка интерференции на основе которых, построен алгоритм для двух волновой интерферометрии уступов с крутыми стенками.

5. Показано, что при качественной обработке поверхностей и точной ориентацией кристаллов по осям эллипсоида рефракции измеренные тензоры сечения КР решеточных колебаний согласуются с теоретическими расчетами.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные результаты по абсолютным сечениям КР позволили сравнить их значения с теоретическими расчетами в рамках различных моделей.

Интерференционный профилограф с синусоидальной модуляцией разности хода прошел успешную апробацию на двух предприятиях электронной промышленности г. Красноярска: Конструкторском Бюро Красноярского Завода Телевизоров (КБКЗТ) и Красноярском Научно-исследовательском Институте Радиосвязи (КНИИРС). Технические решения и алгоритмы положенные в основу профилографа могут быть использованы в новых приборах работающих на основе одно и двух волновой интерферометрии.

Апробация. Результаты работы были представлены и обсуждались на ПДПДУ-й Всесоюзных конференциях по спектроскопии КР в Шушенском 1983 г., Душанбе, 1986 г., Ужгороде 1990 г., Всесоюзной научно-техническая конференции, "Лазерные средства измерения в науке и технике и их применения в ГА", Киев, 1985, Всесоюзной научно-технической школе-семинаре по лазерному и спектральному приборостроению, Минск, 1985, VI и

VII Всесоюзных научно-технических конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Москва, 1986, 1987, г. V Всесоюзном совещании "Координатно чувствительные фотоприемники и оптоэлектронные устройства на их основе", Барнаул, 1989 г. Лазерный профилограф-профилометр был представлен в разделе СССР "Аппаратура для научных исследований", Международной выставки Наука-88.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 16 печатных работах и изобретениях, 8 из которых опубликованы в центральных академических и зарубежных журналах (Автометрия, Оптика и спектроскопия, Открытия и Изобретения, ЖПС, Phys. Stat, sol., Jornal of molecular electronics).

ГЛАВА. 1. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНЫХ СЕЧЕНИЙ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА (КРС)

§1.1. Проблема измерения абсолютных сечений КРС.

Несмотря на прогресс в экспериментах по измерению абсолютных сечений рассеяния КРС /3-6/ окончательное решение этой задачи сдерживается множеством факторов влияющих на точность измерений.

Главными из них являются следующие:

1. Чрезвычайно малая величина интенсивности измеряемой линии КРС;

2. Калибровка отклика регистрирующего устройства на воздействие измеряемой интенсивности КРС;

3. Флуктуации мощности возбуждающего излучения;

4. Определение телесного угла, в котором собирается рассеянное излучение;

5. Неравномерность ослабления светового пучка в зависимости от длины волны, поляризации падающего света и ширины щелей спектрометра;

6. Определение объема взаимодействия возбуждающего света с веществом регистрируемого спектрометром.

Существует два основных подхода к измерению абсолютных сечений КРС, наиболее простой из них, заключается в сравнении интенсивности измеряемой линии с линией эталонного вещества III, например, бензола. Сечение КРС исследуемого вещества в этом случае, вычисляется по формуле:

^ = G а0 А; /Ао Р0/Р i WL j {n j /п0}2 T0/T i л0/г| i (1.1),

где индекс i относится к измеряемой линии, a 0 к линии эталона, <т0- сечение КРС эталонного вещества, G - коэффициент, зависящий от поляризации и направления падающего и рассеянного лучей света, А/А0- отношение интегральных интенсивностей, Р0/Р i - отношение мощностей падающего света, Т0/Т i - отношение пропускания лазерного излучения рассеивающими объемами, r|0/r|i - отношение чувствительности регистрирующей системы на соответствующих частотах рассеянного света, Ь0ЛЦ - отношение толщины слоев эталонного и исследуемого образцов: (п ¡/п0)2 - отношение квадратов индексов рефракции. В ряде случаев, требуется абсолютное сечение КРС одной молекулы, тогда к формуле (1.1), следует добавить соответствующие сомножители, для молекулы:

а; = G сг0 Aj /A0P0/Pi L0/Li {п,/п0}2Т0/Т, тУл i H/N; (1.2),

здесь - М0/Ы { отношение количества молекул в единице объема.

Таким образом, имея надежные величины абсолютных сечений КРС эталонного вещества, по формуле (1.2) можно вычислить сечения КРС в исследуемых образцах.

К сожалению, литературные данные по абсолютным измерениям сечения КРС эталонных жидкостей, довольно сильно отличаются. В таблице 1.1. приведены некоторые из них для линии 992 см"1 бензола.

Таблица 1.1. Абсолютные сечения КРС линии 992 см"1 . бензола,

Ссылка длина волны возбуждающего

света (нм )

абсолютное сечение КРС см3 стерад.

(10"29 см3 стерад."1 мол""1. )

/3/ /5/ /6/ /4/

488 488 694,3 532

(1,05 ±0,08) (3,25 ±0,10) (8,00 ±1,6 ) (5,6 ±0,4 )

Таким образом, результаты измерений полученных авторами /3-6/ довольно сильно отличаются, поэтому целесообразно рассмотреть методику прямых измерений абсолютных сечений КРС.

§1.2. Прямые измерения абсолютных сечений КРС.

В соответствии с определением, сечение КРС есть постоянная для данного вещества величина пропорциональная отношению рассеянной мощности к плотности мощности падающего излучения:

а(е,Ф)=Рк/10 (1.3),

где 10 - плотность мощности падающего луча, а Рк - мощность рассеяния линии КР в направлении (0,ср).

Чтобы записать выражение (1.3) в измеряемых на эксперименте величинах рассмотрим геометрию расположения падающего и рассеянного лучей, изображенную на рисунке 1.

Падающий световой поток Р/ проходит через площадку Б/, а взаимодействие света с веществом происходит в объеме V = £//.

Рассеянный световой поток, заключенный в телесном угле О, регистрируется в направлении 0 = 90 = ср. Для одной элементарной ячейки, единичного волнового числа и единичного телесного угла, при заданной

ориентации электрических векторов падающего и рассеянного лучей, абсолютное сечение КРС а(9,ф) запишется следующим образом :

I а ^

У

X

Рис. 1. Геометрия расположения падающего и рассеянного лучей в образце.

здесь Р/ и Рг - падающая и рассеянная мощности, Б/ - площадь сечения падающего луча, V - объем элементарной ячейки образца, V - объем взаимодействия света с веществом, регистрируемый прибором, О- телесный угол собирания рассеянного излучения. Учитывая, что V = 8Д получаем :

з

¥,<р)=

Рг V

Рг

I О.

см

(молекула) стерад.

(1.5),

здесь см в размерности получается из-за того, что сечение КРС взято для единичного волнового числа. Чтобы получить полное сечение КРС, необходимо произвести интегрирование по всей ширине линии.

§1.3. Измерение мощности падающего луча.

Стандартные приемники излучения, такие как ФЭУ и фотодиоды реагируют непосредственно на световой поток, поэтому, если прокалибровать отклик системы регистрации в единицах мощности света ваттах, то можно

непрерывно контролировать падающую на образец мощность Р/ . Это можно сделать по следующей схеме, которая изображена на рисунке 2.

12 3 8

Рис.2. Экспериментальная схема измерения падающей на образец мощности света. Здесь 1-лазер, 2-дисперсионный элемент, 3- светоделительная пластина, 4-ФЭУ, 5-амплитудно-цифровой преобразователь, 6-компьютер, 7-измеритель мощности излучения лазеров, 8- измеритель мощности лазера (ИМО)

Монохроматическое излучение лазера-1, разделяется на два неравных пучка с помощью светоделительной пластинки-3. Большая часть мощности направляется на измерительную головку измерителя мощности, установленную на место образца, меньшая регистрируется ФЭУ, преобразуется в цифровой код, амплитудно-цифровым преобразователем-5 и накапливается в памяти компьютера. Усредненные величины отклика <Ы/>, системы регистрации выводятся на экран дисплея.

Таким образом, одновременно измеряем мощность лазера Р/ и отклик <Я/> Усредненное по многим измерениям отношение Р/Я/ = К/ есть коэффициент характеризующий чувствительность системы регистрации лазерного излучения Р/ = К Д/ падающего на образец.

§1.4. Регистрация мощности рассеянного света

Для калибровки системы регистрации рассеянного излучения, также необходимо измерять коэффициент К г характеризующий чувствительность:

= ^ (1.6),

где РГ(А) - мощность рассеяния, а Ыг- отклик регистрирующей системы на падающую мощность. Определим в начале чувствительность КГ(А,0) на длине волны возбуждающего света, направляя лазерный луч мощностью Р/ в систему регистрации рассеянного света спектрометра. Чувствительность на других длинах волн измерим используя стандартную лампу накаливания /8,9/, распределение энергии, которой известно.

§1.5. Измерение телесного угла О и длины луча I, регистрируемых

спектрометром

В соответствии с определением, телесный угол для каждого рассеивающего элемента дается выражением:

^ = (1-7),

£) п

где Б - оптическое расстояние между лучем лазера и собирающей линзой конденсора, п - показатель преломления образца в направлении рассеяния, 8 -площадь диафрагмы В, ограничивающей апертуру собирающей линзы ( см. рис.3. ). Длина отрезка луча лазера регистрируемой спектрометром, контролируется диафрагмой А расположенной прямо на стенке кюветы. Очевидно, что длина лазерного луча /0 регистрируемая спектрометром будет отличаться от / из-за расходимости световых лучей:

1 = {%П-Р)\ (1-8),

где 1 длина диафрагмы А, Б - расстояние между лазерным лучем и диафрагмой А. Чтобы весь поток рассеивающего света попал в прибор

А В

Рис.3. Схема освещения щели спектрометра.

необходимо, чтобы изображение лазерного луча целиком проходило в щель прибора, т.е. с^хук, Ь>1к, здесь ёг диаметр лазерного луча, ш и Ь ширина и высота входной щели и к - коэффициент увеличения конденсора.

§1.6. Сечение КР

Запишем формулу для определения абсолютного сечения КР в измеряемых на эксперименте величинах, для этого подставим полученные выражения для Р г, Р/ , 10 и П формулу (1.3). После необходимых сокращений получим /3/:

*в'г) =-кПШ-' (1'9)-

В конечное выражение для абсолютного сечения КР, не входит ширина щели, однако, следует иметь ввиду, что это справедливо только для нормальных щелей, то есть, когда лук <ф.

§ 1.7. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка, схема которой показана на рисунке 4, состоит из трех основных частей: 1-источник лазерного излучения и система контроля мощности падающего на образец,^ II-дифракционный с�